0 引言
井下人员定位系统是煤矿井下安全避险“六大系统”之一，在人员定位、考勤、日常管理等方面发挥了重要作用。目前，基于RFID(Radio Frequency Identification,射频识别)的井下定位方案应用较多。随着井下射频定位技术的不断发展，定位设备的功能愈加强大和完善，同时定位软件也越来越复杂。通过软件升级，可以修补程序中难以避免的漏洞，满足定位设备的升级换代需求[1-3]。
目前采用较多的矿井定位设备升级方式是ISP(In-System Programming，系统内编程)方式[4]。这种方式的缺点是需要建立物理连接，而矿井定位设备工作环境恶劣，不具备易拆卸、引脚外露的条件。进行软件升级时，需要拆开设备外壳，用编程器升级，过程耗时、耗力且不可靠[5]。而当前主流的嵌入式程序IAP(In Application Programming，应用内编程)升级方式采用文件传输协议实现代码的远程升级[6]，这种方式虽然可以摆脱编程器的束缚，但是同样存在连接缺陷，需要依托串口或以太网作为物理媒介，没有一种针对小型嵌入式设备的可编程无线升级协议，技术存在局限性。针对上述问题，本文提出一种矿井定位设备的无线软件升级方法，采用无线传输的方式替代物理媒介，并通过无线广播传输方式实现矿井定位设备的批量无线IAP升级。
1 无线升级方法总体设计
无线IAP技术的核心在于可通过预留的通信接口对存储App的Flash区域重新烧写，其优势在于不需要使用专用下载器，接口灵活[7-8]。本文参考无线IAP技术的思想编写无线升级Boot程序，通过无线数据传输协议和无线通信接口实现矿井定位设备与无线升级终端设备之间的数据传输。
矿井定位设备和无线升级终端设备之间通过2.4 GHz无线模块通信。升级过程采用一对多的网络模式进行数据交互，即一个无线升级终端设备对应多个矿井定位设备，如图1所示。
图1 一对多网络模式
Fig.1 One-to-many network mode
无线升级终端设备采用单片机+无线芯片+有线串口架构[9-10]，具有双射频模块，分别运行于发送和接收状态。矿井定位设备保持原有单片机+无线芯片的架构不变，软件重新架构，将Flash分为Boot(引导)区、App(应用程序)区、固定存储区三大区域。无线软件升级核心功能模块独立运行于Boot区，实现了一次烧写、多次利用。
一次完整的矿井定位设备无线升级交互流程如图2所示。具体升级步骤如下：① 矿井定位设备发送正常工作报文。② 无线升级终端设备捕获报文，定向发送唤醒命令，使定位设备进入Boot待升级状态，矿井定位设备反馈此次唤醒结果。③ 无线升级终端设备将一个升级文件拆分为若干个独立数据包，并循环广播发送升级数据包；矿井定位设备接收升级数据包后写入Flash，升级完成后跳转，执行正常程序，并反馈升级结果[11-12]。
图2 无线升级交互流程
Fig.2 Wireless upgrade interactive process
2 无线升级方法详细设计
2.1 矿井定位设备
以常用的STM32F103RCT6型单片机为例，Flash存储区共有256 KB，Boot程序和App分别存储于独立的Flash空间内，同时由于单片机没有自带EEPROM存储单元，需要留一段空间存储固定数据。单片机Flash区域划分见表1。Boot程序功能单一，相对较小，分配Flash空间中前20 KB资源；矿井定位设备非数据处理型设备，固定存储区分配Flash空间中后10 KB资源；Flash空间中其余226 KB资源分配给App，运行正常工作程序。
表1 单片机Flash区域划分
Table 1 Flash division of single-chip microcomputer
矿井定位设备软件架构如图3所示。矿井定位设备接收到无线升级握手命令后，将程序指针重置，使其指向Boot区；程序进入无线升级流程，接收升级数据；升级完成后，指针再次跳转，程序进入App区。
2.2 无线升级终端设备
无线升级终端设备包含4个功能模块，如图4所示。① 主控制器模块：选用STM32F103RCT6作为控制核心与外设进行交互，合理调度设备资源，执行相应功能操作。② 双射频模块：选用nRF24L01型2.4 GHz无线射频芯片，因为其本身只能工作于单工通信模式，故采用双射频实现全双工无线通信[13-14]。③ 串口：控制传输窗口，可直接跟计算机通信进行数据上传或下载，也可接入以太网模块进行网络传输和远程控制。④ Flash扩展存储：扩展空间设计，用于存储过往升级文件、操作日志或超大型文件。
图3 矿井定位设备软件架构
Fig.3 Software architecture of mine positioning equipment
