基于广播方式的无线软件升级方法

王 飞

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

国家安全监管总局国家煤矿安监局《建设完善煤矿井下安全避险“六大系统”的通知》（2010 年146号）要求煤矿必须建设“六大系统”[1]，全国范围内煤矿企业迅速安装井下人员管理系统。2019 年10 月12 日，山东省出台《山东煤矿人员精确定位系统技术要求（试行）》文件。按照原国家安全生产监督管理局关于印发2015 年安全生产行业标准制订计划的通知要求，《煤矿井下人员定位系统通用技术条件》征求意见稿中重新定义人员定位系统技术要求，传统的区域人员管理系统已完全不能满足新通用技术条件要求[2-4]，迫切需要定位精度高、数据实时性强的精确定位系统。

目前，矿井井下精确定位技术主要有UWB、ZigBee、CSS 等[5-7]，其中UWB 精确定位技术具有定位精度高、抗干扰能力强、通信速率快和并发容量大等特点[8]，ZigBee 精确定位技术具有成本低、功耗低和通信距离远等特点[9-10]。因此，基于UWB 和ZigBee定位技术的精确定位系统在煤矿井下得到大量推广应用，定位卡已经普及至每位矿井工作人员。定位卡交付使用后，若出现问题或增加功能，则需要软件升级。如果采用离线板卡升级方式，则需要拆卸定位卡，耗时耗力。如果采用无线升级方式，目前绝大多数仅支持一对一无线升级[11-12]，升级速度慢、效率低，而且存在较高的风险，一旦程序升级失败，原有程序已被擦出，定位卡无法继续工作，必须返厂维修[13]。

针对上述问题，提出一种基于广播方式的无线升级固件程序的实现方案，采用一对多的组网模式和无限循环多次广播机制，实现定位卡批量无线升级，具有升级速度快、并发容量大、和可靠性高等优点。

1 系统架构

提出的基于广播方式的无线升级固件程序系统主要包括3 个部分：服务器、升级基站和定位卡。升级基站具有1 路UWB 通道和1 路ZigBee 通道，UWB用于广播升级包数据帧，ZigBee 用于接收网络扫描帧、发送升级启动帧和接收升级进度帧。定位卡具有1 路UWB 通道和1 路ZigBee 通道。在正常状态，UWB 用于TOF 测距，ZigBee 用于广播网络扫描帧。在无线升级过程中，UWB 用于接收升级包数据帧，ZigBee 用于接收启动升级帧和发送升级进度帧。

2 定位卡硬件

为了提高无线升级可靠性，定位卡包含3 部分：定位板、升级板和FLASH。定位板含有1 路UWB 通道和1 路ZigBee 通道，升级板外接1 个FLASH。定位板与升级板之间采用数据接口和编程接口相连接。FLASH 用于存储升级包。定位卡开始无线升级时，将更新的升级包首先写入FLASH，等待升级包接收完毕且校验正确，再加载更新的升级包。

3 升级包传输机制

升级包传输存在2 个步骤：①服务器下发至升级基站；②升级基站广播至定位卡。服务器与升级基站之间的升级包传输采用TCP/IP 技术，其可靠性可以得到保障，该文针对升级基站广播升级包，提出了一种无限循环多次广播方式的可靠传输机制。

服务器传输升级包至升级基站，其中包含升级包的程序数据及其版本号、总长度和校验值。升级基站将升级包的程序数据及其版本号、总长度和校验值进行保存，同时进行校验计算，校验正确后，采用UWB 通道广播升级包数据帧。升级包数据帧含有数据帧编号、数据长度和广播次数。为了提高升级包数据帧传输的可靠性，UWB 广播升级包数据帧时，每个数据帧连续广播3 次，间隔1 ms，每20 ms更新1 个数据帧。升级基站广播升级包数据帧时序图如图1。

图1 升级基站广播升级包数据帧时序图Fig.1 Time sequence diagram of the base station broadcasts data frames

