基于LoRa物聯的遠程智能起爆系統研發

李萍豐 張金鏈 徐振洋 張兵兵 楊 飛 李 新

(1.宏大爆破工程集團有限責任公司,廣東 廣州 510623;2.深圳市憨包民爆云領電子發展有限公司,廣東 深圳 518000;3.遼寧科技大學礦業工程學院,遼寧 鞍山 114051)

在5G、人工智能、大數據、云計算等新一代信息技術的引導下，歷經了從數字爆破到智能爆破的逐步發展過程?，F階段，在礦山爆破中，爆破起爆系統是生產施工的重要環節，其可靠性和安全性關系到人身安全、財產損失和爆破效果[1]。無線網絡遠距離起爆系統可擺脫傳統起爆器的導線物理連接工作，省去爆破網路連接和檢查環節，提高爆破作業效率，作業人員進入高風險區域的人次減少，有助于實現爆破作業場所少人化和本質安全。相比采用傳統導線控制的起爆方法具有更大的靈活性、安全性、可靠性、便捷性和經濟性等優點[2]。

目前，國內外的起爆系統分為有線和無線兩大類，其中無線起爆方法有微波起爆、激光起爆、激波管起爆等。闞文星等[3]對微起爆系統的關鍵技術及發展概況進行總結，并對下一代起爆系統提出展望。張波等[4]為解決起爆系統的安全性問題，設計了一種分離式無起爆藥點火裝置，現場應用表明該系統性能可靠。劉慶等[5]利用PIC單片機與高可靠性的擴頻無線控制技術，設計出包括無線遙控器、電子起爆器及配套電容式擊發針的遙控導爆管起爆系統。習成獻等[6]設計了一種新型起爆控制系統，實踐證明該系統工作效率、可靠性及安全性滿足現場需求。尹國福等[7]設計了基于RS485總線的可尋址起爆網路系統，通過試驗證明系統具備智能化與高安全性優勢。梁車平等[8]基于爆炸箔起爆技術的高安全性設計了同步起爆系統，試驗分析表明:起爆的同步性與每組雷管之間等效電阻和等效電感等參數有關。王朋等[9]實現了微型高效沖擊片雷管起爆系統的設計，實踐證明該系統體積大幅度減小、起爆速度快、起爆靈活可控。韓克華等[10]對3種多點同步起爆系統進行測試對比，結果表明:基于沖擊片雷管的多點同步起爆系統同步性最優。CAI等[11]研究了遠程無線發起網路安全加密技術以及系統安全設計方法，在保證安全的前提下，實現了遠程控制爆破。MIAO[12]等提出了一種新的對稱雙線性起爆系統(SBI)來創造收斂的爆轟波碰撞，不僅避免了材料浪費，而且操作簡單。CHAWLA等[13]為實現安全爆破，設計了一種基于Wi-Fi的無線爆破系統，該系統可適配多種炸藥，具有良好的實用性。BRANCH等[14]將LoRa應用于地下采礦爆破中，但在視線不佳的情況下該系統信號遭到嚴重衰弱，但在一定程度上推動了無線起爆技術的應用進程。

綜合分析可知，現有的起爆系統存在抗干擾能力與可靠性較差、器材笨重、智能化水平不高、價格昂貴等不足。本研究開展了基于LoRa物聯的無線遠程智能起爆系統研發，重點就無線遠程的通信系統設計方案和智能遠程起爆系統的安全控制技術進行探討，以提高礦山起爆系統的智能化操作水平。

1 無線遠程通信系統的技術研究

1.1 工作頻率選定

目前國際電信聯盟定義的無線電頻率中，30～1 000 MHz頻段這一波段是甚高頻(米波)和特高頻(分米波)的一部分[15]。該頻率的主要傳播方式為視距內的空間波傳播，以及對流層散射和電離層散射。對流層散射在某些場合可以代替無線電接力系統，傳播距離達到數百千米時可以不使用中繼站，同時還可具有大容量(多路傳輸)，而低頻波段是無法實現的。與高頻波段相比，該頻段的優點在于對低容量系統可以用小尺寸天線。

