多定位技術協議融合定位系統設計

劉亞輝

（1.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400039；2.瓦斯災害監控與應急技術國家重點實驗室，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關注的焦點，而煤監設備在其中發揮著重要作用。應國家煤礦安監局2010年印發的《建設完善煤礦井下安全避險“六大系統”的通知》要求[1-2]，煤礦企業必須建立“六大系統”，人員定位系統作為“六大系統”之一，定位精度要求越來越高，原RFID定位技術定位度低，已無法滿足現高精度定位要求，目前，Zigbee定位技術、UWB定位技術逐漸應用到煤礦井下定位中，但是，多種定位方式研究階段、應用手段不同，在煤礦井下定位應用中通信協議不盡相同，導致同一定位系統中，新老設備通信協議不統一、不兼容。為推進智能化礦山建設，逐步提高井下定位的精確性，設計了一種多定位協議融合定位系統，采用多接口通訊方法，進行協議解析、融合，系統支持3種測距方式：UWB技術[3-4]、Zigbee技術[5-6]、RFID,通過多接口設計方案，應用多定位技術協議融合技術，將RFID、Zigbee、UWB測距數據進行交互、存儲和上傳。解決了目前煤礦定位精度低、而全面升級成本高等問題。

1 系統總體設計

多定位技術協議融合定位系統采用3層架構，包含存儲層、邏輯層、和通訊層。存儲層主要對數據進行存儲；邏輯層主要包括檢測設備信息、協議解析[7-8]和定位設備巡檢；通訊層主要完成協議信息重構，然后將解析后的數據發送給地面管理終端和其它系統。系統采用多接口技術實現與定位設備的通信，定位數據接收和發送為同一通信接口，進行周期巡檢和數據幀接收，為防止數據幀接收、處理不及時而產生數據包丟失，系統中采用建立監測數據緩沖來存儲各個接口接收到的數據幀。多定位技術協議融合定位系統涉及協議融合定位[9-10]基站、UWB定位卡、Zigbee定位卡、RFID定位卡，該系統通過多接口設計，經過協議融合，實現各種定位技術進行信息交互。通過多接口設計方便讀取各類測距數據，分析測距幀協議，分辨定位技術類型，確定定位卡類型，從而計算出定位卡的具體位置，經協議融合，為地面監控終端顯示地理位置提供位置服務信息。系統架構設計如圖1。

圖1 系統架構設計圖Fig.1 Architecture diagram of system

2 系統硬件

系統的核心功能包括：協議分析功能、設備管理功能和通訊功能。根據功能，將系統產品分為電源控制模塊、通訊模塊、設備信息模塊、設備巡檢模塊，系統的硬件設計框圖如圖2。

圖2 硬件設計框圖Fig.2 Hardware diagram of system

控制中心基于高速微處理器STM32F429IGT6實現。設備信息采用LCD顯示，LCD顯示電路包括掃描控制、電源驅動和顯示數據；設備巡檢模塊采用多接口通訊技術，設備巡檢基于UWB處理芯片DW1000、ZigBee處理芯片JN5168設計和RFID無線通信NRF2401進行設計，實現協議數據采集，數據在緩沖隊列中進行統一處理；存儲采用SPI進行外部FLASH存儲；數據傳輸單元基于以太網芯片進行設計，該模塊具有3個光口和2個網口，通過以太網通信將信息傳給上位機以及其他系統。

系統可實現3種通信技術：UWB、Zigbee、RFID。設備巡檢模塊完成對定位數據的采集，采用多接口通信技術，以巡檢方式獲取定位數據，由協議融合單元對數據進行處理，得到定位相關數據，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，三者在協議融合單元完成數據交互。

協議解析、融合單元將各接口單元的數據進行分析和處理，根據上行幀數據判斷其通信方式，并根據下行幀確定其定位方式及定位數據，經解析后進行信息數據重組，按照協議將定位數據按照既定的方式上傳。

3 系統軟件

系統主要解決精確定位系統升級造價較高的問題，通過解析協議數據包，對定位數據信息進行協議重組，即通過分析上行幀和下行幀協議結構，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據，并完成下行幀重組，與系統設備通信。為了方便說明，這里將上位機下發的獲取下位機定位數據的數據協議幀成為下行幀，將下位機上發給上位機的數據協議幀稱為上行幀。

