基于LoRaWAN网络的矿山全物料发货系统设计

李兆猛

（南京梅山冶金发展有限公司矿业分公司）

梅山矿业公司的铁精粉生产、销售为流程型生产方式，仓储发货需要及时完成，否则有逼停整个生产链条的风险。矿业公司的发货系统具有位置分散、区域集中、品种多、业务多态的特征。发货地点有铁尾砂仓、氧分铁红料场、东矿仓、西矿仓、东南井料场、硫酸厂，产品包含铁精矿、铁尾砂、硫酸、废石、压滤以及铁尾/压滤混合产品等，所有发货区域均在5 km 范围内。但因发货区域的交通情况复杂以及施工影响，多次出现网络中断且难以及时恢复的问题，造成发货物料积压、运输车辆堵塞等情况发生。为此，设计一款稳定性强、扩展能力强、网络施工维护方便的全物料发货系统势在必行。

1 有线全物料发货系统的问题

有线全物料发货业务系统是通过光纤连接服务端与各智能发货终端，实现业务的信息交互、现场控制。总体拓扑结构如图1所示。

共6个发货终端控制箱分别在直线3 km范围内，所有控制箱之间通过光纤连接到服务器机房，通过交换机与发货服务器相连。不同的发货终端控制箱因现场的产品数量不同，连接的其他网络设备与控制装置数量也不同，在部署、扩展业务点时，每个箱子均需要铺设光纤，两端加装光收发器、连接网络的交换机等，为通信准备的硬件、电源等设备，占到整个控制箱设备的一半以上。同时发货现场的交通、地形环境复杂，部署、施工等较为困难，且出现问题时维护工作量大、时间长。

每个发货终端控制箱均需要通过光纤连接服务器，因各点位置较散，因此每个发货终端均需要连接光纤接线盒、光纤收发器、交换机等，通信所需设备多、线缆多、连接工作量大。当网络出现故障时，检查难度大，如果是光纤损坏，恢复需要的时间较长。因此，整个有线全物料发货系统花费在网络上的部署、安装及检修代价较大。

2 基于LoRaWAN的全物料发货系统方案设计

2.1 网络硬件系统

LoRa 是Semtech 公司开发的一种低功耗局域网无线标准，其名称“LoRa”是远距离无线电（Long Range Radio），它最大特点就是在同样的功耗条件下比其他无线方式传播的距离更远，实现了低功耗和远距离的统一。LoRaWAN 开放规范是基于Semtech LoRa 设备的低功耗广域网（LPWAN）标准，提供了高效、灵活和经济的解决方案，在这些情况下，蜂窝、Wi-Fi和蓝牙低功耗（BLE）网络是无法实现的。正因LoRa 网络具有上述特征，因此已经被广泛用于环境监测、应急监控、农业生长情况监测、停车场导引等方面［1-6］，在矿山行业，人们在矿山井下通信、地质灾害监测等方面也有探索应用。结合LoRa通信技术特点，设计基于LoRaWAN 的发货系统硬件整体方案如图2所示。

图2中，所有发货控制箱网络通信部分只需要一块LoRa 收发节点即可，在全物料发货服务器端安装一块带有4G 网络的LoRa网关，所有分布在整个厂区的各发货点不需要再铺设光纤、增加交换机及光收发器等设备，实现了各点与发货服务系统的无线连接；通过服务器终端增加业务逻辑终端，在业务发货现场增加业务物理终端，可便利地实现发货点扩点。基于LoRa通信的全物料发货系统，扩点方便，且不用担心因施工造成的网络中断，且在复杂的工况环境下施工与维护成本非常低，具有极高的性价比。服务器端连接LoRa 网关，可实现与集控中心的高速连网；在无intertnet 网络的环境下，也可以通过LoRa 网关的4G传输方式，实现服务端与云平台的连接，保证了系统的稳定性与可靠性。

2.2 发货终端硬件系统设计

有线的物料发货终端设备多、接线复杂，业务警示灯控制使用485接口，边缘业务终端和读卡器均为RJ45接口，一键委托使用485接口，因此需要交换机、光纤转换器等网络通信设备。接口的多样性、辅助设备的增加，导致安装施工复杂以及检修和运营成本增加。为保障系统扩展性，又具有安装、施工方便的目标，对当前发货终端进行改进。改进前与改进后发货终端控制箱如图3所示。

