CN108712730A - 一种具有定位及无线数据采集功能的传输分站及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有定位及无线数据采集功能的传输分站及方法，属于数据采集技术领域，本发明要解决的技术问题为如何实现矿井井下的多系统融合、如何有效避免人员定位、瓦斯等其他需频繁上报数据通信碰撞，提高通信成功率以及如何消除监控信息传输的局限性，采用的技术方案为：其结构包括硬件系统，硬件系统包括主控制器、副控制器、2.4G RFID模块、485模块、网络模块、CAN模块一、CAN模块二、语音合成模块、显示器、Flash存储模块以及至少一个LoRa模块，主控制器分别通过串口连接副控制器、2.4G RFID模块和语音合成模块；其中，2.4G RFID模块用于采集人员定位设备的信息，实现传输分站的定位功能。本发明还公开了一种具有定位和无线数据采集功能的传输方法。

Description

一种具有定位及无线数据采集功能的传输分站及方法
技术领域
本发明涉及数据采集技术领域，具体地说是一种具有定位及无线数据采集 功能的传输分站及方法。
背景技术
国家煤炭安监局在2016年12月29日印发了《煤矿安全监控系统升级改 造技术方案》，其中对传输数字化、多网多系统融合以及格式规范化方面提出 了新的要求,具体要求如下：
(1)、传输数字化：在分站至中心站数字化传输的基础上，将传感器(模 拟量)至分站升级为数字传输，实现安全监控系统的数字化，促进智能传感器 发展。
(2)、支持多网、多系统融合：实现井下有线和无线传输网络的有机融合、 监测监控与GIS技术的有机融合。多系统的融合可以采用地面方式，也可以采 用井下方式。鼓励新安装的安全监控系统采用井下融合方式。在地面统一平 台上必须融合的系统：环境监测、人员定位、应急广播，如有供电监控系统， 也应融入。其它可考虑融合的系统：视频监测、无线通信、设备监测、车辆监 测等。
(3)、格式规范化：系统主干网应采用工业以太网。分站至主干网之间宜 采用工业以太网，也可采用RS485、CAN、LonWorks、Profibus。模拟量传感器 至分站的有线传输采用工业以太网、RS485、CAN；无线传输采用WaveMesh、 Zigbee、Wi-Fi、RFID。系统改造后支持联网并按要求数据格式上传。
随着改造的工作进一步开展，国内大部分一级标准化矿井都实现了传输数 字化和格式规范化，也基本实现了传感器到分站的数字传输以及分站数据通过 工业以太网上传服务器以及基本所有的矿井采用的系统融合方案都是以地面 方式进行。但是还存在如下技术问题：
(1)、如何实现矿井井下的多系统融合；
(2)、如何有效避免人员定位、瓦斯等其他需频繁上报数据通信碰撞，提 高通信成功率；
(3)、当前移动终端设备在现场必须通过网络访问地面服务器才能获取现 场环境参数和设备信息，在没有以太网、wifi、4G、3G等基于IP的网络时， 没有办法获取实时的监控信息，具有很强的局限性。
发明内容
本发明的技术任务是提供一种具有定位及无线数据采集功能的传输分站 及方法，来解决如何实现矿井井下的多系统融合、如何有效避免人员定位、瓦 斯等其他需频繁上报数据通信碰撞，提高通信成功率以及如何消除监控信息传 输的局限性的问题。
本发明的技术任务是按以下方式实现的，一种具有定位及无线数据采集功 能的传输分站，该传输分站包括硬件系统，硬件系统包括主控制器、副控制器、 2.4G RFID模块、485模块、网络模块、CAN模块一、CAN模块二、语音合成模 块、显示器、Flash存储模块以及至少一个LoRa模块，主控制器分别通过串口 连接副控制器、2.4G RFID模块和语音合成模块；其中，2.4G RFID模块用于 采集人员定位设备的信息，实现传输分站的定位功能；
主控制器通过485总线连接485模块，485模块采用485收发器，485收 发器引出485总线接口，485总线接口用于接入485总线的监控网络中，接收 485收发器下的各种传感器的信息；传感器具体包括氧气传感器、一氧化碳传 感器、甲烷传感器、风速风向传感器、烟雾传感器等其他传感器；
主控制器分别通过SPI连接网络模块、显示器和Flash存储模块；其中， 网络模块通过TCP/IP网络与井上服务器建立通信，进行数据的上传和下载服 务，网络模块引出RJ45网口，RJ45网口通过双绞线连接井下网络交换机使其 接入工业环网；Flash存储模块用于存储定位信息和系统命令；
主控制器分别通过CAN总线连接CAN模块一和CAN模块二；其中，CAN模 块一采用CAN收发器一，CAN模块二采用CAN收发器二，CAN收发器一引出CAN 总线接口一，CAN总线接口一接入CAN总线的监控网络中，接收CAN收发器一 下的各种传感器信息；CAN收发器二引出CAN总线接口二，CAN总线接口二用 于接入CAN总线，通过点对点连接的方式连接采集器，实现LoRa无线覆盖范 围的增加；其中，主控制器内置有CAN控制器一和CAN控制器二；CAN控制器 一连接CAN收发器一，CAN控制器二连接CAN收发器二；
副控制器通过串口连接LoRa模块，LoRa模块和2.4G RFID模块上均设置 有天线；LoRa模块用于搭建LoRa无线传感网络，接收人员定位设备发送的区 域定位信息和精确定位信息。
作为优选，所述硬件系统还包括RTC备用电源和电源模块，主控制器连接 RTC备用电源，RTC备用电源用于保证传输分站的实时时钟持续运行；
电源模块分别电连接主控制器、副控制器、2.4G RFID模块、485收发器、 网络模块、CAN收发器一、CAN收发器二、语音合成模块、显示器和LoRa模块 为其供电。
作为优选，所述LoRa模块设置有七个，七个LoRa模块分配信道0到信道 6七个信道，通过七个信道并通过分频分时的方式增加LoRa无线网络的负载能 力。
