基于LoRa物联的远程智能起爆系统研发

2022-08-08李萍丰张金链徐振洋张兵兵

金属矿山 2022年7期

李萍丰张金链徐振洋张兵兵杨飞李新

(1.宏大爆破工程集团有限责任公司,广东广州 510623;2.深圳市憨包民爆云领电子发展有限公司,广东深圳 518000;3.辽宁科技大学矿业工程学院,辽宁鞍山 114051)

在5G、人工智能、大数据、云计算等新一代信息技术的引导下，历经了从数字爆破到智能爆破的逐步发展过程。现阶段，在矿山爆破中，爆破起爆系统是生产施工的重要环节，其可靠性和安全性关系到人身安全、财产损失和爆破效果[1]。无线网络远距离起爆系统可摆脱传统起爆器的导线物理连接工作，省去爆破网路连接和检查环节，提高爆破作业效率，作业人员进入高风险区域的人次减少，有助于实现爆破作业场所少人化和本质安全。相比采用传统导线控制的起爆方法具有更大的灵活性、安全性、可靠性、便捷性和经济性等优点[2]。

目前，国内外的起爆系统分为有线和无线两大类，其中无线起爆方法有微波起爆、激光起爆、激波管起爆等。阚文星等[3]对微起爆系统的关键技术及发展概况进行总结，并对下一代起爆系统提出展望。张波等[4]为解决起爆系统的安全性问题，设计了一种分离式无起爆药点火装置，现场应用表明该系统性能可靠。刘庆等[5]利用PIC单片机与高可靠性的扩频无线控制技术，设计出包括无线遥控器、电子起爆器及配套电容式击发针的遥控导爆管起爆系统。习成献等[6]设计了一种新型起爆控制系统，实践证明该系统工作效率、可靠性及安全性满足现场需求。尹国福等[7]设计了基于RS485总线的可寻址起爆网路系统，通过试验证明系统具备智能化与高安全性优势。梁车平等[8]基于爆炸箔起爆技术的高安全性设计了同步起爆系统，试验分析表明:起爆的同步性与每组雷管之间等效电阻和等效电感等参数有关。王朋等[9]实现了微型高效冲击片雷管起爆系统的设计，实践证明该系统体积大幅度减小、起爆速度快、起爆灵活可控。韩克华等[10]对3种多点同步起爆系统进行测试对比，结果表明:基于冲击片雷管的多点同步起爆系统同步性最优。CAI等[11]研究了远程无线发起网路安全加密技术以及系统安全设计方法，在保证安全的前提下，实现了远程控制爆破。MIAO[12]等提出了一种新的对称双线性起爆系统(SBI)来创造收敛的爆轰波碰撞，不仅避免了材料浪费，而且操作简单。CHAWLA等[13]为实现安全爆破，设计了一种基于Wi-Fi的无线爆破系统，该系统可适配多种炸药，具有良好的实用性。BRANCH等[14]将LoRa应用于地下采矿爆破中，但在视线不佳的情况下该系统信号遭到严重衰弱，但在一定程度上推动了无线起爆技术的应用进程。

综合分析可知，现有的起爆系统存在抗干扰能力与可靠性较差、器材笨重、智能化水平不高、价格昂贵等不足。本研究开展了基于LoRa物联的无线远程智能起爆系统研发，重点就无线远程的通信系统设计方案和智能远程起爆系统的安全控制技术进行探讨，以提高矿山起爆系统的智能化操作水平。

1 无线远程通信系统的技术研究

1.1 工作频率选定

目前国际电信联盟定义的无线电频率中，30～1 000 MHz频段这一波段是甚高频(米波)和特高频(分米波)的一部分[15]。该频率的主要传播方式为视距内的空间波传播，以及对流层散射和电离层散射。对流层散射在某些场合可以代替无线电接力系统，传播距离达到数百千米时可以不使用中继站，同时还可具有大容量(多路传输)，而低频波段是无法实现的。与高频波段相比，该频段的优点在于对低容量系统可以用小尺寸天线。

可见，采用30～1 000 MHz频段的高频段应用于无限起爆系统是合适的，不仅容量可以增大，还可以通过更多的路数。因此本研究选用该工作频率开展起爆系统研发。

1.2 信号调制方式

由于频率、相位调制对噪声抑制更好，FSK是当今主流通信设备的首选方案[16]。FSK频移键控法实现较容易，抗噪声与抗衰减的性能较好，在中低速数据传输中得到了广泛应用。

2FSK可看作是两个不同载波频率的ASK已调信号之和。解调方法有相干法和非相干法。类型有二进制移频键控(2FSK)，多进制移频键控(MFSK)[17]。FSK信号调制方式符合起爆时所需的信号要求，本研究采用FSK调制方式对起爆信号进行调制。

