多定位技術(shù)協(xié)議融合定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉亞輝

（1.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400039；2.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400037）

煤炭作為我國的主要能源之一，其安全開采一直是國家和煤炭企業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)，而煤監(jiān)設(shè)備在其中發(fā)揮著重要作用。應(yīng)國家煤礦安監(jiān)局2010年印發(fā)的《建設(shè)完善煤礦井下安全避險(xiǎn)“六大系統(tǒng)”的通知》要求[1-2]，煤礦企業(yè)必須建立“六大系統(tǒng)”，人員定位系統(tǒng)作為“六大系統(tǒng)”之一，定位精度要求越來越高，原RFID定位技術(shù)定位度低，已無法滿足現(xiàn)高精度定位要求，目前，Zigbee定位技術(shù)、UWB定位技術(shù)逐漸應(yīng)用到煤礦井下定位中，但是，多種定位方式研究階段、應(yīng)用手段不同，在煤礦井下定位應(yīng)用中通信協(xié)議不盡相同，導(dǎo)致同一定位系統(tǒng)中，新老設(shè)備通信協(xié)議不統(tǒng)一、不兼容。為推進(jìn)智能化礦山建設(shè)，逐步提高井下定位的精確性，設(shè)計(jì)了一種多定位協(xié)議融合定位系統(tǒng)，采用多接口通訊方法，進(jìn)行協(xié)議解析、融合，系統(tǒng)支持3種測距方式：UWB技術(shù)[3-4]、Zigbee技術(shù)[5-6]、RFID,通過多接口設(shè)計(jì)方案，應(yīng)用多定位技術(shù)協(xié)議融合技術(shù)，將RFID、Zigbee、UWB測距數(shù)據(jù)進(jìn)行交互、存儲(chǔ)和上傳。解決了目前煤礦定位精度低、而全面升級(jí)成本高等問題。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

多定位技術(shù)協(xié)議融合定位系統(tǒng)采用3層架構(gòu)，包含存儲(chǔ)層、邏輯層、和通訊層。存儲(chǔ)層主要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)；邏輯層主要包括檢測設(shè)備信息、協(xié)議解析[7-8]和定位設(shè)備巡檢；通訊層主要完成協(xié)議信息重構(gòu)，然后將解析后的數(shù)據(jù)發(fā)送給地面管理終端和其它系統(tǒng)。系統(tǒng)采用多接口技術(shù)實(shí)現(xiàn)與定位設(shè)備的通信，定位數(shù)據(jù)接收和發(fā)送為同一通信接口，進(jìn)行周期巡檢和數(shù)據(jù)幀接收，為防止數(shù)據(jù)幀接收、處理不及時(shí)而產(chǎn)生數(shù)據(jù)包丟失，系統(tǒng)中采用建立監(jiān)測數(shù)據(jù)緩沖來存儲(chǔ)各個(gè)接口接收到的數(shù)據(jù)幀。多定位技術(shù)協(xié)議融合定位系統(tǒng)涉及協(xié)議融合定位[9-10]基站、UWB定位卡、Zigbee定位卡、RFID定位卡，該系統(tǒng)通過多接口設(shè)計(jì)，經(jīng)過協(xié)議融合，實(shí)現(xiàn)各種定位技術(shù)進(jìn)行信息交互。通過多接口設(shè)計(jì)方便讀取各類測距數(shù)據(jù)，分析測距幀協(xié)議，分辨定位技術(shù)類型，確定定位卡類型，從而計(jì)算出定位卡的具體位置，經(jīng)協(xié)議融合，為地面監(jiān)控終端顯示地理位置提供位置服務(wù)信息。系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)圖Fig.1 Architecture diagram of system

2 系統(tǒng)硬件

系統(tǒng)的核心功能包括：協(xié)議分析功能、設(shè)備管理功能和通訊功能。根據(jù)功能，將系統(tǒng)產(chǎn)品分為電源控制模塊、通訊模塊、設(shè)備信息模塊、設(shè)備巡檢模塊，系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)框圖如圖2。

圖2 硬件設(shè)計(jì)框圖Fig.2 Hardware diagram of system

控制中心基于高速微處理器STM32F429IGT6實(shí)現(xiàn)。設(shè)備信息采用LCD顯示，LCD顯示電路包括掃描控制、電源驅(qū)動(dòng)和顯示數(shù)據(jù)；設(shè)備巡檢模塊采用多接口通訊技術(shù)，設(shè)備巡檢基于UWB處理芯片DW1000、ZigBee處理芯片JN5168設(shè)計(jì)和RFID無線通信NRF2401進(jìn)行設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)協(xié)議數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)在緩沖隊(duì)列中進(jìn)行統(tǒng)一處理；存儲(chǔ)采用SPI進(jìn)行外部FLASH存儲(chǔ)；數(shù)據(jù)傳輸單元基于以太網(wǎng)芯片進(jìn)行設(shè)計(jì)，該模塊具有3個(gè)光口和2個(gè)網(wǎng)口，通過以太網(wǎng)通信將信息傳給上位機(jī)以及其他系統(tǒng)。