更优地，所述语音合成模块包括语音合成芯片、功放芯片和喇叭，主控制 器通过串口连接语音合成芯片，语音合成芯片电连接功放芯片，功放芯片电连 接喇叭，实现2W的外放效果。
更优地，所述硬件系统还包括LED大屏，主控制器通过串口连接LED大屏， 电源模块电连接LED大屏为其供电，LED大屏用于在井口处进行显示。
更优地，所述主控制器和副控制器均采用STM32F407ZET6芯片，LoRa模 块采用成都忆佰特的E32-TTL-100LoRa芯片，2.4G RFID模块采用带功放的读 头芯片，网络模块为以太网模块，以太网模块采用有硬件协议栈的W5500芯片， CAN收发器一和CAN收发器二均采用金升阳的TD321DCANH芯片，485收发器采 用金升阳的TD321D485芯片，显示器采用3.5寸LCD屏幕，语音合成芯片采用 科大讯飞的XFS3031CNP中文语音合成芯片，功放芯片采用LM4990芯片，Flash 存储模块采用容量为128MB的W25Q128BV芯片，RTC备用电源将采用CR2032 纽扣电池，电源模块采用LDO芯片和DC-DC芯片，LDO芯片采用AMS1117-3.3， DC-DC芯片采用LM2596T-5.0/NOPB，电源模块将能满足5-36V宽电压输入，并 采用分模块独立供电的电源供应策略，根据模块的功率情况选择恰当的供电芯 片，DC-DC芯片采用LM2596T-5.0/NOPB(3A供电能力)，LDO芯片采用 AMS1117-3.3(1A供电能力)。
作为优选，该传输分站还包括软件系统，软件系统包括物理层、HAL层或 FWLIB层、中间层、应用层以及用户层；
其中，物理层包括通信接口、RTC(实时时钟)、Flash(闪存)、LCD(屏 幕)和TTS(语音合成模块)；通信接口包括CAN(控制器局域网)、485(485 总线)、2.4GRFID(射频模块)、LoRa(Long Range长距离)以及网口；
HAL层(硬件抽象层)或FWLIB层(固件库)用于对硬件底层的操作，方 便上层的应用和调用，而不需要直接操作硬件；
中间层用于对网络协议栈、数据存储管理以及其他外设功能根据需求进行 配置；
应用层用于对传输分站功能的具体实现；软件系统的应用层中包括边缘计 算单元，通过对采集到的多元数据进行计算，根据计算结果进行控制；边缘计 算单元支持通过网络进行升级，可方便对边缘计算算法进行升级；
用户层用于实现传输分站所有功能的综合调度工作，并实现后台的数据处 理工作。
一种具有定位和无线数据采集功能的传输方法，该传输方法包括如下步 骤：
S1、数据的采集与上传：
S101、2.4G RFID模块通过内部定时器中断实现每隔1S时间发送一次时 间同步信号，待附近的人员定位设备中的2.4G RFID模块收到时间同步信号后， 会采用人员定位设备内随机数发生器产生的1位16进制随机码乘以3作为发 送定位握手信息的时间坐标(单位毫秒)，通过基于时隙的ALOHA防碰撞算法， 传输分站实现并发识别多个(100个左右)人员定位设备，并将定位信息存储 到数据上传缓冲区中，待网络空闲时，将定位信息上传给地面服务器；
S102、主控制器周期性通过485总线接口发送巡检命令，485总线挂载的 设备在规定时间(5秒)内将数据信息上传给传输分站，从而实现一个周期的 监控数据采集，并将这些数据存储到数据上传缓冲区中，待网络空闲时，上传 给地面服务器；
S103、CAN总线接口一接收CAN总线上挂载的设备发送的监控数据，并存 入数据上传缓冲区中，待网络空闲时，上传给地面服务器；
S104、CAN总线接口二通过一对一连接的方式与采集器相连，接收采集器 采集的LoRa无线网络数据，并放入数据上传缓冲区中，待网络空闲时，上传 给地面服务器；
S105、LoRa模块周期性发送时间同步信号，无线网络覆盖下的LoRa终端 设备(人员定位设备和监控设备)收到同步信号后，会根据分配好的时间坐标 码将所需上传的数据通过LoRa发送给LoRa模块，主控制器将这些数据放入数 据上传缓冲区中，待网络空闲时，上传给地面服务器；
S106、网口模块作为客户端(TCP client)与地面服务器的服务器端(TCP server)建立网络连接，并在网络空闲时，将数据上传缓冲区的数据上传到地 面服务器；
S2、命令和数据下发：
S201、从地面服务器下发的命令和数据通过网口模块接收后，缓冲到数据 下发缓冲区中，并在后台进行数据分析，根据不同的报文类型，进行不同的处 理；
S202、根据设备列表，将从服务器下发的控制命令通过485收发器、CAN 收发器一、CAN收发器二和LoRa模块下发到客户端
S3、传输分站接收采集器数据：传输分站接收CAN数据接收时，根据CAN 通信报文中扩展标识符的定义将不同的发送端进行数据合成和处理，加快了采 集器作为CAN中继时的处理速度；
CAN总线技术通过标识符进行数据传输仲裁操作的，根据CAN2.0协议， CAN标识符分为标准标识符和扩展标识符两种，其中标准标识符为11位，扩展 标识符为29位，CAN采用扩展标识符，即采用29位扩展标识符。
29位标识符实现的规划功能包括优先级(3位)、报文类型(3位)、源地 址(5位)、目的地址(5)、报文总数(7)以及报文序号(6)，详细定义如下：
(1)、优先级：在CAN总线中有多个设备同时发送数据时，通过3位优先 级设置信息传输的优先级；
(2)、报文类型：CAN协议中定义了四种帧类型：数据帧、远程帧、错误 帧、过载帧；步骤S3中的报文类型只定义数据帧的情况；在CAN帧类型为远 程帧、错误帧、过载帧时，报文类型为000B；
除000B外，还有7个报文类型进行定义：
①、111B，命令报文，代表的是此报文指的是命令类报文；
②、110B，状态报文，代表的是此报文指的是状态类报文；
③、101B，数据报文，代表的是此报文指的是数据类报文；
④、100B、011B、010B、001B，保留类型；
