基于LoRaWAN網絡的礦山全物料發貨系統設計

李兆猛

（南京梅山冶金發展有限公司礦業分公司）

梅山礦業公司的鐵精粉生產、銷售為流程型生產方式，倉儲發貨需要及時完成，否則有逼停整個生產鏈條的風險。礦業公司的發貨系統具有位置分散、區域集中、品種多、業務多態的特征。發貨地點有鐵尾砂倉、氧分鐵紅料場、東礦倉、西礦倉、東南井料場、硫酸廠，產品包含鐵精礦、鐵尾砂、硫酸、廢石、壓濾以及鐵尾/壓濾混合產品等，所有發貨區域均在5 km 范圍內。但因發貨區域的交通情況復雜以及施工影響，多次出現網絡中斷且難以及時恢復的問題，造成發貨物料積壓、運輸車輛堵塞等情況發生。為此，設計一款穩定性強、擴展能力強、網絡施工維護方便的全物料發貨系統勢在必行。

1 有線全物料發貨系統的問題

有線全物料發貨業務系統是通過光纖連接服務端與各智能發貨終端，實現業務的信息交互、現場控制。總體拓撲結構如圖1所示。

共6個發貨終端控制箱分別在直線3 km范圍內，所有控制箱之間通過光纖連接到服務器機房，通過交換機與發貨服務器相連。不同的發貨終端控制箱因現場的產品數量不同，連接的其他網絡設備與控制裝置數量也不同，在部署、擴展業務點時，每個箱子均需要鋪設光纖，兩端加裝光收發器、連接網絡的交換機等，為通信準備的硬件、電源等設備，占到整個控制箱設備的一半以上。同時發貨現場的交通、地形環境復雜，部署、施工等較為困難，且出現問題時維護工作量大、時間長。

每個發貨終端控制箱均需要通過光纖連接服務器，因各點位置較散，因此每個發貨終端均需要連接光纖接線盒、光纖收發器、交換機等，通信所需設備多、線纜多、連接工作量大。當網絡出現故障時，檢查難度大，如果是光纖損壞，恢復需要的時間較長。因此，整個有線全物料發貨系統花費在網絡上的部署、安裝及檢修代價較大。

2 基于LoRaWAN的全物料發貨系統方案設計

2.1 網絡硬件系統

LoRa 是Semtech 公司開發的一種低功耗局域網無線標準，其名稱“LoRa”是遠距離無線電（Long Range Radio），它最大特點就是在同樣的功耗條件下比其他無線方式傳播的距離更遠，實現了低功耗和遠距離的統一。LoRaWAN 開放規范是基于Semtech LoRa 設備的低功耗廣域網（LPWAN）標準，提供了高效、靈活和經濟的解決方案，在這些情況下，蜂窩、Wi-Fi和藍牙低功耗（BLE）網絡是無法實現的。正因LoRa 網絡具有上述特征，因此已經被廣泛用于環境監測、應急監控、農業生長情況監測、停車場導引等方面［1-6］，在礦山行業，人們在礦山井下通信、地質災害監測等方面也有探索應用。結合LoRa通信技術特點，設計基于LoRaWAN 的發貨系統硬件整體方案如圖2所示。

圖2中，所有發貨控制箱網絡通信部分只需要一塊LoRa 收發節點即可，在全物料發貨服務器端安裝一塊帶有4G 網絡的LoRa網關，所有分布在整個廠區的各發貨點不需要再鋪設光纖、增加交換機及光收發器等設備，實現了各點與發貨服務系統的無線連接；通過服務器終端增加業務邏輯終端，在業務發貨現場增加業務物理終端，可便利地實現發貨點擴點。基于LoRa通信的全物料發貨系統，擴點方便，且不用擔心因施工造成的網絡中斷，且在復雜的工況環境下施工與維護成本非常低，具有極高的性價比。服務器端連接LoRa 網關，可實現與集控中心的高速連網；在無intertnet 網絡的環境下，也可以通過LoRa 網關的4G傳輸方式，實現服務端與云平臺的連接，保證了系統的穩定性與可靠性。

2.2 發貨終端硬件系統設計

有線的物料發貨終端設備多、接線復雜，業務警示燈控制使用485接口，邊緣業務終端和讀卡器均為RJ45接口，一鍵委托使用485接口，因此需要交換機、光纖轉換器等網絡通信設備。接口的多樣性、輔助設備的增加，導致安裝施工復雜以及檢修和運營成本增加。為保障系統擴展性，又具有安裝、施工方便的目標，對當前發貨終端進行改進。改進前與改進后發貨終端控制箱如圖3所示。

