一種礦用人員便攜設(shè)備的無線程序升級方法

陳 賢，金業(yè)勇，陳 康

（1.中煤科工集團(tuán)常州研究院有限公司，江蘇 常州213015；2.天地（常州）自動化股份有限公司，江蘇 常州213015）

井下人員定位系統(tǒng)作為煤礦井下必備的安全避險“六大系統(tǒng)”之一，是井下人員定位，考勤，調(diào)度等應(yīng)用的重要保障[1-2]。該系統(tǒng)下的定位標(biāo)識卡或定位信息礦燈是下井人員必須攜帶的設(shè)備，具有數(shù)量多，位置分散且不固定等特點。隨著煤礦安全生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)提升，以及礦方的需求差異化，不可避免的面臨該類設(shè)備的程序升級問題。

由于礦用設(shè)備使用環(huán)境惡劣，三防要求等級高，不易拆卸的特點，采用IAP（In Application Programming，應(yīng)用內(nèi)編程）編程方式與礦用人員便攜設(shè)備的無線射頻結(jié)合，可以有效的解決升級程序時設(shè)備需要拆卸的問題[3-7]。而程序升級另一個問題在于現(xiàn)場情況：①設(shè)備數(shù)量多，上千是正常數(shù)量級，統(tǒng)計升級情況耗時耗力；②煤礦生產(chǎn)一般采用輪班制，如常見的三班倒，導(dǎo)致設(shè)備某一時間一部分在井下，一部分在井上，位置分散不固定，且該類設(shè)備一般由使用者個人保管，不便于收集，而無線升級覆蓋區(qū)域有限，難以集中升級；③人員定位信息關(guān)聯(lián)定位與考勤，升級過程不能影響設(shè)備的井下正常工作，加上人員下井罐籠不等人，人員上井在疲憊的驅(qū)使下急于下班的情況，特別是信息礦燈鎖在充電柜中充電，升級過程難以保障。針對上述問題，提出了一種可靠性高、操作方便的礦用人員便攜設(shè)備的無線程序升級方法，采用無線廣播傳輸和斷點續(xù)傳的方式在下井口實現(xiàn)礦用人員便攜設(shè)備程序的批量無線IAP 升級。

1 總體設(shè)計

用于礦井定位的無線通信技術(shù)主要有Wi-Fi、RFID、UWB、ZigBee 等[1]，以使用較多的RFID 井下無線定位方案來說明無線程序升級的方法。升級過程采用一對多的網(wǎng)絡(luò)模式進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，即1 個無線升級終端設(shè)備對應(yīng)多個礦用人員便攜設(shè)備，通過2.4 GHz 無線通信模塊完成無線升級終端設(shè)備與礦用人員便攜設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸。

硬件上，礦用人員便攜設(shè)備保持原有硬件架構(gòu)不變，增加無線升級終端設(shè)備，設(shè)備采用單片機+雙無線芯片+USB 虛擬串口的架構(gòu)[8-9]，具有雙射頻模塊，分別用于升級程序文件的發(fā)送和升級探測，且工作在不同無線信道，減少空中碰撞，提高升級的速度。

軟件上，礦用人員便攜設(shè)備的軟件重新架構(gòu)，將Flash 分為Boot（引導(dǎo)）區(qū)、APP（應(yīng)用程序）區(qū)、APPBackup（應(yīng)用程序備份）區(qū)及Data（數(shù)據(jù)）區(qū)4 大區(qū)域[10]，其中APP 區(qū)和APPBackup 區(qū)大小相同，無線升級過程Flash 操作過程如圖1。

一次完整的無線升級交互過程如圖2。

圖1 無線升級Flash 操作過程Fig.1 Wireless upgrade Flash operation process

具體步驟如下：①礦用人員便攜設(shè)備發(fā)送正常工作報文；②無線升級終端設(shè)備捕獲報文，定向發(fā)送升級命令，礦用人員便攜設(shè)備捕獲升級命令，若版本落后，切換信道進(jìn)入升級模式等待接收升級數(shù)據(jù)包；③無線升級終端將升級文件拆分成多個獨立數(shù)據(jù)包，并循環(huán)發(fā)送；④數(shù)據(jù)包接收完成，上報升級完成信息，軟重啟進(jìn)入Boot 區(qū)，完成拷貝新程序到APP區(qū)后，跳轉(zhuǎn)到APP 區(qū)正常工作。