(3)、源地址：5位最多代表32个地址，传输分站或承担网关类功能的 设备默认地址为00000B，其他设备根据需求进行手动分配，因网络不是很复杂， 不采用动态分配的方式；
(4)、目的地址：与源地址定义一样，5位最多代表32个地址；
注：发送地址和目的都是0时表明是传输分站向网络中发送的广播信 息，所有采集器都要接收处理；
(5)、报文总数：6位实现最多传输64个报文数据的能力，满负荷运转， 一批次可最多传输512字节数据量信息；
(6)、报文序号：5位实现0-63报文序号的标识功能；
引入内存池和内存管理表的概念，因本次CAN协议总共支持设备数位32 位，因此内存块数为32个，通过两位来标识设备编号和状态，第一位表示是 否有此编号设备写入数据，第二位表示是否接收完成，接收完成之后需要进行 下一步处理。总共需要64位，8个字节数据。
传输分站接收到的CAN数据帧中扩展标识符的源设备作为设备ID的编号， 并且每次收到一条数据之后，会将CAN数据帧数据放入内存缓冲区的相应位置， 待接收到的扩展标识符中包总数和包序号相差为1时，则说明接收完成，之后 将整条数据存放到数据缓冲区中，数据按照设备ID+数据长度+数据的格式进行 存储；
S4、传输分站动态管理LoRa无线终端设备(人员定位设备和LoRa监控设 备)进行无线通信，采用信道和时隙坐标(分频分时)的方法，具体步骤如下：
S401、传输分站通过副控制器进行LoRa信道和时隙坐标的分配工作；7 个LoRa模块预先设置好信道和空中速率，空中速率一致，信道分别设置为信 道0、信道1、信道2、信道3、信道4、信道5、信道6；其中，信道0作为信 道和时隙坐标动态分配专用信道，不做数据通信使用，信道1到信道6作为数 据传输专用信道进行数据传输使用；
S402、信道和时隙坐标动态分配；
S403、LoRa数据通信的分配；
S5、经过485总线网络、CAN总线网络以及LoRa无线网络收集的传输分 站下辖区域内风俗、瓦斯、顶板压力、氧气、一氧化碳、风机启停状态、人员 位置、人员数量以及所有与安全生产相关的物联网变量汇集到传输分站中，传 输分站通过人为设定报警阀值以及通过边缘计算实现预警的功能，将数据分析 和报警从服务器端下移到现场，加快了预警的反应速度，同时可以实现在服务 器当机或网络中断时的现场预警功能；
S6、传输分站获取了区域内各种各样的环境参数和设备信息之后，通过人 员定位设备作为LoRa中间件连接到手持终端设备，手持终端设备通过传输分 站自带的LoRa无线传感网路获取区域中的所有环境参数和设备信息，方便的 在手持终端设备上查看附近的环境参数和设备运行状况，而不需要像当前普遍 采用的借助于工业以太网和wifi或4G网络从服务器中获取数据。
作为优选，所述步骤S402中信道和时隙坐标动态分配过程具体如下：
S4021、副控制器通过串口控制信道0的LoRa模块每隔周期为1S的时间 发送一次握手信息，握手信息中包含12个字节16进制有效数据，2个字节显 示一个信道的时隙坐标占用情况，恰好显示6个信道的时隙坐标情况；
S4022、副控制器中有一个信道时隙坐标设备列表，将记录信道1到信道 6共60个时隙坐标的设备接入情况，并加入释放倒计时机制，在30个通信周 期之内没有接收到新的报文信息之后会释放当前的时隙坐标，供其他设备接 入；
S4023、传输分站的副控制器周期性根据信道时隙坐标设备列表生成握手 信息，并通过通道0的LoRa模块发送，LoRa终端设备在收到握手信息后，会 根据随机码发生器产生的随机码选择一个空闲的时隙坐标码，根据时隙坐标码 调整LoRa模块的通道，并在收到数据通信用通道发送的时钟同步信号后延迟 相应的时间后发送一条时隙坐标码确认报文；待传输分站中数据通信用信道接 收到时隙坐标码确认报文后会发送给副控制器，副控制器会更新信道时隙坐标 码列表，并同时通过通信用信道向LoRa终端设备发送一条时隙坐标码分配成 功信息：
①、若LoRa终端设备接收到时隙坐标码分配成功报文，则锁定LoRa时隙 坐标码；
②、若LoRa终端设备未接收到时隙坐标码分配成功报文，则副控制器会 释放当前的信道时隙坐标，恢复到通道0等待状态，等待接收通道0发送的信 道时隙坐标握手信息，重新选择时隙坐标码，一直到锁定时隙坐标码为止；
更优地，所述步骤S403中LoRa数据通信的分配具体如下：
从传输分站来看，将整个LoRa通信过程分为两部分：发送时段和接收时 段；
发送时段：整个信道中只有传输分站发送信息，信息间隔100ms(为了使 LoRa模块能够实现分条发送)；
接收时段：传输分站通过数据通信用信道发送的时钟同步信息开始，之后 1S内处理接收到的数据；
从LoRa终端设备来看，整个通信过程分为三部分：接收信息时段、准备 发送时段以及伺机发送时段；在接收到时钟同步信号后进入准备发送时段(根 据时隙坐标码确定延迟发送时间)。
本发明的具有定位及无线数据采集功能的传输分站及方法与现有技术相 比具有以下优点：
(一)、本发明实现了井下监控过程中多系统的融合，实现了定位和无线 传输与现有有线传输分站的融合以及传输分站与区域内物联网设备边缘计算；
(二)、LoRa模块通过动态分配信道时隙坐标码的方式，实现低带宽下高 负载接入的问题，解决了人员定位、瓦斯等其他需频繁上报数据通信碰撞，导 致通信成功率低的问题；
(三)、本发明通过传输分站中的LoRa模块以及采集器增加的LoRa无线 模块的覆盖，搭建了一个传输网络，借助于人员定位设备上的蓝牙和LoRa模 块，成功与手持终端建立网络连接，现场直接获取环境参数和设备信息；
(四)、本发明的传输分站通过区域接入工业环网的IP设备，实现了区域 的数据上传以及系统命令的下发工作、区域定位功能并将数据及时上传服务 器、井口显示考勤信息的功能并增加设备的复用性、无线数据采集功能并采集 区域中的无线数据信息、数据存储功能并在以太网断网后存储一段时间监控数 据以及后期现场环境参数数据获取工作；