可見，采用30～1 000 MHz頻段的高頻段應用于無限起爆系統是合適的，不僅容量可以增大，還可以通過更多的路數。因此本研究選用該工作頻率開展起爆系統研發。

1.2 信號調制方式

由于頻率、相位調制對噪聲抑制更好，FSK是當今主流通信設備的首選方案[16]。FSK頻移鍵控法實現較容易，抗噪聲與抗衰減的性能較好，在中低速數據傳輸中得到了廣泛應用。

2FSK可看作是兩個不同載波頻率的ASK已調信號之和。解調方法有相干法和非相干法。類型有二進制移頻鍵控(2FSK)，多進制移頻鍵控(MFSK)[17]。FSK信號調制方式符合起爆時所需的信號要求，本研究采用FSK調制方式對起爆信號進行調制。

1.3 無線通信技術選擇

無線起爆技術應在兼顧遠距離傳輸的同時，還能實現低功耗且價格低廉[18]。LoRa物聯技術具有遠距離、低功耗、多節點、低成本等特性，滿足了無線起爆技術的要求[19]。

LoRa在全球免費頻段運行，包括433、868、915 MHz等。LoRa是基于線性調頻擴頻調制，保持了與FSK調制相同的低功耗特性，顯著擴大了通信距離(表1)。

表1 LoRa物聯與其他無線通信技術的區別Table 1 Difference between LoRa IOT and other wireless techniques

通過綜合比選，本研究認為HM-TRLR-S433 MHz的無線收發模塊與起爆系統最匹配。該無線收發模塊具有通信距離遠、抗干擾強、體積小等優點，滿足起爆系統的需求。無線收發模塊HM-TRLR-S基本參數取值:工作頻率 433/470/868/915 MHz (±20 MHz可設置)，調制方式LoRa/FSK，發射功率 2～20 dBm可設置，接收靈敏度-139 dBm (Max)，傳輸速率1.2～115.2 kbps可設置，發射電流 130 mA (+20 dBm)，接收電流 20 mA，待機電流 2 μA，發射頻偏 10～50 kHz，接收帶寬 42～166 kHz，輸速率 1 200～115 200 kbps可設置，數據接口 8N1/8E1/8O1 TTL UART (支持RS232或RS485接口)，距離＞5 000 m(LoRa模式、可視距離)，天線阻抗50 Ω，工作溫度-20～+85 ℃，供電方式DC 3.3～5.5 V。模塊電路如圖1所示。

圖1 無線通信模塊電路Fig.1 Circuits of wireless communication module

2 遠程智能起爆系統安全控制研究

2.1 智能起爆器安全控制

智能起爆控制器主要實現的功能有:與手機端、信號中繼器或無線智能起爆模塊雙向通信、定位、存儲資料，與手機端APP“爆破助手”實現雙向資料的傳輸等功能。

智能起爆控制器能夠向智能無線起爆模塊發送起爆命令，同時解決數碼雷管因起爆能量不足而造成的雷管無法起爆、導致盲炮產生的安全隱患等問題。其次，智能起爆控制器自帶GPS定位功能，可通過手機端“爆破助手”APP確認該控制器是否在有關部門進行注冊、是否在允許的區域內進行爆破作業。起爆系統通過現場注冊機制，保證了起爆網路的排他性和封閉性[20]。

智能起爆控制器中GPS模塊采用Air530Z模塊。智能起爆控制器的Air530Z模塊能實時獲取起爆控制器的GPS坐標，滿足準爆區對數碼電子雷管的管理要求，實現爆破區域管控[21]。

2.2 數碼電子雷管安全控制

數碼電子雷管是現代電子技術、信息技術與傳統雷管技術相結合的產物，采用集成芯片控制技術、加密技術以及電子精密延期技術[22]，有助于提高整個起爆系統的安全性。數碼電子雷管采用銥缽起爆系統，主要由數碼電子雷管、銥缽表、銥缽起爆器等設備組成，其延時范圍為0～15 000 ms，可在此范圍內任意設定，誤差小于1 ms。數碼電子雷管工作原理圖2所示，起爆器發送起爆指令后由Zigbee無線透傳模塊接收，然后stm32單片機進入中斷，定時器延遲10 ms后置低PB5，使VD1截止，K1釋放，其常開觸頭斷開，振蕩升壓電路停止工作，C1和C2迅速放電，將數碼電子雷管引爆。