2 詳細(xì)設(shè)計

2.1 礦用人員便攜設(shè)備

圖2 無線升級交互過程Fig.2 Wireless upgrade interaction process

以常用的STM32F103CBT6 單片機為例，F(xiàn)lash存儲區(qū)共有128 KB。按實際使用需求劃分4 個區(qū)域的大小，F(xiàn)lash 存儲區(qū)域劃分見表1。

表1 Flash 存儲區(qū)域劃分Table 1 Flash storage area division

礦用人員便攜設(shè)備在原有功能的基礎(chǔ)上增加無線升級部分功能，礦用人員便攜設(shè)備無線升級程序流程框圖如圖3。

礦用人員便攜設(shè)備上電啟動正常情況沒有更新標(biāo)志，直接跳轉(zhuǎn)至APP 區(qū)執(zhí)行正常工作流程，當(dāng)接收到無線升級終端的升級命令，比對當(dāng)前版本，若版本落后且電量充足，切換至升級信道進(jìn)入升級模式，接收無線升級終端循環(huán)廣播的升級數(shù)據(jù)包，將校驗通過的單包升級數(shù)據(jù)存放到APP 備份區(qū)的指定位置，同時保存每一個升級數(shù)據(jù)單包的接收情況，用于斷點續(xù)傳，同時判斷是否長時間（1 s）未收到升級數(shù)據(jù)包，若超時，切換回正常工作流程，再次經(jīng)過升級區(qū)域時重新進(jìn)入升級模式，已接收的數(shù)據(jù)包無需再重新接收保存，保證升級的連續(xù)性。若升級數(shù)據(jù)包全部接收完畢，且校驗通過，保存升級數(shù)據(jù)校驗值等參數(shù)和更新標(biāo)志至Data 區(qū)指定位置，軟復(fù)位重啟進(jìn)入Boot 區(qū)啟動。判斷更新標(biāo)志并再次校驗APP 備份區(qū)的升級數(shù)據(jù)，校驗通過后拷貝至APP 區(qū)，重置更新標(biāo)志后軟復(fù)位重啟，進(jìn)入更新后的APP 區(qū)正常工作，至此，整個程序升級過程完成。

圖3 礦用人員便攜設(shè)備無線升級程序流程框圖Fig.3 Mine personnel portable equipment wireless upgrade process flow diagram

升級數(shù)據(jù)包的正確性直接影響升級能否成功，因此，將升級數(shù)據(jù)包采用單包校驗和整包校驗的雙重校驗，先將升級程序bin 文件按16 字節(jié)整數(shù)倍全1 補齊，計算整包的校驗值，再按16 字節(jié)1 包計算總包數(shù)N，加上通信協(xié)議組成32 字節(jié)的單包數(shù)據(jù)，升級數(shù)據(jù)單包協(xié)議見表2。

礦用人員便攜設(shè)備升級數(shù)據(jù)包接收過程采用斷點續(xù)傳方式，使用1 個bit 記錄1 個單包16 bytes 的升級情況，以最大50 kB 為例，占用Ram 資源50/8/16=0.39 kB，對STM32F103CBT6 單片機20 kB 的Ram來說，完全勝任。參考芯片手冊，單包16 字節(jié)數(shù)據(jù)保存到flash 的寫入時間小于1 ms，射頻芯片SPI 接口采用8 MHz 時鐘，單次接收數(shù)據(jù)讀取時間在1 ms內(nèi)，預(yù)留計算處理時間，以單包升級數(shù)據(jù)接收完成時間5 ms 計算，50 kB 數(shù)據(jù)的理論單次循環(huán)接收時間為50×1024/16×5=16 000 ms=16 s，考慮到無線通信丟包的因素，理論計算的無線升級耗時在30 s 以內(nèi)，在無線信號穩(wěn)定覆蓋的10 m 范圍內(nèi)，基本可以做到短暫停留即可完成升級。

2.2 無線升級終端設(shè)備

無線升級終端設(shè)備硬件框圖如圖4。

圖4 無線升級終端設(shè)備硬件框圖Fig.4 Hardware diagram of wireless upgrade terminal device

無線升級終端設(shè)備主要包含4 個功能模塊：①主控芯片：作為專用的無線升級終端，能存放一個更新程序即可，結(jié)合其他外圍要求，因此也選用STM32F103CBT6 單片機；②雙射頻模塊：根據(jù)對端待升級的無線射頻類型，選用nRF24L01 2.4 GHz 無線射頻芯片；③串口：為了方便與PC 端上位機軟件連接，選用USB 虛擬串口芯片CP2102；④人機交互，1 個按鍵，用于無上位機時的脫機無線升級控制，LED 指示燈及小型OLED 顯示屏用于升級過程及狀態(tài)顯示。