改造前接口类型、接线标准多样，改造后的Lo-RaWAN 的业务终端则只需要一个带有485 接口的LoRa 传输模块，刷卡器、控制模块、扩展箱等均可通过485 连接，刷卡器、警示灯控制模块按照一定规则分配一个485地址，即可完成相应功能。部署一个发货业务点，可省去光纤铺设、融接等施工工作，减少交换机、收发器、光融接盒等设备及大量的接线工作，整个业务箱只有LoRa 网络模块、业务处理终端、警示控制模块，减少了多个设备之间的故障点，提升了系统的稳定可靠性；通过LoRa网络自行组网，提升了系统可靠性、稳定性与扩展性。

2.3 支持分极配置的全物料发货业务软件设计

结合梅山及类似企业的发货物料类型多、变化快的要求，设计一种方便增、删、改的全物料业务模型，通过服务端配置、修改，发货现场增加硬件的方式，可便捷地增加业务品种与发货业务。

服务端功能主要是增加逻辑终端配置与管理：①增加仓库点，包括仓库点的代码、仓库点名称、配置仓库点业务处理机IP、仓库点的父级仓库ID、仓库状态；②仓库操作，包括增加、修改、删除、导出仓库点，编辑多元系统映射编码；③配置业务品种。

根据实际生产需要，在服务端只需要配置好新增业务的场所名称、父级仓库ID、多元映射代码等，则在服务端增加了一个产品服务，比如在当前的发货系统中增加瓜子片的品种，则增加瓜子片的逻辑业务终端即可；当一个发货业务改变时，可通过修改仓库位置、名称、映射代码等，则立即实现品种的转换、位置变化，如尾矿仓的发货品种由1 个品种铁尾砂更新为2 种时，则在系统上配置产品种类即可，配置业务产品类型，可根据现场的产品情况及变化情况，实时更新并刷新即可。

2.4 全物料发货终端软件功能设计

根据发货终端硬件系统及业务功能需求，设计灵活的发货现场软件模块，主要用于发货鉴权、过程记录、委托生成及提交及信息提示功能。主要包含的功能有发货看板、授权物资、系统设置、界面重置、调试面板、关闭示灯、退出登录等功能。

发货看板主要对当前发货点的业务情况实时显示，以及历史情况展示，内容包括发货物资、计划号、发货量、车号、皮重、卡号、硬件接口等信息，能方便了解现场发货的相关软件及硬件接口、时间等信息，方便信息的回溯及故障分析，并将前车正确完成的信息在底部显示出来，方便司机查询现场信息；授权产品用于全发货点某车道可以发货的产品，当某一发货点现场某车道产品变化时，可实时更新产品类型，则终端点信息实时与服务端更新同步，实现新的产品发货，且刷卡器自动根据变动过滤其他类型产品卡，避免了产品错发；系统设置用于配置本终端与服务端的信息交换接口；关闭示灯用于现场硬件警示灯的关闭，用于无发货任务时节能；调试面板用于对本终端功能所涉及的源码、输出信息、当前执行源码、网络状态、内存占用等信息查询，便于出现异常情况时的信息分析，方便维护人员远程维护及处理问题。

3 系统应用情况

基于LoRaWAN 的全物料系统自上线以来，建立了统一的硬件接口，并应用统一的软件灵活配置规则，实现了快速地部署与扩点应用，且能根据现场产品变化情况，实时更新发货产品类型、刷卡鉴权功能等定义；在部署及施工方面，省去有线发货系统的光纤、RJ45 等施工内容，减少了设备数量及接口，并统一使用LoRa 及485 接口；可方便地扩展发货点，当前已经由西矿仓应用扩展到铁尾砂、料场、东矿仓、压滤泥、硫酸等发货点；发货点网络硬件数量及接口类型减少50%以上，网络的稳定性、可靠性极大提升，系统硬件成本降低10%以上，网络维护成本减少了80%以上；服务端可通过4G网络，方便移动终端的远程业务处理及维护工作，为业务实时、远程交互提供了极大的方便。系统自2021 年投运以来，极大减轻了发运人员工作量，为复杂发货现场灵活的发货模式提供了易用的平台，受到了使用部门的高度评价，系统主界面如图4所示。

4 结语

以梅山矿业全物料发货系统运行的实际情况为基础，分析了有线网络系统存在的问题，根据梅山发货应用场景的特点，应用物联网LoRa通信的特点，设计了一种基于LoRaWAN 网络的具有方便部署、扩展性强、统一接口的全物料发货系统，并设计了整体方案及现场发货终端控制箱。新的发货系统不需要单独铺设光纤及相关网络设施，可低成本、高效完成系统的复制，具有灵活性强、扩展性强、维护成本低的特点。