（宏大爆破工程集团有限责任公司，广州511300）【摘要】为提高露天矿山爆破作业效率与作业人员安全，克服起爆能量不足或网络连接失误造成盲炮的爆破安全事故，提出基于LoRa技术的智能无线远程起爆系统，工作频率选择433MHz、通讯距离>5000（可视距离），采用调制方式为FSK的LoRa扩频传输技术，使起爆系统具有更好的稳健性和可靠性。起爆系统采用智能起爆控制器，以实现爆破区域管控；数码电子雷管与智能无线起爆模块连接的方式，每一发数码电子雷管之间能独立运行，爆破网路的效率与安全性得到提高。经多次试验证明，基于LoRa的无线远程起在远距离、不同地形、电磁干扰等因素下仍能正常运行，该系统在降低成本的同时具有良好的安全性与可靠性。
【关键词】采矿工程；爆破；远程起爆；LoRa技术
Research on wireless remote initiation system based on Lora
LI Ping-feng，XIE Shou-dong
（1. Hongda blasting Engineering Group co.Ltd,Guangzhou 511300,China）
Abstract: In order to improve the blasting operation efficiency and the safety of operators in open-pit mines, an intelligent wireless remote initiation system based on Lora technology is proposed. The working frequency is 433MHz, the communication distance is > 5000 （visual distance）, and the Lora spread spectrum transmission technology with FSK modulation mode is adopted, so that the initiation system has better robustness and reliability. The initiation system adopts intelligent initiation controller to realize the control of blasting area; By connecting the Longxin 1 electronic detonator with the intelligent wireless initiation module, each Longxin 1 electronic detonator can operate independently, and the efficiency and safety of the blasting network are improved. Many tests have proved that the wireless remote starting system based on Lora can still operate normally under long-distance, different terrain, electromagnetic interference and other factors. The system has good safety and reliability while reducing cost.
Key words : Open-pit blasting; blasting; remote initiation; LoRa technology
矿山爆破中起爆系统是工程爆破设计与施工中必须考虑的重点工作，它的可靠性和安全性关系到人身安全、财产损失和爆破效果。无线网络远距离起爆系统进行爆破作业能够摆脱传统起爆器的导线物理连接，提高爆破作业效率，减少人员进入高风险区域的机会，最大程度上保证爆破作业人员的安全，避免起爆能量不足或网络连接失误造成盲炮的爆破安全事故，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起爆具有更大的灵活性、安全性、可靠性、便捷性和经济性。
目前，国内外的起爆系统分为有线的和无线的两大类，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。张波等为解决起爆系统安全性问题，设计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，解决了现有导爆方式中存在的击发起爆可靠性差和导爆管消耗量大的问题。习成献等设计了一种新型起爆控制系统，实践证明该系统工作效率、可靠性及安全性都满足现场需求。尹国福等设计了基于RS485总线的可寻址起爆网络系统，通过试验证明系统具备智能化与高安全性。梁车平等基于爆炸箔起爆技术的高安全性设计同步起爆系统，试验分析可知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。王朋等完成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。韩克华等对三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。Hong-pengC研究了远程无线发起网络安全加密技术，以及系统安全设计，在保证安全的前提下，实现了远程控制爆破。MiaoY等提出了一种新的对称双线性起爆系统（SBI）的方法来创造收敛的爆轰波碰撞，该方法不仅避免了材料的浪费，而且操作简单。