系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)3種通信技術(shù)：UWB、Zigbee、RFID。設(shè)備巡檢模塊完成對(duì)定位數(shù)據(jù)的采集，采用多接口通信技術(shù)，以巡檢方式獲取定位數(shù)據(jù)，由協(xié)議融合單元對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到定位相關(guān)數(shù)據(jù)，該基站通過SPI接口與UWB定位模塊相連，通過出串口和Zig－Bee定位模塊相連，通過SPI接口和nrf2401相連，三者在協(xié)議融合單元完成數(shù)據(jù)交互。

協(xié)議解析、融合單元將各接口單元的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，根據(jù)上行幀數(shù)據(jù)判斷其通信方式，并根據(jù)下行幀確定其定位方式及定位數(shù)據(jù)，經(jīng)解析后進(jìn)行信息數(shù)據(jù)重組，按照協(xié)議將定位數(shù)據(jù)按照既定的方式上傳。

3 系統(tǒng)軟件

系統(tǒng)主要解決精確定位系統(tǒng)升級(jí)造價(jià)較高的問題，通過解析協(xié)議數(shù)據(jù)包，對(duì)定位數(shù)據(jù)信息進(jìn)行協(xié)議重組，即通過分析上行幀和下行幀協(xié)議結(jié)構(gòu)，分析通信和定位方式，控制模塊從接口模塊獲取上行幀信息和定位數(shù)據(jù)，并完成下行幀重組，與系統(tǒng)設(shè)備通信。為了方便說明，這里將上位機(jī)下發(fā)的獲取下位機(jī)定位數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)協(xié)議幀成為下行幀，將下位機(jī)上發(fā)給上位機(jī)的數(shù)據(jù)協(xié)議幀稱為上行幀。

3.1 多接口通用協(xié)議解析方法

系統(tǒng)可支持3種定位技術(shù)，UWB、Zigbee和RFID，在系統(tǒng)中定位設(shè)備接口不同，若要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)可兼容3種定位技術(shù)，則監(jiān)測分站需完成不同接口的巡檢工作，考慮到系統(tǒng)的兼容性和擴(kuò)展性，設(shè)計(jì)了多接口通訊方法。多接口通用協(xié)議解析框圖如圖3。

圖3 多接口通用協(xié)議解析框圖Fig.3 Block diagram of multi-interface general protocol analysis

對(duì)于整個(gè)定位系統(tǒng)而言，采用被動(dòng)模式進(jìn)行定位數(shù)據(jù)的采集和上傳，以完成定位設(shè)備的巡檢工作，定位模塊實(shí)時(shí)與定位卡進(jìn)行通信，緩存定位數(shù)據(jù)并完成上傳。

3.2 協(xié)議報(bào)文通用結(jié)構(gòu)

此系統(tǒng)由于兼容了3種定位技術(shù)，因此系統(tǒng)內(nèi)存在多種通信協(xié)議，針對(duì)這種情況，研究采用多種協(xié)議的通用協(xié)議報(bào)文進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，以完成兼容3種通信協(xié)議的目的。數(shù)據(jù)協(xié)議分為上行幀和下行幀，通信數(shù)據(jù)一般涉及幀頭、幀長、定位類型、通信類型、數(shù)據(jù)屬性等常用結(jié)構(gòu)，整個(gè)協(xié)議報(bào)文通用結(jié)構(gòu)如圖4。

圖4 協(xié)議報(bào)文通用結(jié)構(gòu)框圖Fig.4 General structure block diagram of protocol message

