基于LoRaWAN的核電建設期車輛管理系統

毛鐸陪 李英

為了實現核電建設、調試階段的車輛動態管理，設計核電建設期車輛管理系統。基于物聯網遠程通信技術，采用LoRa技術構建具有抗干擾能力好、穿透力強、通信遠距離的雙向通信和定位系統。系統硬件平臺以SX1278射頻芯片為通信單元，在MCU的控制下，星形網絡作為通信組網的基本架構，使用GPS（北斗）雙模定位技術，在LoRaWAN協議的支持下，實現車輛的遠程通信和定位功能。

目前核電建設廠區大，施工單位較多，車輛多，種類復雜，管理難度大，特別是特種車輛，需要定期檢驗，對操作人員資質有要求，需要實時關注其動態信息；廠區內對供電有較嚴格管制，在通訊方面，有線網絡很容易受到施工影響（挖斷、壓斷等），無線網絡受制于通訊距離、用電和安規要求。LoRa技術作為一種物聯網遠程通信技術，兼顧了低功耗、遠距離、低速率、低成本和大規模組網的特點，具有抗干擾能力強、障礙物穿透性好的優勢。針對現場的實際情況，采用LoRa技術所具有的遠程通信，結合GPS（北斗）定位技術，構建核電建設現場的車輛管理系統，結合廠區GIS地圖，實現按區域劃分的24小時不間斷監督和管控。

一、系統設計

（一）系統組成和基本功能

該系統用于管理廠區內車輛分布、定位、行駛情況，也可查看車輛的歷史行駛軌跡，整個系統主要由定位終端、通信基站（網關）、網絡服務器和管理系統、GIS服務器等組成，其中定位終端若干個，通信基站若干臺，網絡服務器一臺，管理系統若干臺，GIS服務器一臺。系統網絡架構如圖l所示。

主要功能：一是一鍵定位（打卡）功能，按鍵后立即啟用GPS（北斗）定位，并把當前坐標傳回服務器；二是人員車輛定位，終端定期自動進行GPS（北斗）定位，并把坐標通過Lora基站傳回服務器；三是結合廠區GIS地圖，將廠區劃分區域，進行網格化管理；四是特種作業（如動火作業、吊裝等）時可在線監督施工人員、安全監督人員的配備、到位、執行情況，特種車輛管理的定期檢修和超期提醒，并在GIS地圖上顯示。

（二）系統工作原理

2013年8月，美國Semtech公司研發出一種新型物聯網遠程單跳組網技術——“LoRa技術”，它采用擴頻調制解調、前向糾錯編碼和數字信號處理等技術，解決了低功耗和遠距離通訊難以兼得的難題，并研發了SX126X、SX127X系列終端芯片，SX1301網關芯片。LoRa技術具有低功耗、遠距離、低速率、低成本、大規模組網 明顯的技術優勢，其以星形網絡為基本通信架構，在免費的非授權頻段工作（470～518MHz），傳輸速率為0.3～36.5 kbit/s。在開闊環境下面通信距離達到10Km，復雜環境下可達2KM，具有抗干擾能力強、穿透性好等優點，適合核電建設現場。

車輛定位終端體積小重量輕（如銀行卡大小，重量50g左右），配備大容量聚合物鋰電池，可使用手機、移動電源等進行充電，終端根據默認設定、電量、充電情況自主切換傳輸頻率，也可接收遠程指令自行調整發送頻率。

二、硬件平臺設計

LoRa硬件通訊平臺是本系統的核心組件之一，主要包括車輛佩帶的定位終端和數據透傳的基站。定位終端硬件模塊如圖2所示，由MCU模塊（集成藍牙）、SX1278射頻處理模塊、執行單元、電源模塊、GPS模塊等組成。

Nordic nRF52832 是一款功能強大，高度靈活的超低功耗多協議的低功耗藍牙處理模塊，它是一款帶有浮點運算單元的ARM Cortex-M4 32位處理器，工作頻率64MHz，Flash 512KB， RAM 64KB的處理器模塊，同時它也是一款在低功耗模式下的靈敏度-96 dBm，-20至+4 dBm TX功率可調的藍牙采集模塊，同時集成可以支持多協議，包括ble藍牙低功耗，ANT和2.4GHz專有協議；現場安全監督人員進行巡視時，使用管理APP，可感知10～20米內車輛信息，快速進行合規作業甄別（如作業許可、人員資質等方面）。

LF7811 LoRa數據傳輸模塊，封裝一顆Semtech的LoRa SX1278芯片，采用高精度的晶體和物料即可獲得超過-139dBm 的高靈敏度，與+18.6dBm 功率放大器的集成使這些器件的鏈路預算達到了行業領先水平；

GPS+北斗定位單元定位模組，采用u-blox新一代UBX-M8030-KT方案的模組，是一款支持BDS B1/GPS L1/GlONASS L1頻點（三選二）雙模導航定位模塊。模塊內部集成了u-blox方案的新一代可支持BDS B1/GPS L1/GLONASS L1頻點SOC基帶+射頻一體芯片，模組可以跟蹤多達72個通道的同時，在弱信號環境下快速TTFF定位。

MCU通過SPI總線與UBX-M8030-KT進行通訊，獲取GPS坐標，再通過SPI總線與SX1278進行通訊，將GPS坐標信息等傳遞出去，MCU通過URAT總線與執行單元進行通訊，在接收到基站發送的指令后，進行相關參數調整。電源模塊直接為其它模塊供電，由于采用低功耗設計，一般電池可以使用40小時以上（通訊頻次較高）。

基站是整個通訊的中心與關鍵，起到了數據傳輸的橋梁作用，采用SX1301芯片，上行8通道下行1通道，采用POE供電。

三、定位技術

基于LoRa技術的定位方案主要有兩種：1、通過基站讀取接收信號強度值RSSI，2、通過基站接收無線信號傳輸時間差（TDOA）；兩種定位方式各有優缺點，但是定位精度都比較低，受外界環境干擾比較大（遮擋、反射等），鄉村環境實現30米精度，城市環境實現150米精度，對于核電建設廠區，30米精度已無法滿足現場管理要求，因此引入GPS（北斗）定位，采用u-blox新一代UBX-M8030-KT模組，其理論精度在2.5CEP，實際測試在5米左右，已經基本滿足現場需要。

四、應用系統

系統采用了B/S架構RESTful風格，前后臺剝離，所有的數據最終都匯集到管理系統進行存儲、分析和處理。應用系統軟件由三個模塊17個應用組成，相互協作完成車輛定位管理功能。應用系統模塊結構如圖4所示。整個應用系統核心采用GPS（北斗）定位，通過LoRaWAN進行低功耗遠距離傳輸。

五、結束語

基于LoRaWAN技術的車輛定位管理系統，充分發揮了LoRa技術低功耗、低成本、遠距離、抗干擾能力強、穿透好的特點，結合GPS（北斗）定位技術，實現了在復雜環境下雙向通信，同時兼顧了車輛定位功能，其定位精度達到5m的水平，具有較好實用價值，并且可以以定位管理為基礎擴展對車輛的管控，如車輛進退場、車輛基本信息管理、車輛軌跡追溯等，將有利于提高核電建設現場車輛的管理水平。

作者單位：國核工程有限公司

基金項目：國家重大專項課題2018ZX06002002《CAP1400核電關鍵建造調試技術研究》