1.3 无线通信技术选择

无线起爆技术应在兼顾远距离传输的同时，还能实现低功耗且价格低廉[18]。LoRa物联技术具有远距离、低功耗、多节点、低成本等特性，满足了无线起爆技术的要求[19]。

LoRa在全球免费频段运行，包括433、868、915 MHz等。LoRa是基于线性调频扩频调制，保持了与FSK调制相同的低功耗特性，显著扩大了通信距离(表1)。

表1 LoRa物联与其他无线通信技术的区别Table 1 Difference between LoRa IOT and other wireless techniques

通过综合比选，本研究认为HM-TRLR-S433 MHz的无线收发模块与起爆系统最匹配。该无线收发模块具有通信距离远、抗干扰强、体积小等优点，满足起爆系统的需求。无线收发模块HM-TRLR-S基本参数取值:工作频率 433/470/868/915 MHz (±20 MHz可设置)，调制方式LoRa/FSK，发射功率 2～20 dBm可设置，接收灵敏度-139 dBm (Max)，传输速率1.2～115.2 kbps可设置，发射电流 130 mA (+20 dBm)，接收电流 20 mA，待机电流 2 μA，发射频偏 10～50 kHz，接收带宽 42～166 kHz，输速率 1 200～115 200 kbps可设置，数据接口 8N1/8E1/8O1 TTL UART (支持RS232或RS485接口)，距离＞5 000 m(LoRa模式、可视距离)，天线阻抗50 Ω，工作温度-20～+85 ℃，供电方式DC 3.3～5.5 V。模块电路如图1所示。

图1 无线通信模块电路Fig.1 Circuits of wireless communication module

2 远程智能起爆系统安全控制研究

2.1 智能起爆器安全控制

智能起爆控制器主要实现的功能有:与手机端、信号中继器或无线智能起爆模块双向通信、定位、存储资料，与手机端APP“爆破助手”实现双向资料的传输等功能。

智能起爆控制器能够向智能无线起爆模块发送起爆命令，同时解决数码雷管因起爆能量不足而造成的雷管无法起爆、导致盲炮产生的安全隐患等问题。其次，智能起爆控制器自带GPS定位功能，可通过手机端“爆破助手”APP确认该控制器是否在有关部门进行注册、是否在允许的区域内进行爆破作业。起爆系统通过现场注册机制，保证了起爆网路的排他性和封闭性[20]。

智能起爆控制器中GPS模块采用Air530Z模块。智能起爆控制器的Air530Z模块能实时获取起爆控制器的GPS坐标，满足准爆区对数码电子雷管的管理要求，实现爆破区域管控[21]。

2.2 数码电子雷管安全控制

数码电子雷管是现代电子技术、信息技术与传统雷管技术相结合的产物，采用集成芯片控制技术、加密技术以及电子精密延期技术[22]，有助于提高整个起爆系统的安全性。数码电子雷管采用铱钵起爆系统，主要由数码电子雷管、铱钵表、铱钵起爆器等设备组成，其延时范围为0～15 000 ms，可在此范围内任意设定，误差小于1 ms。数码电子雷管工作原理图2所示，起爆器发送起爆指令后由Zigbee无线透传模块接收，然后stm32单片机进入中断，定时器延迟10 ms后置低PB5，使VD1截止，K1释放，其常开触头断开，振荡升压电路停止工作，C1和C2迅速放电，将数码电子雷管引爆。

图2 数码电子雷管工作原理Fig.2 Working principle of digital electronic detonators

数码电子雷管供电电路包括稳压电路(图3(a))和充电电路(图3(b))，稳压电路的输入端与供电电池连接，充电电路与供电电池连接。稳压电路包括稳压芯片，稳压芯片的输入端与供电电池连接，稳压芯片的输出端与主控芯片的第8引脚和无线通信芯片的第1引脚连接。充电电路包括充电连接端口和充电管理芯片，充电连接端口用于连接外部供电接口，充电管理芯片的输出端与供电电池连接。

图3 升压电路与供电电路原理Fig.3 Principal of boost circuit and power supply circuit

通过设置供电电路为主控电路和无线通信电路供电，并设置升压电路保证MBus通信控制电路和MBus驱动电路工作。MBus驱动电路与电子雷管连接后，电子雷管的信息经MBus驱动电路后发送至智能无线起爆模块主控电路，使智能无线起爆模块的主控电路通过无线通信电路将电子雷管的信息发送至智能起爆控制器。在智能起爆控制器发送起爆信号时，通过无线通信电路接收，并在MBus通信控制电路控制下，经MBus驱动电路将起爆信号发送至数码电子雷管，进而实现无线起爆，从而满足无线起爆的使用需求，具有极高的实用性。

2.3 智能起爆系统应用中的安全控制

无线远程智能起爆系统应用中的安全措施为:① 智能起爆控制器、智能起爆模块和数码电子雷管在有关部门授权下、在允许爆破的区域内方可使用;② 智能起爆控制器在获得组网密码后可完成起爆前准备;③ 智能起爆控制器同时按下“B”键和“H”键后，可实现控制起爆(图4)。