针对现有的起爆系统抗干扰能力与可靠性较差、器材笨重、价格昂贵的不足，本文提出基于LoRa技术的智能无线远程起爆系统研究，包括无线远程的通讯系统设计方案和智能远程起爆系统的安全控制技术。
1 无线远程通讯系统的技术研究
1.1 工作频率的选定
目前国际电信联盟定义的无线电频率中，30～1000兆赫（MHz）频段这一波段是甚高频（米波）和特高频（分米波）的一部分。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，传播的距离达到数百公里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。
综上所述，采用30～1000兆赫（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。因此选用30～1000兆赫的工作频率。
1.2 信号的调制方式
由于频率、相位调制对噪声抑制更好，FSK是当今主流数通讯设备的首选方案。FSK频移键控法主要优点是：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的应用。
2FSK可看作是两个不同载波频率的ASK以调信号之和。解调方法：相干法和非相干法。类型：二进制移频键控（2FSK），多进制移频键控（MFSK）。FSK信号调制方式，符合起爆时所需的信号要求，本研究利用FSK调制方式对起爆信号进行调制。
1.3 无线技术的选择
无线起爆技术的技术应满足兼顾远距离传输的同时，还能实现低功耗，并且价格低廉。LoRa无线技术具有远距离、低功耗（电池寿命长）、多节点、低成本的特性，满足了无线起爆技术的要求。
LoRa在全球免费频段运行，包括433、868、915MHz等。LoRa是基于线性调频扩频调制，它保持了像FSK调制相同的低功耗特性，明显地增加了通信距离。
表1 LoRa与其他无线技术的区别
经过上述的分析：选用HM-TRLR-S433MHz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。LoRa技术扩频传输，通信距离远，抗干扰强；超小体积，表贴式设计，方便嵌入；支持多种调制模式，方便组网使用；支持深度定制设计等特殊应用；生产方便，免RF调试；支持跳频通讯（LoRa模式）；支持周期自复位功能；支持模块固件升级功能；无线收发模块HM-TRLR-S基本参数：工作频率：433/470/868/915MHz （±20MHz可设置）；调制方式：LoRa/FSK；发射功率：2～20dBm可设置；接收灵敏度：-139dBm （Max）；传输速率：1.2～115.2Kbps可设置；发射电流：130mA （+20dBm）；接收电流：20mA；待机电流：2μA；发射频偏：10～50KHz；接收带宽：42～166KHz；输速率：1200～115200Kbps可设置；数据接口：8N1/8E1/8O1 TTL UART （支持RS232或RS485接口）；通讯距离：>5000米 （LoRa模式，可视距离）；天线阻抗：50Ω；工作温度：-20 to +85℃；供电方式：DC3.3～5.5V；电路图见图1所示。爆破行业属高危行业，起爆系统的安全稳定尤为重要。智能远程起爆系统的安全控制技术包括智能起爆控制器的安全控制、数码电子雷管的安全控制。智能起爆控制器主要实现的功能有：与手机端、信号中继器或智能无线起爆模块双向通讯、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，同时解决了数码雷管因为起爆能量不足造成雷管无法起爆，导致盲炮产生的安全隐患。其次，智能起爆控制器本身自带GPS定位功能，可通过手机端“爆破助手”APP确认该智能起爆控制器是否在有关部门进行注册、是否在允许爆破区域内进行爆破作业。起爆系统通过现场注册机制，保证了起爆网络的排他性和封闭性。智能起爆控制器中GPS模块采用Air530Z模块。智能起爆控制器Air530Z模块能实现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。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[20]，提高整个起爆系统的安全性。数码电子雷管选用数码电子雷管，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，其延时范围为在0～15000ms，可以在此范围内任意设定，误差小于1ms。数码电子雷管工作原理图2所示，当起爆器发送起爆指令由Zigbee无线透传模块接收，然后stm32单片机进入中断，定时器延迟10ms后置低PB5，使V1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迅速向放电，将数码电子雷管引爆。智能无线远程起爆系统中实施流程进行研究和梳理，其安全措施：（1）智能起爆控制器、智能无线起爆模块和数码电子雷管只有在有关部门的授权下、在允许的爆破区域才能使用；（2）智能起爆控制器在获得组网密码后才能完成起爆前准备；（3）智能起爆控制器同时按下“B”和“H”键后，才能控制起爆（图3）。