多定位技术协议融合定位系统设计

2021-08-23刘亚辉

煤矿安全 2021年8期

刘亚辉

（1.中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆 400039；2.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室，重庆 400037）

煤炭作为我国的主要能源之一，其安全开采一直是国家和煤炭企业关注的焦点，而煤监设备在其中发挥着重要作用。应国家煤矿安监局2010年印发的《建设完善煤矿井下安全避险“六大系统”的通知》要求[1-2]，煤矿企业必须建立“六大系统”，人员定位系统作为“六大系统”之一，定位精度要求越来越高，原RFID定位技术定位度低，已无法满足现高精度定位要求，目前，Zigbee定位技术、UWB定位技术逐渐应用到煤矿井下定位中，但是，多种定位方式研究阶段、应用手段不同，在煤矿井下定位应用中通信协议不尽相同，导致同一定位系统中，新老设备通信协议不统一、不兼容。为推进智能化矿山建设，逐步提高井下定位的精确性，设计了一种多定位协议融合定位系统，采用多接口通讯方法，进行协议解析、融合，系统支持3种测距方式：UWB技术[3-4]、Zigbee技术[5-6]、RFID,通过多接口设计方案，应用多定位技术协议融合技术，将RFID、Zigbee、UWB测距数据进行交互、存储和上传。解决了目前煤矿定位精度低、而全面升级成本高等问题。

1 系统总体设计

多定位技术协议融合定位系统采用3层架构，包含存储层、逻辑层、和通讯层。存储层主要对数据进行存储；逻辑层主要包括检测设备信息、协议解析[7-8]和定位设备巡检；通讯层主要完成协议信息重构，然后将解析后的数据发送给地面管理终端和其它系统。系统采用多接口技术实现与定位设备的通信，定位数据接收和发送为同一通信接口，进行周期巡检和数据帧接收，为防止数据帧接收、处理不及时而产生数据包丢失，系统中采用建立监测数据缓冲来存储各个接口接收到的数据帧。多定位技术协议融合定位系统涉及协议融合定位[9-10]基站、UWB定位卡、Zigbee定位卡、RFID定位卡，该系统通过多接口设计，经过协议融合，实现各种定位技术进行信息交互。通过多接口设计方便读取各类测距数据，分析测距帧协议，分辨定位技术类型，确定定位卡类型，从而计算出定位卡的具体位置，经协议融合，为地面监控终端显示地理位置提供位置服务信息。系统架构设计如图1。

图1 系统架构设计图Fig.1 Architecture diagram of system

2 系统硬件

系统的核心功能包括：协议分析功能、设备管理功能和通讯功能。根据功能，将系统产品分为电源控制模块、通讯模块、设备信息模块、设备巡检模块，系统的硬件设计框图如图2。

图2 硬件设计框图Fig.2 Hardware diagram of system

控制中心基于高速微处理器STM32F429IGT6实现。设备信息采用LCD显示，LCD显示电路包括扫描控制、电源驱动和显示数据；设备巡检模块采用多接口通讯技术，设备巡检基于UWB处理芯片DW1000、ZigBee处理芯片JN5168设计和RFID无线通信NRF2401进行设计，实现协议数据采集，数据在缓冲队列中进行统一处理；存储采用SPI进行外部FLASH存储；数据传输单元基于以太网芯片进行设计，该模块具有3个光口和2个网口，通过以太网通信将信息传给上位机以及其他系统。

系统可实现3种通信技术：UWB、Zigbee、RFID。设备巡检模块完成对定位数据的采集，采用多接口通信技术，以巡检方式获取定位数据，由协议融合单元对数据进行处理，得到定位相关数据，该基站通过SPI接口与UWB定位模块相连，通过出串口和Zig－Bee定位模块相连，通过SPI接口和nrf2401相连，三者在协议融合单元完成数据交互。

协议解析、融合单元将各接口单元的数据进行分析和处理，根据上行帧数据判断其通信方式，并根据下行帧确定其定位方式及定位数据，经解析后进行信息数据重组，按照协议将定位数据按照既定的方式上传。