(五)、本发明的内部集成了CAN(控制器局域网)、485(485总线)、 2.4GRFID(射频模块)、LoRa(Long Range长距离)和网口等联网模块，实 现了分站级的矿井井下安全监控系统融合，满足了定位、LoRa无线传感网络与 现有有线监控系统的井下融合需求；
(六)、本发明将现有的通风、瓦斯、顶板压力、锚杆拉力等由于不同的 通信协议的传感器经LoRa模块改造后，通过LoRa无线网络接入到传输分站中， 使传输分站具备接入区域中所有传感器的能力，大大提高了信息传输速度，区 确保能够更加及时的接收到危险信息并及时作出处理；
(七)、本发明立足于传输分站通过485和CAN总线以及LoRa无线收集的 区域环境参数以及人员定位信息，采用边缘计算的思路，基于环境参数的变化 趋势，本地实现预警和报警功能，提高监控系统在与服务器断网时独立智能预 警的能力，同时可以根据本地的判断情况减少传输分站向服务器发送数据的数 量。
附图说明
下面结合附图对本发明进一步说明。
附图1为具有定位及无线数据采集功能的传输分站中硬件系统的的结构框 图；
附图2为具有定位及无线数据采集功能的传输分站中软件系统的结构框 图。
图中：1、主控制器，2、副控制器，3、2.4G RFID模块，4、485收发器，5、以太网模块，6、CAN收发器一，7、CAN收发器二，8、语音合成模块，8-1、 语音合成芯片，8-2、功放芯片，8-3、喇叭，9、显示器，10、Flash存储模块， 11、LoRa模块，12、串口，13、SPI，14、CAN总线，15、485总线接口，16、 RJ45网口，17、CAN总线接口一，18、CAN总线接口二，19、天线，20、RTC 备用电源，21、电源模块，22、LED大屏，23、LDO芯片，24、DC-DC芯片，25、 485总线，26、物理层，27、HAL层或FWLIB层，28、中间层，29、应用层， 30、用户层。
具体实施方式
参照说明书附图和具体实施例对本发明的一种具有定位及无线数据采集 功能的传输分站及方法作以下详细地说明。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、 “右”、“竖直”“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系 为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述。而 不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和 操作，因此不能理解为本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三” 仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安 装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆 卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连接， 也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普 通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例一：
如附图1所示，本发明的具有定位及无线数据采集功能的传输分站,其结 构包括硬件系统，硬件系统包括主控制器1、副控制器2、RTC备用电源20、 电源模块21、LED大屏22、2.4G RFID模块3、485模块、网络模块5、CAN模 块一、CAN模块二、语音合成模块8、显示器9、Flash存储模块10以及七个 LoRa模块11，七个LoRa模块11分配信道0到信道6七个信道，通过七个信 道并通过分频分时的方式增加LoRa无线网络的负载能力。主控制器1分别通 过串口12连接副控制器2、2.4G RFID模块3和语音合成模块8；其中，2.4G RFID 模块3用于采集人员定位设备的信息，实现传输分站的定位功能；主控制器1 通过485总线25连接485模块，485模块采用485收发器4，485收发器4引 出485总线接口15，485总线接口15用于接入485总线的监控网络中，接收485收发器4下的各种传感器的信息，传感器具体包括氧气传感器、一氧化碳 传感器、甲烷传感器、风速风向传感器、烟雾传感器等其他传感器；语音合成模块8包括语音合成芯片8-1、功放芯片8-2和喇叭8-3，主控制器1通过串 口12连接语音合成芯片8-1，语音合成芯片8-1电连接功放芯片8-2，功放芯 片8-2电连接喇叭8-3，实现2W的外放效果。
主控制器1分别通过SPI 13连接网络模块、显示器9和Flash存储模块 10；其中，网络模块通过TCP/IP网络与井上服务器建立通信，进行数据的上 传和下载服务，网络模块引出RJ45网口16，RJ45网口16通过双绞线连接井 下网络交换机使其接入工业环网；Flash存储模块10用于存储定位信息和系统 命令；
主控制器1分别通过CAN总线14连接CAN模块一和CAN模块二；其中， CAN模块一采用CAN收发器一6，CAN模块二采用CAN收发器二7，CAN收发器 一6引出CAN总线接口一17，CAN总线接口一17接入CAN总线14的监控网络 中，接收CAN收发器一17下的各种传感器信息；CAN收发器二7引出CAN总线 接口二18，CAN总线接口二18用于接入CAN总线14，通过点对点连接的方式 连接采集器，实现LoRa无线覆盖范围的增加；其中，主控制器1内置有CAN 控制器一和CAN控制器二；其中，CAN控制器一连接CAN收发器一6，CAN控制 器二连接CAN收发器二7。