图4 无线升级终端设备结构
Fig.4 Structure of wireless update terminal equipment
无线升级终端设备软件架构如图5所示，包括主流程、串口接收中断流程、射频2中断流程3个部分。在主流程中，设置系统时钟，以时间片轮转的模式进行业务处理。串口接收中断流程用于接收上位机发送的升级文件和具体操作命令。射频2中断流程用于接收矿井定位设备的反馈信息。
图5 无线升级终端设备软件架构
Fig.5 Software architecture of wireless update terminal device
执行无线升级程序时，首先通过串口使无线升级终端设备运行于模式0，唤醒其作用范围内的矿井定位设备，使其进入Boot待升级状态；然后通过配置使无线升级终端设备运行于模式1，将升级文件进行拆分和重新组包后循环广播发送；最后，通过配置使无线升级终端设备运行于模式2，统计本次无线升级结果，上报日志信息。
2.3 无线升级协议
矿井定位设备的无线升级方法主要实现三大功能：无线升级终端设备唤醒矿井定位设备，使其进入Boot待升级状态；无线升级终端设备循环发送升级数据包；矿井定位设备上报信息。
矿井定位设备唤醒协议见表2，其中卡号用于匹配触发进入升级模式，产品号用于防止不同设备间误升级，版本号用于识别当前版本程序是否需要升级。唤醒步骤：① 矿井定位设备处于正常工作流程时，上报自身卡号信息。②无线升级终端设备接收到卡号信息，下发16 byte唤醒命令。③ 矿井定位设备接收到唤醒命令，程序跳转到Boot区，等待接收升级数据。
表2 矿井定位设备唤醒协议
Table 2 Wake-up protocol of mine positioning equipment
为使多个矿井定位设备同时接收数据，不进行传输交互，由矿井定位设备进行丢包自检和重新接收。数据传输协议见表3，其中包号表示当前帧数据包的序号，总包号表示此升级文件总大小，升级数据占用16 byte。
表3 数据传输协议
Table 3 Data transport protocol
矿井定位设备信息上报协议见表4。其中芯片码为单片机全球唯一识别码，故障码用于定位故障类型，故障信息用于定位故障位置。无线升级终端设备接收矿井定位设备上报信息(包括升级完成上报信息和升级故障上报信息)后，上传到上位机进行统计，进行无线升级结果分析。
表4 矿井定位设备信息上报协议
Table 4 Information reporting protocol of mine positioning equipment
3 无线升级实验
为了验证矿井定位设备无线升级方法的有效性和可靠性，设计了无线升级实验。实验装置包括1台装有Keil开发环境和USB转串口工具的计算机、1个无线升级终端设备和20个矿井定位设备。因定位设备数量有限，设同等条件下5次为1组进行计算，重点验证无线升级方法成功率和距离的关系。实验参数：① 定位设备数量为5×20。② 升级文件大小为25 KB。③ 传输速度设置为2 KB/s。④ 循环广播时间为120 s。无线升级实验结果见表5。
截取表5中的实验数据，在间隔距离相同条件下，绘制一次成功率与总成功率的对比图，如图6所示。可以看出，在当前测试环境中，总体升级成功率与距离正相关，在10 m范围内成功率较高，符合2.4 GHz射频芯片的传输特性，验证了无线升级方法的可行性。有限的传输距离,一方面是其局限性，另一方面也可以加以利用，如用于小范围或固定区域升级，可防止辐射范围过大。
表5 无线升级实验结果
Table 5 Experimental results of wireless upgrade
图6 无线升级成功率
Fig.6 Success rate of wireless upgrade
4 结论
(1) 矿井定位设备的无线软件升级方法实现了短距离范围内定位设备的无线升级，有效解决了矿井定位设备嵌入式软件升级困难的问题。实验结果表明，该方法的总体升级成功率与距离正相关，在10 m范围内成功率较高。该方法可广泛应用于单片机+无线芯片架构的矿井定位设备，为数量庞大的矿井定位设备的更新换代提供了一种高效便捷的方法。
(2) 对于升级失败问题，当前循环处理显得笨拙，可通过无线传输中的断点续传算法或者一对多双向无线传输方式等提高升级成功率；在实现方式方面，当前的无线升级需要擦除原有程序，下一步可考虑将Flash划出2块App区域，研究矿井定位设备的在线移动升级。
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