3 系统软件

系统主要解决精确定位系统升级造价较高的问题，通过解析协议数据包，对定位数据信息进行协议重组，即通过分析上行帧和下行帧协议结构，分析通信和定位方式，控制模块从接口模块获取上行帧信息和定位数据，并完成下行帧重组，与系统设备通信。为了方便说明，这里将上位机下发的获取下位机定位数据的数据协议帧成为下行帧，将下位机上发给上位机的数据协议帧称为上行帧。

3.1 多接口通用协议解析方法

系统可支持3种定位技术，UWB、Zigbee和RFID，在系统中定位设备接口不同，若要实现系统可兼容3种定位技术，则监测分站需完成不同接口的巡检工作，考虑到系统的兼容性和扩展性，设计了多接口通讯方法。多接口通用协议解析框图如图3。

图3 多接口通用协议解析框图Fig.3 Block diagram of multi-interface general protocol analysis

对于整个定位系统而言，采用被动模式进行定位数据的采集和上传，以完成定位设备的巡检工作，定位模块实时与定位卡进行通信，缓存定位数据并完成上传。

3.2 协议报文通用结构

此系统由于兼容了3种定位技术，因此系统内存在多种通信协议，针对这种情况，研究采用多种协议的通用协议报文进行数据传输，以完成兼容3种通信协议的目的。数据协议分为上行帧和下行帧，通信数据一般涉及帧头、帧长、定位类型、通信类型、数据属性等常用结构，整个协议报文通用结构如图4。

图4 协议报文通用结构框图Fig.4 General structure block diagram of protocol message

帧头的属性可自行定义，其可定位为特征字符，或者数字，在此，将帧头定义为系统识别字符0x9f。

帧长属性即协议帧上行帧或者下行帧本身的字节长度，包含随机数和校验，该属性与定位方法相关，不固定。

定位属性即为定位的类型，包括该字段长度、定位类型、卡的种类，分为3类：UWB、Zigbee、RFID，分别定义为0x01、0x02、0x03，该属性不能为空。

数据属性包含时间信息、通信信息以及定位信息，其为定位数据的核心内容，此属性内容不为空且为缓冲区的核心内容。由多个元素组合而成，包含了时间、通信通断、定位卡数目、定位信息等重要数据，时间包含年、月、日、时、分、秒总共6个字节，通断信息为1个字节，待传定位卡信息为1个字节；定位信息，包含目前通信的时间、定位距离等。

随机码为2字节，用来表示通信通断，当下行帧回复的随机码与上行帧回复的随机码一致时，表示通信正常，否则视为通信中断。

命令属性为上位机或者定位卡发出的求救、呼叫等信息，该信息定义为1个字节，采用上下回应机制，当上下2级收到对方的回复后将置位进行信息交互。

校验采用CRC校验，该种校验方式较为通用。

3.3 协议报文识别和解析方法

考虑到有些设备的通信协议结构可能与设计的分站协议不一致，只单一识别协议结构无法准确判断接口接入对象，因此，通过协议识别和数据解析2个方向来研究。

协议识别即确定接收的数据帧为系统协议帧，传统的识别结构仅识别帧头，作为该系统的识别方式，但是只根据该帧头特征和协议解析程序匹配可能会出现与其他系统发生识别混乱，因此，仅根据帧头无法保证该协议帧即为系统协议帧，需要增加识别项来确保系统的稳定性。在协议报文通用结构设计中可以看出，可以将帧长属性、定位属性、数据属性纳入系统协议帧的识别范围，帧头、帧长属性和定位属性共同作为系统协议帧识别项，而数据属性作为数据信息传输识别项，系统可根据这几点特征准确识别定位协议帧。

在此协议帧中，定位属性用于区别是哪一种定位技术，在定位协议帧识别的前提下，可作为唯一识别定位方式的不重复元素。并且可以根据定位属性来确定定位卡类型，以方便地面控制终端进行监测监控。

系统采用轮询方式获取1帧下行帧数据X，并获取该下行帧的帧头J，帧长L，定位方式H，数据属性K，根据获取X的长度与L是否相等，判断数据是否正确，镇根据帧头J、定位方式H和数据属性K来进行协议解析，具体的程序设计流程如图5。