主控芯片128 kB Flash 按需求劃分為3 個區(qū)域，F(xiàn)lash 存儲區(qū)域劃分見表3。APP 區(qū)用于存放應(yīng)用主程序，APPNew 區(qū)空間對應(yīng)礦用人員便攜設(shè)備的APP 區(qū)，用于存放從PC 端上位機下發(fā)的升級程序bin 文件。

表3 Flash 存儲區(qū)域劃分Table 3 Flash storage area division

無線升級終端設(shè)備軟件主要實現(xiàn)2 個功能，升級程序加載和無線升級過程處理。升級程序加載交互過程如圖5，無線升級過程處理軟件流程如圖6。

圖5 升級程序加載交互過程Fig.5 Escalation load interaction

圖6 無線升級過程處理流程Fig.6 Wireless upgrade process processing flow

1）升級程序加載。PC 端上位機將升級程序的bin文件分包后，加上必要的通訊協(xié)議和校驗組成升級程序包，通過USB 虛擬串口逐條發(fā)送給無線升級終端設(shè)備，升級終端對升級數(shù)據(jù)包校驗通過后存放在內(nèi)部存儲APPNew 區(qū)對應(yīng)的位置，并反饋數(shù)據(jù)包接收成功確認(rèn)。最后交互確認(rèn)升級程序的總校驗信息，保證升級程序的正確性。無線升級終端完成升級程序的加載后，置加載成功標(biāo)志，返回空閑模式。

2）無線升級。在空閑模式下，程序已加載成功，收到上位機或按鍵的升級命令，無線升級終端進(jìn)入升級模式，主要對2 個射頻模塊處理。射頻1 始終工作在發(fā)送模式，在指定的信道按5 ms 的間隔循環(huán)發(fā)送表2 格式的升級數(shù)據(jù)包；射頻2 工作在中斷接收模式，以便對接收到的數(shù)據(jù)快速響應(yīng)。對收到的正常報文，射頻2 立刻切換到發(fā)送模式定向發(fā)送升級探測命令，發(fā)送完成后立刻切換回中斷接收模式，繼續(xù)等待接收，對升級完成反饋信息，直接通過串口發(fā)送給上位機。當(dāng)收到上位機或按鍵的關(guān)閉升級命令，射頻1 停止發(fā)送，射頻2 關(guān)閉接收，返回空閑模式。

3 升級測試及現(xiàn)場驗證

為了驗證該升級方法的可靠性和有效性，通過模擬實際情況來進(jìn)行升級測試。將無線升級終端設(shè)備懸掛于走廊一邊的墻面上，走廊寬度2.4 m,懸掛高度1.5 m，升級程序bin 文件大小33 kB，測試用定位標(biāo)識卡20 個，同時攜帶20 個標(biāo)識卡以正常的行走速度多次通過升級終端位置，重復(fù)測試5 次，從上位機上觀察升級情況，無線升級測試情況統(tǒng)計見表4。

表4 無線升級測試情況統(tǒng)計Table 4 Wireless upgrade test statistics

從測試試驗數(shù)據(jù)可以看出，1 次通過的升級完成率在63%，2 次通過的升級完成率在98%，3 次通過的升級完成率在100%，多次通過顯著提高了升級完成率，符合斷點續(xù)傳的技術(shù)特點，100%的通過率驗證了該無線升級方法的可靠性。

由于項目需要對山東某煤礦UWB 精確定位系統(tǒng)下的1 206 盞KLX5LM（C）·信息礦燈進(jìn)行程序升級，無線升級終端設(shè)備安裝位置下井口安檢門入口外20 m 左右，啟動無線升級2 d 后，根據(jù)上位機的統(tǒng)計完成了986 盞礦燈的程序升級，未發(fā)現(xiàn)升級導(dǎo)致的故障礦燈。

4 結(jié) 語

提出了一種適合礦用人員便攜設(shè)備的無線升級程序方法。該無線程序升級方法應(yīng)用靈活又可靠的升級機制，同時充分利用了待升級對象自主移動的特點?，F(xiàn)場試驗結(jié)果表明，該方法有效解決了礦用人員便攜設(shè)備數(shù)量多，位置分散不固定而難以集中的程序升級問題。該升級方法需要1 個與應(yīng)用程序區(qū)一樣大小的備份區(qū)，對flash 的容量要求較高，下一步考慮研究一種不需要備份區(qū)，在Boot 區(qū)增加對用戶程序有效性校驗的措施，同時在該區(qū)增加獨立的無線升級的方法，防止升級異常發(fā)生故障。