幀頭的屬性可自行定義，其可定位為特征字符，或者數(shù)字，在此，將幀頭定義為系統(tǒng)識(shí)別字符0x9f。

幀長屬性即協(xié)議幀上行幀或者下行幀本身的字節(jié)長度，包含隨機(jī)數(shù)和校驗(yàn)，該屬性與定位方法相關(guān)，不固定。

定位屬性即為定位的類型，包括該字段長度、定位類型、卡的種類，分為3類：UWB、Zigbee、RFID，分別定義為0x01、0x02、0x03，該屬性不能為空。

數(shù)據(jù)屬性包含時(shí)間信息、通信信息以及定位信息，其為定位數(shù)據(jù)的核心內(nèi)容，此屬性內(nèi)容不為空且為緩沖區(qū)的核心內(nèi)容。由多個(gè)元素組合而成，包含了時(shí)間、通信通斷、定位卡數(shù)目、定位信息等重要數(shù)據(jù)，時(shí)間包含年、月、日、時(shí)、分、秒總共6個(gè)字節(jié)，通斷信息為1個(gè)字節(jié)，待傳定位卡信息為1個(gè)字節(jié)；定位信息，包含目前通信的時(shí)間、定位距離等。

隨機(jī)碼為2字節(jié)，用來表示通信通斷，當(dāng)下行幀回復(fù)的隨機(jī)碼與上行幀回復(fù)的隨機(jī)碼一致時(shí)，表示通信正常，否則視為通信中斷。

命令屬性為上位機(jī)或者定位卡發(fā)出的求救、呼叫等信息，該信息定義為1個(gè)字節(jié)，采用上下回應(yīng)機(jī)制，當(dāng)上下2級(jí)收到對(duì)方的回復(fù)后將置位進(jìn)行信息交互。

校驗(yàn)采用CRC校驗(yàn)，該種校驗(yàn)方式較為通用。

3.3 協(xié)議報(bào)文識(shí)別和解析方法

考慮到有些設(shè)備的通信協(xié)議結(jié)構(gòu)可能與設(shè)計(jì)的分站協(xié)議不一致，只單一識(shí)別協(xié)議結(jié)構(gòu)無法準(zhǔn)確判斷接口接入對(duì)象，因此，通過協(xié)議識(shí)別和數(shù)據(jù)解析2個(gè)方向來研究。

協(xié)議識(shí)別即確定接收的數(shù)據(jù)幀為系統(tǒng)協(xié)議幀，傳統(tǒng)的識(shí)別結(jié)構(gòu)僅識(shí)別幀頭，作為該系統(tǒng)的識(shí)別方式，但是只根據(jù)該幀頭特征和協(xié)議解析程序匹配可能會(huì)出現(xiàn)與其他系統(tǒng)發(fā)生識(shí)別混亂，因此，僅根據(jù)幀頭無法保證該協(xié)議幀即為系統(tǒng)協(xié)議幀，需要增加識(shí)別項(xiàng)來確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性。在協(xié)議報(bào)文通用結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中可以看出，可以將幀長屬性、定位屬性、數(shù)據(jù)屬性納入系統(tǒng)協(xié)議幀的識(shí)別范圍，幀頭、幀長屬性和定位屬性共同作為系統(tǒng)協(xié)議幀識(shí)別項(xiàng)，而數(shù)據(jù)屬性作為數(shù)據(jù)信息傳輸識(shí)別項(xiàng)，系統(tǒng)可根據(jù)這幾點(diǎn)特征準(zhǔn)確識(shí)別定位協(xié)議幀。

在此協(xié)議幀中，定位屬性用于區(qū)別是哪一種定位技術(shù)，在定位協(xié)議幀識(shí)別的前提下，可作為唯一識(shí)別定位方式的不重復(fù)元素。并且可以根據(jù)定位屬性來確定定位卡類型，以方便地面控制終端進(jìn)行監(jiān)測監(jiān)控。

系統(tǒng)采用輪詢方式獲取1幀下行幀數(shù)據(jù)X，并獲取該下行幀的幀頭J，幀長L，定位方式H，數(shù)據(jù)屬性K，根據(jù)獲取X的長度與L是否相等，判斷數(shù)據(jù)是否正確，鎮(zhèn)根據(jù)幀頭J、定位方式H和數(shù)據(jù)屬性K來進(jìn)行協(xié)議解析，具體的程序設(shè)計(jì)流程如圖5。

圖5 程序設(shè)計(jì)流程圖Fig.5 Flow chart of program design

4 結(jié) 語

多定位技術(shù)協(xié)議融合定位系統(tǒng)，有利于煤礦企業(yè)通過最小的成本升級(jí)為精確定位系統(tǒng)，滿足差異化定位需求，實(shí)現(xiàn)區(qū)域化RFID定位，巷道精確定位，并將定位精度提升到厘米級(jí)，解決了現(xiàn)在定位誤差大、升級(jí)成本高的問題，滿足管理者對(duì)井下作業(yè)人員的精細(xì)化、智能化管理，對(duì)實(shí)現(xiàn)煤礦井下安全生產(chǎn)、精細(xì)化作業(yè)有重大作用。