副控制器2通过串口12连接LoRa模块11，LoRa模块11和2.4G RFID模 块3上均安装有天线19；LoRa模块11用于搭建LoRa无线传感网络，接收人 员定位设备发送的区域定位信息和精确定位信息。
主控制器1连接RTC备用电源20，RTC备用电源20用于保证传输分站的 实时时钟持续运行；电源模块21分别电连接主控制器1、副控制器2、2.4G RFID 模块3、485收发器4、网络模块、CAN收发器一6、CAN收发器二7、语音合成 模块8、显示器9和LoRa模块10为其供电。
主控制器1通过串口12连接LED大屏22，电源模块21电连接LED大屏 22为其供电，LED大屏22用于在井口处进行显示。
主控制器1和副控制器2均采用STM32F407ZET6芯片，LoRa模块11采用 成都忆佰特的E32-TTL-100LoRa芯片，2.4G RFID模块3采用带功放的读头芯 片，网络模块为以太网模块5，以太网模块5采用有硬件协议栈的W5500芯片， CAN收发器一6和CAN收发器二7均采用金升阳的TD321DCANH芯片，485收 发器4选择金升阳的TD321D485芯片，显示器9采用3.5寸LCD屏幕，语音合 成芯片8-1采用科大讯飞的XFS3031CNP中文语音合成芯片，功放芯片8-2采 用LM4990芯片，Flash存储模块10采用容量为128MB的W25Q128BV芯片，RT C备用电源20将采用CR2032纽扣电池，电源模块21采用LDO芯片23和DC-D C芯片24，LDO芯片23采用AMS1117-3.3，DC-DC芯片24采用LM2596T-5.0/N OPB，电源模块21将能满足5-36V宽电压输入，并采用分模块独立供电的电源 供应策略，根据模块的功率情况选择恰当的供电芯片，DC-DC芯片24采用LM2 596T-5.0/NOPB(3A供电能力)，LDO芯片23采用AMS1117-3.3(1A供电能力)。
如附图2所示，该传输分站还包括软件系统，软件系统包括物理层26、 HAL层或FWLIB层27、中间层28、应用层29以及用户层30；其中，物理层26 包括通信接口、RTC(实时时钟)、Flash(闪存)、LCD(屏幕)和TTS(语音合 成模块)；通信接口包括CAN(控制器局域网)、485(485总线)、2.4GRFID(射 频模块)、LoRa(Long Range长距离)以及网口；HAL层(硬件抽象层)或 FWLIB层(固件库)27用于对硬件底层的操作，方便上层的应用和调用，而不 需要直接操作硬件；中间层28用于对网络协议栈、数据存储管理以及其他外 设功能根据需求进行配置；应用层29用于对传输分站功能的具体实现；软件 系统的应用层29中包括边缘计算单元，通过对采集到的多元数据进行计算， 根据计算结果进行控制；边缘计算单元支持通过网络进行升级，可方便对边缘 计算算法进行升级；用户层30用于实现传输分站所有功能的综合调度工作， 并实现后台的数据处理工作。
实施例2：
本发明的具有定位和无线数据采集功能的传输方法，该传输方法包括如下 步骤：
S1、数据的采集与上传：
S101、2.4G RFID模块3通过内部定时器中断实现每隔1S时间发送一次 时间同步信号，待附近的人员定位设备中的2.4G RFID模块收到时间同步信号 后，会采用人员定位设备内随机数发生器产生的1位16进制随机码乘以3作 为发送定位握手信息的时间坐标(单位毫秒)，通过基于时隙的ALOHA防碰撞 算法，传输分站实现并发识别多个(100个左右)人员定位设备，并将定位信 息存储到数据上传缓冲区中，待网络空闲时，将定位信息上传给地面服务器；
S102、主控制器1周期性通过485总线接口15发送巡检命令，485总线 25挂载的设备在规定时间(5秒)内将数据信息上传给传输分站，从而实现一 个周期的监控数据采集，并将这些数据存储到数据上传缓冲区中，待网络空闲 时，上传给地面服务器；
S103、CAN总线接口一17接收CAN总线14上挂载的设备发送的监控数据， 并存入数据上传缓冲区中，待网络空闲时，上传给地面服务器；
S104、CAN总线接口二18通过一对一连接的方式与采集器相连，接收采 集器采集的LoRa无线网络数据，并放入数据上传缓冲区中，待网络空闲时， 上传给地面服务器；
S105、LoRa模块11周期性发送时间同步信号，无线网络覆盖下的LoRa 终端设备(人员定位设备和监控设备)收到同步信号后，会根据分配好的时间 坐标码将所需上传的数据通过LoRa发送给LoRa模块，主控制器将这些数据放 入数据上传缓冲区中，待网络空闲时，上传给地面服务器；
S106、网口模块作为客户端(TCP client)与地面服务器的服务器端(TCP server)建立网络连接，并在网络空闲时，将数据上传缓冲区的数据上传到地 面服务器；
S2、命令和数据下发：
S201、从地面服务器下发的命令和数据通过网口模块接收后，缓冲到数据 下发缓冲区中，并在后台进行数据分析，根据不同的报文类型，进行不同的处 理；
S202、根据设备列表，将从服务器下发的控制命令通过485收发器4、CAN 收发器一6、CAN收发器二7和LoRa模块11下发到客户端
S3、传输分站接收采集器数据：传输分站接收CAN数据接收时，根据CAN 通信报文中扩展标识符的定义将不同的发送端进行数据合成和处理，加快了采 集器作为CAN中继时的处理速度。
CAN通讯应用层协议定义：
CAN数据帧定义：
CAN总线技术通过标识符进行数据传输仲裁操作的，根据CAN2.0协议， CAN标识符分为标准标识符和扩展标识符两种，其中标准标识符为11位，扩展 标识符为29位，CAN采用扩展标识符，即采用29位扩展标识符。
29位标识符实现的规划功能包括优先级(3位)、报文类型(3位)、源地 址(5位)、目的地址(5)、报文总数(7)以及报文序号(6)，详细定义如下：