圖2 數碼電子雷管工作原理Fig.2 Working principle of digital electronic detonators

數碼電子雷管供電電路包括穩壓電路(圖3(a))和充電電路(圖3(b))，穩壓電路的輸入端與供電電池連接，充電電路與供電電池連接。穩壓電路包括穩壓芯片，穩壓芯片的輸入端與供電電池連接，穩壓芯片的輸出端與主控芯片的第8引腳和無線通信芯片的第1引腳連接。充電電路包括充電連接端口和充電管理芯片，充電連接端口用于連接外部供電接口，充電管理芯片的輸出端與供電電池連接。

圖3 升壓電路與供電電路原理Fig.3 Principal of boost circuit and power supply circuit

通過設置供電電路為主控電路和無線通信電路供電，并設置升壓電路保證MBus通信控制電路和MBus驅動電路工作。MBus驅動電路與電子雷管連接后，電子雷管的信息經MBus驅動電路后發送至智能無線起爆模塊主控電路，使智能無線起爆模塊的主控電路通過無線通信電路將電子雷管的信息發送至智能起爆控制器。在智能起爆控制器發送起爆信號時，通過無線通信電路接收，并在MBus通信控制電路控制下，經MBus驅動電路將起爆信號發送至數碼電子雷管，進而實現無線起爆，從而滿足無線起爆的使用需求，具有極高的實用性。

2.3 智能起爆系統應用中的安全控制

無線遠程智能起爆系統應用中的安全措施為:① 智能起爆控制器、智能起爆模塊和數碼電子雷管在有關部門授權下、在允許爆破的區域內方可使用;② 智能起爆控制器在獲得組網密碼后可完成起爆前準備;③ 智能起爆控制器同時按下“B”鍵和“H”鍵后，可實現控制起爆(圖4)。

圖4 智能起爆控制器Fig.4 Intelligent initiation controller

3 試驗方案設計

3.1 試驗準備

試驗前準備主要包括數碼電子雷管、智能無線起爆模塊、智能起爆控制器、信號中繼器，如圖5至圖8所示。

圖5 數碼電子雷管Fig.5 Electronic detonator

圖6 無線起爆裝置Fig.6 Wireless detonator

圖7 智能無線起爆模塊Fig.7 Intelligent initiation modules

圖8 系統整體組成Fig.8 Overall system composition

3.2 試驗流程

智能爆材在投入使用前，需要對其安全性進行試驗[23]，確保通信信號在智能起爆系統內的暢通性，保證起爆控制器與起爆模塊的發送、反饋信號得以準確表達。試驗流程包括數碼電子雷管注冊、授權及無線智能起爆模塊的檢測工作，連接后的智能無線起爆系統還需要依次進行雙向通信信號、注入延期時間、組網及起爆4項操作步驟[23]，保證每項操作與結果的有效性，試驗過程中起爆器對應的操作界面如圖9所示。

圖9 試驗過程Fig.9 Test process

4 現場試驗

試驗礦山以生產砂石骨料為主，礦區海拔1 622～1 744 m，相對高差約122 m。開采方式為山坡型露天開采、公路開拓、中深孔爆破和臺階式開采。本研究對所研發的無線智能遠程起爆系統進行距離測試、抗干擾測試、地形測試和可靠性測試，檢驗無線智能遠程起爆系統的實用性(圖10)。

圖10 現場試驗Fig.10 Field test

4.1 距離試驗

通過距離試驗分析無線遠程智能起爆系統在遠距離情況下能否實現電子雷管的成功起爆。距離測試內容為:數碼電子雷管與現場藥包引線連接，無線智能起爆模塊與數碼電子雷管連接，無線智能起爆模塊與智能起爆控制器距離分別為200、500、1 000 m，兩者位于同一高程的開闊地，試驗人員發送起爆指令，檢驗數碼電子雷管是否發生準確起爆。試驗結果見表2。