改造前接口類型、接線標準多樣，改造后的Lo-RaWAN 的業務終端則只需要一個帶有485 接口的LoRa 傳輸模塊，刷卡器、控制模塊、擴展箱等均可通過485 連接，刷卡器、警示燈控制模塊按照一定規則分配一個485地址，即可完成相應功能。部署一個發貨業務點，可省去光纖鋪設、融接等施工工作，減少交換機、收發器、光融接盒等設備及大量的接線工作，整個業務箱只有LoRa 網絡模塊、業務處理終端、警示控制模塊，減少了多個設備之間的故障點，提升了系統的穩定可靠性；通過LoRa網絡自行組網，提升了系統可靠性、穩定性與擴展性。

2.3 支持分極配置的全物料發貨業務軟件設計

結合梅山及類似企業的發貨物料類型多、變化快的要求，設計一種方便增、刪、改的全物料業務模型，通過服務端配置、修改，發貨現場增加硬件的方式，可便捷地增加業務品種與發貨業務。

服務端功能主要是增加邏輯終端配置與管理：①增加倉庫點，包括倉庫點的代碼、倉庫點名稱、配置倉庫點業務處理機IP、倉庫點的父級倉庫ID、倉庫狀態；②倉庫操作，包括增加、修改、刪除、導出倉庫點，編輯多元系統映射編碼；③配置業務品種。

根據實際生產需要，在服務端只需要配置好新增業務的場所名稱、父級倉庫ID、多元映射代碼等，則在服務端增加了一個產品服務，比如在當前的發貨系統中增加瓜子片的品種，則增加瓜子片的邏輯業務終端即可；當一個發貨業務改變時，可通過修改倉庫位置、名稱、映射代碼等，則立即實現品種的轉換、位置變化，如尾礦倉的發貨品種由1 個品種鐵尾砂更新為2 種時，則在系統上配置產品種類即可，配置業務產品類型，可根據現場的產品情況及變化情況，實時更新并刷新即可。

2.4 全物料發貨終端軟件功能設計

根據發貨終端硬件系統及業務功能需求，設計靈活的發貨現場軟件模塊，主要用于發貨鑒權、過程記錄、委托生成及提交及信息提示功能。主要包含的功能有發貨看板、授權物資、系統設置、界面重置、調試面板、關閉示燈、退出登錄等功能。

發貨看板主要對當前發貨點的業務情況實時顯示，以及歷史情況展示，內容包括發貨物資、計劃號、發貨量、車號、皮重、卡號、硬件接口等信息，能方便了解現場發貨的相關軟件及硬件接口、時間等信息，方便信息的回溯及故障分析，并將前車正確完成的信息在底部顯示出來，方便司機查詢現場信息；授權產品用于全發貨點某車道可以發貨的產品，當某一發貨點現場某車道產品變化時，可實時更新產品類型，則終端點信息實時與服務端更新同步，實現新的產品發貨，且刷卡器自動根據變動過濾其他類型產品卡，避免了產品錯發；系統設置用于配置本終端與服務端的信息交換接口；關閉示燈用于現場硬件警示燈的關閉，用于無發貨任務時節能；調試面板用于對本終端功能所涉及的源碼、輸出信息、當前執行源碼、網絡狀態、內存占用等信息查詢，便于出現異常情況時的信息分析，方便維護人員遠程維護及處理問題。

3 系統應用情況

基于LoRaWAN 的全物料系統自上線以來，建立了統一的硬件接口，并應用統一的軟件靈活配置規則，實現了快速地部署與擴點應用，且能根據現場產品變化情況，實時更新發貨產品類型、刷卡鑒權功能等定義；在部署及施工方面，省去有線發貨系統的光纖、RJ45 等施工內容，減少了設備數量及接口，并統一使用LoRa 及485 接口；可方便地擴展發貨點，當前已經由西礦倉應用擴展到鐵尾砂、料場、東礦倉、壓濾泥、硫酸等發貨點；發貨點網絡硬件數量及接口類型減少50%以上，網絡的穩定性、可靠性極大提升，系統硬件成本降低10%以上，網絡維護成本減少了80%以上；服務端可通過4G網絡，方便移動終端的遠程業務處理及維護工作，為業務實時、遠程交互提供了極大的方便。系統自2021 年投運以來，極大減輕了發運人員工作量，為復雜發貨現場靈活的發貨模式提供了易用的平臺，受到了使用部門的高度評價，系統主界面如圖4所示。

4 結語

以梅山礦業全物料發貨系統運行的實際情況為基礎，分析了有線網絡系統存在的問題，根據梅山發貨應用場景的特點，應用物聯網LoRa通信的特點，設計了一種基于LoRaWAN 網絡的具有方便部署、擴展性強、統一接口的全物料發貨系統，并設計了整體方案及現場發貨終端控制箱。新的發貨系統不需要單獨鋪設光纖及相關網絡設施，可低成本、高效完成系統的復制，具有靈活性強、擴展性強、維護成本低的特點。