(1)、优先级：在CAN总线中有多个设备同时发送数据时，通过3位优先 级设置信息传输的优先级；
(2)、报文类型：CAN协议中定义了四种帧类型：数据帧、远程帧、错误 帧、过载帧；步骤S3中的报文类型只定义数据帧的情况；在CAN帧类型为远 程帧、错误帧、过载帧时，报文类型为000B；
除000B外，还有7个报文类型进行定义：
①、111B，命令报文，代表的是此报文指的是命令类报文；
②、110B，状态报文，代表的是此报文指的是状态类报文；
③、101B，数据报文，代表的是此报文指的是数据类报文；
④、100B、011B、010B、001B，保留类型；
(3)、源地址：5位最多代表32个地址，传输分站或承担网关类功能的 设备默认地址为00000B，其他设备根据需求进行手动分配，因网络不是很复杂， 不采用动态分配的方式；
(4)、目的地址：与源地址定义一样，5位最多代表32个地址；
注：发送地址和目的都是0时表明是传输分站向网络中发送的广播信 息，所有采集器都要接收处理；
(5)、报文总数：6位实现最多传输64个报文数据的能力，满负荷运转， 一批次可最多传输512字节数据量信息；
(6)、报文序号：5位实现0-63报文序号的标识功能；
引入内存池和内存管理表的概念，因本次CAN协议总共支持设备数位32 位，因此内存块数为32个，通过两位来标识设备编号和状态，第一位表示是 否有此编号设备写入数据，第二位表示是否接收完成，接收完成之后需要进行 下一步处理。总共需要64位，8个字节数据，如下表所示：
传输分站接收到的CAN数据帧中扩展标识符的源设备作为设备ID的编号， 并且每次收到一条数据之后，会将CAN数据帧数据放入内存缓冲区的相应位置， 待接收到的扩展标识符中包总数和包序号相差为1时，则说明接收完成，之后 将整条数据存放到数据缓冲区中，数据按照设备ID+数据长度+数据的格式进行 存储。
S4、传输分站动态管理LoRa无线终端设备(人员定位设备和LoRa监控设 备)进行无线通信，采用信道和时隙坐标(分频分时)的方法，具体步骤如下：
S401、传输分站通过副控制器进行LoRa信道和时隙坐标的分配工作；7 个LoRa模块11预先设置好信道和空中速率，空中速率一致，信道分别设置为 信道0、信道1、信道2、信道3、信道4、信道5、信道6；其中，信道0作为 信道和时隙坐标动态分配专用信道，不做数据通信使用，信道1到信道6作为 数据传输专用信道进行数据传输使用；
S402、信道和时隙坐标动态分配过程具体如下：
S4021、副控制器1通过串口控制信道0的LoRa模块11每隔周期为1S的 时间发送一次握手信息，握手信息中包含12个字节16进制有效数据，2个字 节显示一个信道的时隙坐标占用情况，恰好显示6个信道的时隙坐标情况；
2个字节十六进制定义情况如下：
12字节16进制数据定义情况如下表所示：
S4022、副控制器2中有一个信道时隙坐标设备列表，将记录信道1到信 道6共60个时隙坐标的设备接入情况，并加入释放倒计时机制，在30个通信 周期之内没有接收到新的报文信息之后会释放当前的时隙坐标，供其他设备接 入；
信道时隙坐标设备列表如下表所示：
LoRa终端设备中也会有一个类似的释放信道时隙坐标码的机制，这种机 制是针对移动设备例如人员定位设备特别设置的，随着设备的移动，会逐渐移 动出传输分站的覆盖范围，若在10个周期内没有搜到传输分站的数据通信信 道(信道1-6)发送时钟同步信号，则LoRa终端设备将释放当前的信道时隙坐 标，恢复到信道0等待状态，等待接收另一个传输分站通道0发送的信道时隙 坐标握手信息，重新建立连接。对于传输分站和采集器信号重合覆盖的地方， LoRa终端在收到另一个设备的数据通信信道的时间同步信号后，会首先计数， 收到一次计数一次，若计数达到5次，或当前连接设备的时间同步信号中断后， 释放当前的信道时隙坐标，恢复到通道0等待状态，等待接收另一个传输分站 通道0发送的通道时隙坐标握手信息，重新建立连接。
S4023、传输分站的副控制器2周期性根据信道时隙坐标设备列表生成握 手信息，并通过通道0的LoRa模块11发送，LoRa终端设备在收到握手信息后， 会根据随机码发生器产生的随机码选择一个空闲的时隙坐标码，根据时隙坐标 码调整LoRa模块的通道，并在收到数据通信用通道发送的时钟同步信号后延 迟相应的时间后发送一条时隙坐标码确认报文；待传输分站中数据通信用信道 接收到时隙坐标码确认报文后会发送给副控制器，副控制器会更新信道时隙坐 标码列表，并同时通过通信用信道向LoRa终端设备发送一条时隙坐标码分配 成功信息：
①、若LoRa终端设备接收到时隙坐标码分配成功报文，则锁定LoRa时隙 坐标码；
②、若LoRa终端设备未接收到时隙坐标码分配成功报文，则副控制器会 释放当前的信道时隙坐标，恢复到通道0等待状态，等待接收通道0发送的信 道时隙坐标握手信息，重新选择时隙坐标码，一直到锁定时隙坐标码为止；
S403、LoRa数据通信的分配具体如下：
从传输分站来看，将整个LoRa通信过程分为两部分：发送时段和接收时 段；
发送时段：整个信道中只有传输分站发送信息，信息间隔100ms(为了使 LoRa模块能够实现分条发送)；
接收时段：传输分站通过数据通信用信道发送的时钟同步信息开始，之后 1S内处理接收到的数据；
从LoRa终端设备来看，整个通信过程分为三部分：接收信息时段、准备 发送时段以及伺机发送时段；在接收到时钟同步信号后进入准备发送时段(根 据时隙坐标码确定延迟发送时间)。
