基于廣播方式的無線軟件升級方法

王 飛

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

國家安全監(jiān)管總局國家煤礦安監(jiān)局《建設(shè)完善煤礦井下安全避險“六大系統(tǒng)”的通知》（2010 年146號）要求煤礦必須建設(shè)“六大系統(tǒng)”[1]，全國范圍內(nèi)煤礦企業(yè)迅速安裝井下人員管理系統(tǒng)。2019 年10 月12 日，山東省出臺《山東煤礦人員精確定位系統(tǒng)技術(shù)要求（試行）》文件。按照原國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理局關(guān)于印發(fā)2015 年安全生產(chǎn)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)制訂計劃的通知要求，《煤礦井下人員定位系統(tǒng)通用技術(shù)條件》征求意見稿中重新定義人員定位系統(tǒng)技術(shù)要求，傳統(tǒng)的區(qū)域人員管理系統(tǒng)已完全不能滿足新通用技術(shù)條件要求[2-4]，迫切需要定位精度高、數(shù)據(jù)實時性強的精確定位系統(tǒng)。

目前，礦井井下精確定位技術(shù)主要有UWB、ZigBee、CSS 等[5-7]，其中UWB 精確定位技術(shù)具有定位精度高、抗干擾能力強、通信速率快和并發(fā)容量大等特點[8]，ZigBee 精確定位技術(shù)具有成本低、功耗低和通信距離遠(yuǎn)等特點[9-10]。因此，基于UWB 和ZigBee定位技術(shù)的精確定位系統(tǒng)在煤礦井下得到大量推廣應(yīng)用，定位卡已經(jīng)普及至每位礦井工作人員。定位卡交付使用后，若出現(xiàn)問題或增加功能，則需要軟件升級。如果采用離線板卡升級方式，則需要拆卸定位卡，耗時耗力。如果采用無線升級方式，目前絕大多數(shù)僅支持一對一無線升級[11-12]，升級速度慢、效率低，而且存在較高的風(fēng)險，一旦程序升級失敗，原有程序已被擦出，定位卡無法繼續(xù)工作，必須返廠維修[13]。

針對上述問題，提出一種基于廣播方式的無線升級固件程序的實現(xiàn)方案，采用一對多的組網(wǎng)模式和無限循環(huán)多次廣播機制，實現(xiàn)定位卡批量無線升級，具有升級速度快、并發(fā)容量大、和可靠性高等優(yōu)點。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

提出的基于廣播方式的無線升級固件程序系統(tǒng)主要包括3 個部分：服務(wù)器、升級基站和定位卡。升級基站具有1 路UWB 通道和1 路ZigBee 通道，UWB用于廣播升級包數(shù)據(jù)幀，ZigBee 用于接收網(wǎng)絡(luò)掃描幀、發(fā)送升級啟動幀和接收升級進(jìn)度幀。定位卡具有1 路UWB 通道和1 路ZigBee 通道。在正常狀態(tài)，UWB 用于TOF 測距，ZigBee 用于廣播網(wǎng)絡(luò)掃描幀。在無線升級過程中，UWB 用于接收升級包數(shù)據(jù)幀，ZigBee 用于接收啟動升級幀和發(fā)送升級進(jìn)度幀。

2 定位卡硬件

為了提高無線升級可靠性，定位卡包含3 部分：定位板、升級板和FLASH。定位板含有1 路UWB 通道和1 路ZigBee 通道，升級板外接1 個FLASH。定位板與升級板之間采用數(shù)據(jù)接口和編程接口相連接。FLASH 用于存儲升級包。定位卡開始無線升級時，將更新的升級包首先寫入FLASH，等待升級包接收完畢且校驗正確，再加載更新的升級包。

3 升級包傳輸機制

升級包傳輸存在2 個步驟：①服務(wù)器下發(fā)至升級基站；②升級基站廣播至定位卡。服務(wù)器與升級基站之間的升級包傳輸采用TCP/IP 技術(shù)，其可靠性可以得到保障，該文針對升級基站廣播升級包，提出了一種無限循環(huán)多次廣播方式的可靠傳輸機制。

服務(wù)器傳輸升級包至升級基站，其中包含升級包的程序數(shù)據(jù)及其版本號、總長度和校驗值。升級基站將升級包的程序數(shù)據(jù)及其版本號、總長度和校驗值進(jìn)行保存，同時進(jìn)行校驗計算，校驗正確后，采用UWB 通道廣播升級包數(shù)據(jù)幀。升級包數(shù)據(jù)幀含有數(shù)據(jù)幀編號、數(shù)據(jù)長度和廣播次數(shù)。為了提高升級包數(shù)據(jù)幀傳輸?shù)目煽啃裕琔WB 廣播升級包數(shù)據(jù)幀時，每個數(shù)據(jù)幀連續(xù)廣播3 次，間隔1 ms，每20 ms更新1 個數(shù)據(jù)幀。升級基站廣播升級包數(shù)據(jù)幀時序圖如圖1。

圖1 升級基站廣播升級包數(shù)據(jù)幀時序圖Fig.1 Time sequence diagram of the base station broadcasts data frames