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

3 试验方案设计

3.1 试验准备

试验前准备主要包括数码电子雷管、智能无线起爆模块、智能起爆控制器、信号中继器，如图5至图8所示。

图5 数码电子雷管Fig.5 Electronic detonator

图6 无线起爆装置Fig.6 Wireless detonator

图7 智能无线起爆模块Fig.7 Intelligent initiation modules

图8 系统整体组成Fig.8 Overall system composition

3.2 试验流程

智能爆材在投入使用前，需要对其安全性进行试验[23]，确保通信信号在智能起爆系统内的畅通性，保证起爆控制器与起爆模块的发送、反馈信号得以准确表达。试验流程包括数码电子雷管注册、授权及无线智能起爆模块的检测工作，连接后的智能无线起爆系统还需要依次进行双向通信信号、注入延期时间、组网及起爆4项操作步骤[23]，保证每项操作与结果的有效性，试验过程中起爆器对应的操作界面如图9所示。

图9 试验过程Fig.9 Test process

4 现场试验

试验矿山以生产砂石骨料为主，矿区海拔1 622～1 744 m，相对高差约122 m。开采方式为山坡型露天开采、公路开拓、中深孔爆破和台阶式开采。本研究对所研发的无线智能远程起爆系统进行距离测试、抗干扰测试、地形测试和可靠性测试，检验无线智能远程起爆系统的实用性(图10)。

图10 现场试验Fig.10 Field test

4.1 距离试验

通过距离试验分析无线远程智能起爆系统在远距离情况下能否实现电子雷管的成功起爆。距离测试内容为:数码电子雷管与现场药包引线连接，无线智能起爆模块与数码电子雷管连接，无线智能起爆模块与智能起爆控制器距离分别为200、500、1 000 m，两者位于同一高程的开阔地，试验人员发送起爆指令，检验数码电子雷管是否发生准确起爆。试验结果见表2。

表2 距离试验结果统计Table 2 Statistics of distance test results

由表2可知:智能起爆控制器与无线智能起爆模块在一定距离的开阔地形上，距离分别为200、500、1 000 m时，双向通信信号、延期时间、组网、起爆均可正常工作。经过重复试验证明:该系统在远距离情况下依旧能保持高稳定性，满足了实际需求。

4.2 地形试验

通过地形试验分析智能起爆控制器在特殊地形环境中能否准确起爆数码电子雷管。地形测试内容为:数码电子雷管与现场药包引线连接，无线智能起爆模块与数码电子雷管相连，智能起爆控制器与无线智能起爆模块之间的水平距离为200 m，但两者之间的高差分别为50 m、100 m，且在山谷地形内，测试智能起爆控制器能否准确起爆数码电子雷管。试验结果见表3。

由表3可知:山谷地形、高差分别为50 m、100 m的地形试验中，智能起爆控制器能够准确起爆数码电子雷管，多次试验表明，智能无线起爆系统测试效果满足实际工作需求。

表3 地形试验结果统计Table 3 Statistics of topographic test results

4.3 系统抗干扰试验

为进一步分析外界因素对无线智能远程起爆系统正常作业的影响，开展了系统抗干扰试验，以便根据影响程度提出应对措施，消除或减弱干扰因素产生的影响。干扰测试内容包括:① 电磁干扰方面，采用手机及对讲机置于无线智能起爆模块所在位置形成干扰源;② 振动干扰方面，试验前检查车辆及采矿机械运动中产生的振动对设备的影响;③ 杂散电流干扰方面，检查现场通电设备(车载充电、电源线路、高压线路、强力电焊机等)对系统的影响。试验结果见表4。

表4 干扰试验结果统计Table 4 Statistics of interference test results

由表4可知:电磁干扰、杂散电流干扰及试验前的振动干扰对系统本身不造成影响，在振动干扰测试中，试验前的车辆/重车辆的工作振动对智能无线起爆模块不构成影响;试验起爆结束，智能无线起爆模块的正常率超过90%，振动干扰对系统的影响满足设计要求，进一步说明本研究设计的智能无线起爆模块稳定性较好，满足抗干扰影响的设计要求。

4.4 系统可靠性试验

智能无线起爆系统运行中的可靠性主要是指系统起爆的有效性，还包括该系统的可行性和经济性。为对系统的可靠性进行测试，选择了距离100 m与200 m，山坡、高差两种地形及5、10台的2 000 W电焊机设计了正交试验，每种相同的干扰条件重复试验20次，检查无线远程起爆系统是否能准确起爆雷管，验证起爆系统的可靠程度，试验结果见表5。

由表5可知:在所有的条件中，系统均实现了正常起爆，在各组的20次试验中，起爆率达100%，说明该系统具有强抗干扰、高稳定、远距离、安全可靠等技术优势，能满足现场爆破实际需求。