S5、经过485总线网络、CAN总线网络以及LoRa无线网络收集的传输分 站下辖区域内风俗、瓦斯、顶板压力、氧气、一氧化碳、风机启停状态、人员 位置、人员数量以及所有与安全生产相关的物联网变量汇集到传输分站中，传 输分站通过人为设定报警阀值以及通过边缘计算实现预警的功能，将数据分析 和报警从服务器端下移到现场，加快了预警的反应速度，同时可以实现在服务 器当机或网络中断时的现场预警功能；其中，边缘计算是指在靠近物或数据源 头的一侧，采用网络、计算、存储、应用核心能力为一体的开放平台，就近提 供最近端服务。其应用程序在边缘侧发起，产生更快的网络服务响应，满足行 业在实时业务、应用智能、安全与隐私保护等方面的基本需求。边缘计算处于 物理实体和工业连接之间，或处于物理实体的顶端。而云端计算，仍然可以访 问边缘计算的历史数据。
S6、传输分站获取了区域内各种各样的环境参数和设备信息之后，通过人 员定位设备作为LoRa中间件连接到手持终端设备，手持终端设备通过传输分 站自带的LoRa无线传感网路获取区域中的所有环境参数和设备信息，方便的 在手持终端设备上查看附近的环境参数和设备运行状况，而不需要像当前普遍 采用的借助于工业以太网和wifi或4G网络从服务器中获取数据。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其 限制；尽快参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术 人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者 对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相 应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种具有定位及无线数据采集功能的传输分站，其特征在于，该传输分站包括硬件系统，硬件系统包括主控制器、副控制器、2.4G RFID模块、485模块、网络模块、CAN模块一、CAN模块二、语音合成模块、显示器、Flash存储模块以及至少一个LoRa模块，主控制器分别通过串口连接副控制器、2.4G RFID模块和语音合成模块；其中，2.4G RFID模块用于采集人员定位设备的信息，实现传输分站的定位功能；
主控制器通过485总线连接485模块，485模块采用485收发器，485收发器引出485总线接口，485总线接口用于接入485总线的监控网络中，接收485收发器下的各种传感器的信息；
主控制器分别通过SPI连接网络模块、显示器和Flash存储模块；其中，网络模块通过TCP/IP网络与井上服务器建立通信，进行数据的上传和下载服务，网络模块引出RJ45网口，RJ45网口通过双绞线连接井下网络交换机使其接入工业环网；Flash存储模块用于存储定位信息和系统命令；
主控制器分别通过CAN总线连接CAN模块一和CAN模块二；其中，CAN模块一采用CAN收发器一，CAN模块二采用CAN收发器二，CAN收发器一引出CAN总线接口一，CAN总线接口一接入CAN总线的监控网络中，接收CAN收发器一下的各种传感器信息；CAN收发器二引出CAN总线接口二，CAN总线接口二用于接入CAN总线，通过点对点连接的方式连接采集器，实现LoRa无线覆盖范围的增加；
副控制器通过串口连接LoRa模块，LoRa模块和2.4G RFID模块上均设置有天线；LoRa模块用于搭建LoRa无线传感网络，接收人员定位设备发送的区域定位信息和精确定位信息。
2.根据权利要求1所述的具有定位及无线数据采集功能的传输分站，其特征在于，所述硬件系统还包括RTC备用电源和电源模块，主控制器连接RTC备用电源，RTC备用电源用于保证传输分站的实时时钟持续运行；
电源模块分别电连接主控制器、副控制器、2.4G RFID模块、485收发器、网络模块、CAN收发器一、CAN收发器二、语音合成模块、显示器和LoRa模块为其供电。
3.根据权利要求1或2所述的具有定位及无线数据采集功能的传输分站，其特征在于，所述LoRa模块设置有七个，七个LoRa模块分配信道0到信道6七个信道，通过七个信道并通过分频分时的方式增加LoRa无线网络的负载能力，搭建LoRa无线传感网络，接收人员调度定位终端发送的区域定位信息和精确定位信息。
4.根据权利要求3所述的具有定位及无线数据采集功能的传输分站，其特征在于，所述语音合成模块包括语音合成芯片、功放芯片和喇叭，主控制器通过串口连接语音合成芯片，语音合成芯片电连接功放芯片，功放芯片电连接喇叭。
5.根据权利要求4所述的具有定位及无线数据采集功能的传输分站，其特征在于，所述硬件系统还包括LED大屏，主控制器通过串口连接LED大屏，电源模块电连接LED大屏为其供电，LED大屏用于在井口处进行显示。
6.根据权利要求5所述的具有定位及无线数据采集功能的传输分站，其特征在于，所述主控制器和副控制器均采用STM32F407ZET6芯片，LoRa模块采用E32-TTL-100 LoRa芯片，2.4G RFID模块采用带功放的读头芯片，网络模块为以太网模块，以太网模块采用有硬件协议栈的W5500芯片， CAN收发器一和CAN收发器二均采用TD321DCANH芯片，485收发器采用TD321D485芯片，显示器采用3.5寸LCD屏幕，语音合成芯片采用XFS3031CNP 中文语音合成芯片，功放芯片采用LM4990芯片，Flash存储模块采用容量为128MB的W25Q128BV芯片，RTC备用电源将采用CR2032纽扣电池，电源模块采用LDO芯片和DC-DC芯片，LDO芯片采用AMS1117-3.3，DC-DC芯片采用LM2596T-5.0/NOPB。
7.根据权利要求1所述的具有定位及无线数据采集功能的传输分站，其特征在于，该传输分站还包括软件系统，软件系统包括物理层、HAL层或FWLIB层、中间层、应用层以及用户层；
其中，物理层包括通信接口、RTC、Flash、LCD和TTS；通信接口包括CAN、485、2.4GRFID、LoRa以及网口；
HAL层（硬件抽象层）或FWLIB层（固件库）用于对硬件底层的操作，方便上层的应用和调用；