由图1 可知，升级基站无限循环多次广播升级包数据帧，升级包数据帧的数据长度为N，最后1 个数据帧（n+1）的数据长度为M，假设升级包的程序数据总长度为L，则L=N×n+M。数据帧编号为已经成功广播升级包的程序数据字节数量。

如果定位卡接收同一个升级包数据帧的失败次数＜3 次，则可以成功接收该升级包数据帧。如果定位卡接收同一个升级包数据帧的失败次数≥3 次，则可以等待至下1 个循环周期接收该升级包数据帧。由此可见，升级基站采用无限循环多次广播机制发送升级包数据，传输可靠性可以得到保障。

4 无线升级流程

定位卡无线升级的工作流程如图2。

图2 定位卡无线升级的工作流程图Fig.2 Working flow chart of the locating card

定位卡采用ZigBee 通道周期性地广播网络扫描帧，其中包含卡号和软件版本号，升级基站接收到网络扫描帧后，检查该软件版本号是否需要升级，如果需要升级则回复升级启动帧，其中包含升级包的程序数据总长度和校验值。定位卡接收到升级启动帧后，采用UWB 通道被动接收升级包数据帧，同时通过ZigBee 通道周期性地发送升级进度帧，向升级基站报告升级进度。

定位卡接收到升级启动帧和升级包数据帧后，定位板通过数据接口转发至升级板。升级板负责存储和校验升级包数据，只有在升级包接收完毕且校验正确后，通过编程接口对定位板进行程序升级，否则复位定位板、重新启动无线升级流程。所以，即使升级包接收失败，定位板仍保留原始程序数据，还可以继续工作。

定位卡无线升级的工作时序如图3。由于升级基站采用无限循环多次广播机制发送升级包数据，定位卡只需被动接收升级包数据帧。在升级基站覆盖范围内，定位卡批量升级的并发数量不受限制，几千张定位卡在几分钟内即可完成无线升级。无线升级过程中，只需上电升级基站，升级基站检测到软件版本号需要升级，则发送升级启动命令，否则不予回复。

图3 定位卡无线升级的工作时序图Fig.3 Time sequence diagram of the wireless upgrade

5 试验测试结果

为了验证该无线升级方法的有效性和可靠性，进行了无线升级测试。无线升级测试布置1 台电脑、1 个升级基站和500 个定位卡。升级基站的UWB 通道和ZigBee 通道均采用增益为16 dB 的定向天线，天线安置高度约为1.5 m；500 个定位卡与升级基站之间距离约为100 m，放置在地面。

通过电脑将定位卡升级包发送至升级基站，启动开始升级，升级软件自动记录升级进度和时间。为了充分验证该升级方法，共进了10 次试验，升级时间取最大值，无线升级测试结果见表1。

表1 无线升级测试结果Table 1 Wireless upgrade test results

根据表1 测试结果，约95%定位卡一次性升级成功，其它定位卡只需等待2 个循环周期，无线升级时间均小于5 min。

此外，在无线升级过程中，断电升级基站，定位卡在10 min 后自动复位，以原始程序继续运行工作。因此，该无线升级方法可靠性高，只有在升级包接收完毕且校验正确后，才进行程序升级。如果升级包接收失败，定位卡仍保留原始程序数据、继续工作。

6 结 语

基于广播方式的无线升级固件程序方法，采用一对多的组网模式和无限循环多次广播机制，实现定位卡批量无线升级，有效解决了定位卡软件升级困难问题。试验结果表明：定位卡批量升级的并发数量不受限制，在100 m 覆盖范围内，95%定位卡一次性升级成功，5%定位卡需要等待2 个循环周期，无线升级时间均小于5 min。而且，无线升级可靠性高，只有在升级包接收完毕且校验正确后，才进行程序升级。如果升级包接收失败，定位卡仍保留原始程序数据、继续工作。因此，该方法为数量较多的定位卡升级固件程序提供了一种快速、可靠和便捷的无线升级途径。