在露天矿山进行智能无线远程起爆控制系统的工业性爆破试验和多项可靠性分析试验（如起爆距离、地形地貌干扰度、电磁干扰强度、多发起爆可靠度等方面）。试验前准备，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。智能无线远程起爆系统实施步骤，进入试验场地前，需将数码电子雷管的注册、验证、授权、检测及智能无线起爆模块的检测全部完成；进入试验场地，将雷管脚线与智能无线起爆模块连接。（1）双向通讯信号：智能起爆控制器向智能无线起爆模块发送起爆信号，检验起爆智能无线能否接收起爆信号；同时智能无线起爆模块发送反馈信息，验证智能无线起爆模块可以向智能起爆控制器发送反馈信息。（2）注入延时时间：智能起爆控制器向智能无线起爆模块发射延期时间信号，确保智能起爆控制器收到智能无线起爆模块延期时间成功的信号。（3）组网：智能起爆控制器向智能无线起爆模块发送组网信号，确保智能起爆控制器收到智能无线起爆模块组网成功的信号。（4）起爆：智能起爆控制器向智能无线起爆模块发送起爆命令，雷管准确起爆。试验矿山以生产砂石骨料为主，矿区海拔高程为1744m-1622m，相对高差一般在122m左右。开采方式为山坡型露天开采，公路开拓，中深孔爆破，台阶式开采。对智能无线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，检验智能无线远程起爆系统的实用性。智能无线远程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：数码电子雷管与现场药包引线连接，智能无线起爆模块与数码电子雷管连接，智能无线起爆模块与智能起爆控制器距离分别为200m，500m，1000m，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。距离测试结果，智能起爆控制器距离智能无线起爆模块在开阔地形上，距离分别为200m，500m，1000m时，双向通讯信号、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。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：数码电子雷管与现场药包引线连接，智能无线起爆模块与数码电子雷管相连，智能起爆控制器与智能无线起爆模块之间的水平距离为200m，但两者之间的高差分别为50m、100m，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。山谷地形、高差分别为50m、100m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。智能无线远程起爆系统测试外界环素的影响，根据影响程度来提出办法措施，消除或减弱干扰产生的影响。干扰测试：电磁干扰中，采用手机及对讲机置于智能无线起爆模块所在位置形成干扰源；震动干扰中，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；杂散电流干扰中，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。现场干扰测试结果可知，电磁干扰、杂散电流干扰及试验前的震动干扰对系统本身不造成影响，试验后的爆破震动干扰对智能无线起爆模块有一定的影响（并不影响智能无线起爆模块的起爆能力），但超过90%的智能无线起爆模块爆破后保留其完整性及可用性，满足干扰影响的设计要求。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测试，且能说明该系统的可行性和经济性。可靠性测试：智能无线远程起爆系统进行可靠性测试，在相同的距离、地形、干扰因素的条件下，无线远程起爆系统能够准确起爆雷管，重复试验（20次），验证无线远程起爆系统在同一条件下的可靠程度。可靠性测试结果可知，当条件一定时，反复进行起爆测试，系统均可实现正常起爆，说明系统具有强抗干扰、高稳定、远距离、安全可靠等技术优势，能满足现场爆破需求（1）基于LoRa技术的智能无线远程起爆系统选用了工作频率433MHz、通讯距离>5000（可视距离）、调制方式FSK的LoRa扩频传输技术，具有通信距离远、抗干扰强、稳定性好、功耗低和价格便宜的特点。（2）通过距离试验，测试了200m、500m以及1000m的距离下，起爆系统仍能处于正常工作状态，证明无线远距离起爆系统在远距离情况下依旧能保持高稳定性。（3）通过地形试验，测试了山谷地形以及高差分别为50m和100m的地形，起爆系统仍能正常工作，证明起爆系统具有强抗干扰、高稳定、安全可靠等技术优势。（4）通过干扰测试以及可靠性测试对起爆系统的安全、稳定和抗干扰技术进行了深入的分析。测试了系统对电磁和震动的抗干扰能力，试验证明系统的多层安全机制确保了无线起爆的安全性和可靠性。[1]韩传伟,黄建文,李亮,王威,黄小武,舒震.爆破安全管理的优化升级:从控制性管理到系统性管理[J].爆破,2021,38（02）:192-196.[2]迟洪鹏,范纯超,田惺哲,龚兵.基于无线网络的地下远程遥控起爆系统研究[J].工程爆破,2021,27（02）:120-124.[3]阚文星,褚恩义,刘卫,任炜,任小明.微起爆系统用MEMS安全保险装置研究现状与展望[J/OL].含能材料:1-18[2021-12-13].[4]张波,朱建新.分离式无起爆药安全点火系统在石油射孔中的应用[J].工程爆破,2021,27（01）:100-104.