由圖1 可知，升級基站無限循環(huán)多次廣播升級包數(shù)據(jù)幀，升級包數(shù)據(jù)幀的數(shù)據(jù)長度為N，最后1 個數(shù)據(jù)幀（n+1）的數(shù)據(jù)長度為M，假設(shè)升級包的程序數(shù)據(jù)總長度為L，則L=N×n+M。數(shù)據(jù)幀編號為已經(jīng)成功廣播升級包的程序數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)量。

如果定位卡接收同一個升級包數(shù)據(jù)幀的失敗次數(shù)＜3 次，則可以成功接收該升級包數(shù)據(jù)幀。如果定位卡接收同一個升級包數(shù)據(jù)幀的失敗次數(shù)≥3 次，則可以等待至下1 個循環(huán)周期接收該升級包數(shù)據(jù)幀。由此可見，升級基站采用無限循環(huán)多次廣播機制發(fā)送升級包數(shù)據(jù)，傳輸可靠性可以得到保障。

4 無線升級流程

定位卡無線升級的工作流程如圖2。

圖2 定位卡無線升級的工作流程圖Fig.2 Working flow chart of the locating card

定位卡采用ZigBee 通道周期性地廣播網(wǎng)絡(luò)掃描幀，其中包含卡號和軟件版本號，升級基站接收到網(wǎng)絡(luò)掃描幀后，檢查該軟件版本號是否需要升級，如果需要升級則回復(fù)升級啟動幀，其中包含升級包的程序數(shù)據(jù)總長度和校驗值。定位卡接收到升級啟動幀后，采用UWB 通道被動接收升級包數(shù)據(jù)幀，同時通過ZigBee 通道周期性地發(fā)送升級進(jìn)度幀，向升級基站報告升級進(jìn)度。

定位卡接收到升級啟動幀和升級包數(shù)據(jù)幀后，定位板通過數(shù)據(jù)接口轉(zhuǎn)發(fā)至升級板。升級板負(fù)責(zé)存儲和校驗升級包數(shù)據(jù)，只有在升級包接收完畢且校驗正確后，通過編程接口對定位板進(jìn)行程序升級，否則復(fù)位定位板、重新啟動無線升級流程。所以，即使升級包接收失敗，定位板仍保留原始程序數(shù)據(jù)，還可以繼續(xù)工作。

定位卡無線升級的工作時序如圖3。由于升級基站采用無限循環(huán)多次廣播機制發(fā)送升級包數(shù)據(jù)，定位卡只需被動接收升級包數(shù)據(jù)幀。在升級基站覆蓋范圍內(nèi)，定位卡批量升級的并發(fā)數(shù)量不受限制，幾千張定位卡在幾分鐘內(nèi)即可完成無線升級。無線升級過程中，只需上電升級基站，升級基站檢測到軟件版本號需要升級，則發(fā)送升級啟動命令，否則不予回復(fù)。

圖3 定位卡無線升級的工作時序圖Fig.3 Time sequence diagram of the wireless upgrade

5 試驗測試結(jié)果

為了驗證該無線升級方法的有效性和可靠性，進(jìn)行了無線升級測試。無線升級測試布置1 臺電腦、1 個升級基站和500 個定位卡。升級基站的UWB 通道和ZigBee 通道均采用增益為16 dB 的定向天線，天線安置高度約為1.5 m；500 個定位卡與升級基站之間距離約為100 m，放置在地面。

通過電腦將定位卡升級包發(fā)送至升級基站，啟動開始升級，升級軟件自動記錄升級進(jìn)度和時間。為了充分驗證該升級方法，共進(jìn)了10 次試驗，升級時間取最大值，無線升級測試結(jié)果見表1。

表1 無線升級測試結(jié)果Table 1 Wireless upgrade test results

根據(jù)表1 測試結(jié)果，約95%定位卡一次性升級成功，其它定位卡只需等待2 個循環(huán)周期，無線升級時間均小于5 min。

此外，在無線升級過程中，斷電升級基站，定位卡在10 min 后自動復(fù)位，以原始程序繼續(xù)運行工作。因此，該無線升級方法可靠性高，只有在升級包接收完畢且校驗正確后，才進(jìn)行程序升級。如果升級包接收失敗，定位卡仍保留原始程序數(shù)據(jù)、繼續(xù)工作。

6 結(jié) 語

基于廣播方式的無線升級固件程序方法，采用一對多的組網(wǎng)模式和無限循環(huán)多次廣播機制，實現(xiàn)定位卡批量無線升級，有效解決了定位卡軟件升級困難問題。試驗結(jié)果表明：定位卡批量升級的并發(fā)數(shù)量不受限制，在100 m 覆蓋范圍內(nèi)，95%定位卡一次性升級成功，5%定位卡需要等待2 個循環(huán)周期，無線升級時間均小于5 min。而且，無線升級可靠性高，只有在升級包接收完畢且校驗正確后，才進(jìn)行程序升級。如果升級包接收失敗，定位卡仍保留原始程序數(shù)據(jù)、繼續(xù)工作。因此，該方法為數(shù)量較多的定位卡升級固件程序提供了一種快速、可靠和便捷的無線升級途徑。