3.1 多接口通用協議解析方法

系統可支持3種定位技術，UWB、Zigbee和RFID，在系統中定位設備接口不同，若要實現系統可兼容3種定位技術，則監測分站需完成不同接口的巡檢工作，考慮到系統的兼容性和擴展性，設計了多接口通訊方法。多接口通用協議解析框圖如圖3。

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

對于整個定位系統而言，采用被動模式進行定位數據的采集和上傳，以完成定位設備的巡檢工作，定位模塊實時與定位卡進行通信，緩存定位數據并完成上傳。

3.2 協議報文通用結構

此系統由于兼容了3種定位技術，因此系統內存在多種通信協議，針對這種情況，研究采用多種協議的通用協議報文進行數據傳輸，以完成兼容3種通信協議的目的。數據協議分為上行幀和下行幀，通信數據一般涉及幀頭、幀長、定位類型、通信類型、數據屬性等常用結構，整個協議報文通用結構如圖4。

圖4 協議報文通用結構框圖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，或者數字，在此，將幀頭定義為系統識別字符0x9f。

幀長屬性即協議幀上行幀或者下行幀本身的字節長度，包含隨機數和校驗，該屬性與定位方法相關，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。

數據屬性包含時間信息、通信信息以及定位信息，其為定位數據的核心內容，此屬性內容不為空且為緩沖區的核心內容。由多個元素組合而成，包含了時間、通信通斷、定位卡數目、定位信息等重要數據，時間包含年、月、日、時、分、秒總共6個字節，通斷信息為1個字節，待傳定位卡信息為1個字節；定位信息，包含目前通信的時間、定位距離等。

隨機碼為2字節，用來表示通信通斷，當下行幀回復的隨機碼與上行幀回復的隨機碼一致時，表示通信正常，否則視為通信中斷。

命令屬性為上位機或者定位卡發出的求救、呼叫等信息，該信息定義為1個字節，采用上下回應機制，當上下2級收到對方的回復后將置位進行信息交互。

校驗采用CRC校驗，該種校驗方式較為通用。

3.3 協議報文識別和解析方法

考慮到有些設備的通信協議結構可能與設計的分站協議不一致，只單一識別協議結構無法準確判斷接口接入對象，因此，通過協議識別和數據解析2個方向來研究。

協議識別即確定接收的數據幀為系統協議幀，傳統的識別結構僅識別幀頭，作為該系統的識別方式，但是只根據該幀頭特征和協議解析程序匹配可能會出現與其他系統發生識別混亂，因此，僅根據幀頭無法保證該協議幀即為系統協議幀，需要增加識別項來確保系統的穩定性。在協議報文通用結構設計中可以看出，可以將幀長屬性、定位屬性、數據屬性納入系統協議幀的識別范圍，幀頭、幀長屬性和定位屬性共同作為系統協議幀識別項，而數據屬性作為數據信息傳輸識別項，系統可根據這幾點特征準確識別定位協議幀。

在此協議幀中，定位屬性用于區別是哪一種定位技術，在定位協議幀識別的前提下，可作為唯一識別定位方式的不重復元素。并且可以根據定位屬性來確定定位卡類型，以方便地面控制終端進行監測監控。

系統采用輪詢方式獲取1幀下行幀數據X，并獲取該下行幀的幀頭J，幀長L，定位方式H，數據屬性K，根據獲取X的長度與L是否相等，判斷數據是否正確，鎮根據幀頭J、定位方式H和數據屬性K來進行協議解析，具體的程序設計流程如圖5。

圖5 程序設計流程圖Fig.5 Flow chart of program design

4 結 語

多定位技術協議融合定位系統，有利于煤礦企業通過最小的成本升級為精確定位系統，滿足差異化定位需求，實現區域化RFID定位，巷道精確定位，并將定位精度提升到厘米級，解決了現在定位誤差大、升級成本高的問題，滿足管理者對井下作業人員的精細化、智能化管理，對實現煤礦井下安全生產、精細化作業有重大作用。