毛铎陪 李英

为了实现核电建设、调试阶段的车辆动态管理，设计核电建设期车辆管理系统。基于物联网远程通信技术，采用LoRa技术构建具有抗干扰能力好、穿透力强、通信远距离的双向通信和定位系统。系统硬件平台以SX1278射频芯片为通信单元，在MCU的控制下，星形网络作为通信组网的基本架构，使用GPS（北斗）双模定位技术，在LoRaWAN协议的支持下，实现车辆的远程通信和定位功能。

目前核电建设厂区大，施工单位较多，车辆多，种类复杂，管理难度大，特别是特种车辆，需要定期检验，对操作人员资质有要求，需要实时关注其动态信息；厂区内对供电有较严格管制，在通讯方面，有线网络很容易受到施工影响（挖断、压断等），无线网络受制于通讯距离、用电和安规要求。LoRa技术作为一种物联网远程通信技术，兼顾了低功耗、远距离、低速率、低成本和大规模组网的特点，具有抗干扰能力强、障碍物穿透性好的优势。针对现场的实际情况，采用LoRa技术所具有的远程通信，结合GPS（北斗）定位技术，构建核电建设现场的车辆管理系统，结合厂区GIS地图，实现按区域划分的24小时不间断监督和管控。

一、系统设计

（一）系统组成和基本功能

该系统用于管理厂区内车辆分布、定位、行驶情况，也可查看车辆的历史行驶轨迹，整个系统主要由定位终端、通信基站（网关）、网络服务器和管理系统、GIS服务器等组成，其中定位终端若干个，通信基站若干台，网络服务器一台，管理系统若干台，GIS服务器一台。系统网络架构如图l所示。

主要功能：一是一键定位（打卡）功能，按键后立即启用GPS（北斗）定位，并把当前坐标传回服务器；二是人员车辆定位，终端定期自动进行GPS（北斗）定位，并把坐标通过Lora基站传回服务器；三是结合厂区GIS地图，将厂区划分区域，进行网格化管理；四是特种作业（如动火作业、吊装等）时可在线监督施工人员、安全监督人员的配备、到位、执行情况，特种车辆管理的定期检修和超期提醒，并在GIS地图上显示。

（二）系统工作原理

2013年8月，美国Semtech公司研发出一种新型物联网远程单跳组网技术——“LoRa技术”，它采用扩频调制解调、前向纠错编码和数字信号处理等技术，解决了低功耗和远距离通讯难以兼得的难题，并研发了SX126X、SX127X系列终端芯片，SX1301网关芯片。LoRa技术具有低功耗、远距离、低速率、低成本、大规模组网 明显的技术优势，其以星形网络为基本通信架构，在免费的非授权频段工作（470～518MHz），传输速率为0.3～36.5 kbit/s。在开阔环境下面通信距离达到10Km，复杂环境下可达2KM，具有抗干扰能力强、穿透性好等优点，适合核电建设现场。

车辆定位终端体积小重量轻（如银行卡大小，重量50g左右），配备大容量聚合物锂电池，可使用手机、移动电源等进行充电，终端根据默认设定、电量、充电情况自主切换传输频率，也可接收远程指令自行调整发送頻率。

二、硬件平台设计

LoRa硬件通讯平台是本系统的核心组件之一，主要包括车辆佩带的定位终端和数据透传的基站。定位终端硬件模块如图2所示，由MCU模块（集成蓝牙）、SX1278射频处理模块、执行单元、电源模块、GPS模块等组成。

Nordic nRF52832 是一款功能强大，高度灵活的超低功耗多协议的低功耗蓝牙处理模块，它是一款带有浮点运算单元的ARM Cortex-M4 32位处理器，工作频率64MHz，Flash 512KB， RAM 64KB的处理器模块，同时它也是一款在低功耗模式下的灵敏度-96 dBm，-20至+4 dBm TX功率可调的蓝牙采集模块，同时集成可以支持多协议，包括ble蓝牙低功耗，ANT和2.4GHz专有协议；现场安全监督人员进行巡视时，使用管理APP，可感知10～20米内车辆信息，快速进行合规作业甄别（如作业许可、人员资质等方面）。

LF7811 LoRa数据传输模块，封装一颗Semtech的LoRa SX1278芯片，采用高精度的晶体和物料即可获得超过-139dBm 的高灵敏度，与+18.6dBm 功率放大器的集成使这些器件的链路预算达到了行业领先水平；

GPS+北斗定位单元定位模组，采用u-blox新一代UBX-M8030-KT方案的模组，是一款支持BDS B1/GPS L1/GlONASS L1频点（三选二）双模导航定位模块。模块内部集成了u-blox方案的新一代可支持BDS B1/GPS L1/GLONASS L1频点SOC基带+射频一体芯片，模组可以跟踪多达72个通道的同时，在弱信号环境下快速TTFF定位。

MCU通过SPI总线与UBX-M8030-KT进行通讯，获取GPS坐标，再通过SPI总线与SX1278进行通讯，将GPS坐标信息等传递出去，MCU通过URAT总线与执行单元进行通讯，在接收到基站发送的指令后，进行相关参数调整。电源模块直接为其它模块供电，由于采用低功耗设计，一般电池可以使用40小时以上（通讯频次较高）。

基站是整个通讯的中心与关键，起到了数据传输的桥梁作用，采用SX1301芯片，上行8通道下行1通道，采用POE供电。

三、定位技术

基于LoRa技术的定位方案主要有两种：1、通过基站读取接收信号强度值RSSI，2、通过基站接收无线信号传输时间差（TDOA）；两种定位方式各有优缺点，但是定位精度都比较低，受外界环境干扰比较大（遮挡、反射等），乡村环境实现30米精度，城市环境实现150米精度，对于核电建设厂区，30米精度已无法满足现场管理要求，因此引入GPS（北斗）定位，采用u-blox新一代UBX-M8030-KT模组，其理论精度在2.5CEP，实际测试在5米左右，已经基本满足现场需要。

四、应用系统

系统采用了B/S架构RESTful风格，前后台剥离，所有的数据最终都汇集到管理系统进行存储、分析和处理。应用系统软件由三个模块17个应用组成，相互协作完成车辆定位管理功能。应用系统模块结构如图4所示。整个应用系统核心采用GPS（北斗）定位，通过LoRaWAN进行低功耗远距离传输。

五、结束语

基于LoRaWAN技术的车辆定位管理系统，充分发挥了LoRa技术低功耗、低成本、远距离、抗干扰能力强、穿透好的特点，结合GPS（北斗）定位技术，实现了在复杂环境下双向通信，同时兼顾了车辆定位功能，其定位精度达到5m的水平，具有较好实用价值，并且可以以定位管理为基础扩展对车辆的管控，如车辆进退场、车辆基本信息管理、车辆轨迹追溯等，将有利于提高核电建设现场车辆的管理水平。

作者单位：国核工程有限公司

基金项目：国家重大专项课题2018ZX06002002《CAP1400核电关键建造调试技术研究》