表2 距離試驗結果統計Table 2 Statistics of distance test results

由表2可知:智能起爆控制器與無線智能起爆模塊在一定距離的開闊地形上，距離分別為200、500、1 000 m時，雙向通信信號、延期時間、組網、起爆均可正常工作。經過重復試驗證明:該系統在遠距離情況下依舊能保持高穩定性，滿足了實際需求。

4.2 地形試驗

通過地形試驗分析智能起爆控制器在特殊地形環境中能否準確起爆數碼電子雷管。地形測試內容為:數碼電子雷管與現場藥包引線連接，無線智能起爆模塊與數碼電子雷管相連，智能起爆控制器與無線智能起爆模塊之間的水平距離為200 m，但兩者之間的高差分別為50 m、100 m，且在山谷地形內，測試智能起爆控制器能否準確起爆數碼電子雷管。試驗結果見表3。

由表3可知:山谷地形、高差分別為50 m、100 m的地形試驗中，智能起爆控制器能夠準確起爆數碼電子雷管，多次試驗表明，智能無線起爆系統測試效果滿足實際工作需求。

表3 地形試驗結果統計Table 3 Statistics of topographic test results

4.3 系統抗干擾試驗

為進一步分析外界因素對無線智能遠程起爆系統正常作業的影響，開展了系統抗干擾試驗，以便根據影響程度提出應對措施，消除或減弱干擾因素產生的影響。干擾測試內容包括:① 電磁干擾方面，采用手機及對講機置于無線智能起爆模塊所在位置形成干擾源;② 振動干擾方面，試驗前檢查車輛及采礦機械運動中產生的振動對設備的影響;③ 雜散電流干擾方面，檢查現場通電設備(車載充電、電源線路、高壓線路、強力電焊機等)對系統的影響。試驗結果見表4。

表4 干擾試驗結果統計Table 4 Statistics of interference test results

由表4可知:電磁干擾、雜散電流干擾及試驗前的振動干擾對系統本身不造成影響，在振動干擾測試中，試驗前的車輛/重車輛的工作振動對智能無線起爆模塊不構成影響;試驗起爆結束，智能無線起爆模塊的正常率超過90%，振動干擾對系統的影響滿足設計要求，進一步說明本研究設計的智能無線起爆模塊穩定性較好，滿足抗干擾影響的設計要求。

4.4 系統可靠性試驗

智能無線起爆系統運行中的可靠性主要是指系統起爆的有效性，還包括該系統的可行性和經濟性。為對系統的可靠性進行測試，選擇了距離100 m與200 m，山坡、高差兩種地形及5、10臺的2 000 W電焊機設計了正交試驗，每種相同的干擾條件重復試驗20次，檢查無線遠程起爆系統是否能準確起爆雷管，驗證起爆系統的可靠程度，試驗結果見表5。

由表5可知:在所有的條件中，系統均實現了正常起爆，在各組的20次試驗中，起爆率達100%，說明該系統具有強抗干擾、高穩定、遠距離、安全可靠等技術優勢，能滿足現場爆破實際需求。

表5 可靠性試驗結果統計Table 5 Statistical results of reliability test

5 結 論

(1) 基于LoRa物聯的無線遠程智能爆破系統選用工作頻率433 MHz、通信距離＞5 000 m(可視距離)、調制方式FSK的LoRa擴頻傳輸技術，具有通信距離遠、抗干擾強、穩定性好、智能化水平高、功耗低和經濟性好的特點。

(2) 通過距離、地形、干擾測試及可靠性測試，選擇200、500、1 000 m的距離、山谷地形以及高差分別為50 m和100 m的地形，測試了系統對電磁和振動的抗干擾能力。試驗結果反映出爆破系統仍能處于正常工作狀態，證明該系統具備強抗干擾、高穩定、安全可靠等技術優勢。

(3)遠程智能起爆系統的研制，克服了傳統起爆能量不足及距離的不足，可為露天礦山爆破施工的智能化作業提供支持。