中间层用于对网络协议栈、数据存储管理以及其他外设功能根据需求进行配置；
应用层用于对传输分站功能的具体实现；软件系统的应用层中包括边缘计算单元，通过对采集到的多元数据进行计算，根据计算结果进行控制；边缘计算单元支持通过网络进行升级，可方便对边缘计算算法进行升级；
用户层用于实现传输分站所有功能的综合调度工作，并实现后台的数据处理工作。
8.一种具有定位和无线数据采集功能的传输方法，其特征在于，该传输方法包括如下步骤：
S1、数据的采集与上传：
S101、2.4G RFID模块通过内部定时器中断实现每隔1S时间发送一次时间同步信号，待附近的人员定位设备中的2.4G RFID模块收到时间同步信号后，会采用人员定位设备内随机数发生器产生的1位16进制随机码乘以3作为发送定位握手信息的时间坐标，通过基于时隙的ALOHA防碰撞算法，传输分站实现并发识别多个（100个左右）人员定位设备，并将定位信息存储到数据上传缓冲区中，待网络空闲时，将定位信息上传给地面服务器；
S102、主控制器周期性通过485总线接口发送巡检命令，485总线挂载的设备在规定时间内将数据信息上传给传输分站，从而实现一个周期的监控数据采集，并将这些数据存储到数据上传缓冲区中，待网络空闲时，上传给地面服务器；
S103、CAN总线接口一接收CAN总线上挂载的设备发送的监控数据，并存入数据上传缓冲区中，待网络空闲时，上传给地面服务器；
S104、CAN总线接口二通过一对一连接的方式与采集器相连，接收采集器采集的LoRa无线网络数据，并放入数据上传缓冲区中，待网络空闲时，上传给地面服务器；
S105、LoRa模块周期性发送时间同步信号，无线网络覆盖下的LoRa终端设备（人员定位设备和监控设备）收到同步信号后，会根据分配好的时间坐标码将所需上传的数据通过LoRa发送给LoRa模块，主控制器将这些数据放入数据上传缓冲区中，待网络空闲时，上传给地面服务器；
S106、网口模块作为客户端与地面服务器的服务器端（TCP server）建立网络连接，并在网络空闲时，将数据上传缓冲区的数据上传到地面服务器；
S2、命令和数据下发：
S201、从地面服务器下发的命令和数据通过网口模块接收后，缓冲到数据下发缓冲区中，并在后台进行数据分析，根据不同的报文类型，进行不同的处理；
S202、根据设备列表，将从服务器下发的控制命令通过485收发器、CAN收发器一、CAN收发器二和LoRa模块下发到客户端
S3、传输分站接收采集器数据：传输分站接收CAN数据接收时，根据CAN通信报文中扩展标识符的定义将不同的发送端进行数据合成和处理，加快了采集器作为CAN中继时的处理速度；
S4、传输分站动态管理LoRa无线终端设备进行无线通信，采用信道和时隙坐标的方法，具体步骤如下：
S401、传输分站通过副控制器进行LoRa信道和时隙坐标的分配工作；7个LoRa模块预先设置好信道和空中速率，空中速率一致，信道分别设置为信道0、信道1、信道2、信道3、信道4、信道5、信道6；其中，信道0作为信道和时隙坐标动态分配专用信道，信道1到信道6作为数据传输专用信道进行数据传输使用；
S402、信道和时隙坐标动态分配；
S403、LoRa数据通信的分配；
S5、经过485总线网络、CAN总线网络以及LoRa无线网络收集的传输分站下辖区域内风俗、瓦斯、顶板压力、氧气、一氧化碳、风机启停状态、人员位置、人员数量以及所有与安全生产相关的物联网变量汇集到传输分站中，传输分站通过人为设定报警阀值以及通过边缘计算实现预警的功能，将数据分析和报警从服务器端下移到现场，加快了预警的反应速度，同时可以实现在服务器当机或网络中断时的现场预警功能；
S6、传输分站获取了区域内各种各样的环境参数和设备信息之后，通过人员定位设备作为LoRa中间件连接到手持终端设备，手持终端设备通过传输分站自带的LoRa无线传感网路获取区域中的所有环境参数和设备信息，方便的在手持终端设备上查看附近的环境参数和设备运行状况。
9.根据权利要求8所述的具有定位和无线数据采集功能的传输方法，其特征在于，所述步骤S402中信道和时隙坐标动态分配过程具体如下：
S4021、副控制器通过串口控制信道0的LoRa模块每隔周期为1S的时间发送一次握手信息，握手信息中包含12个字节16进制有效数据，2 个字节显示一个信道的时隙坐标占用情况，恰好显示6个信道的时隙坐标情况；
S4022、副控制器中有一个信道时隙坐标设备列表，将记录信道1到信道6共60个时隙坐标的设备接入情况，并加入释放倒计时机制，在30个通信周期之内没有接收到新的报文信息之后会释放当前的时隙坐标，供其他设备接入；
S4023、传输分站的副控制器周期性根据信道时隙坐标设备列表生成握手信息，并通过通道0的LoRa模块发送，LoRa终端设备在收到握手信息后，会根据随机码发生器产生的随机码选择一个空闲的时隙坐标码，根据时隙坐标码调整LoRa模块的通道，并在收到数据通信用通道发送的时钟同步信号后延迟相应的时间后发送一条时隙坐标码确认报文；待传输分站中数据通信用信道接收到时隙坐标码确认报文后会发送给副控制器，副控制器会更新信道时隙坐标码列表，并同时通过通信用信道向LoRa终端设备发送一条时隙坐标码分配成功信息：
若LoRa终端设备接收到时隙坐标码分配成功报文，则锁定LoRa时隙坐标码；
②、若LoRa终端设备未接收到时隙坐标码分配成功报文，则副控制器会释放当前的信道时隙坐标，恢复到通道0等待状态，等待接收通道0发送的信道时隙坐标握手信息，重新选择时隙坐标码，一直到锁定时隙坐标码为止。
10.根据权利要求8或9所述的具有定位和无线数据采集功能的传输方法，其特征在于，所述步骤S403中LoRa数据通信的分配具体如下：
从传输分站来看，将整个LoRa通信过程分为两部分：发送时段和接收时段；
发送时段：整个信道中只有传输分站发送信息，信息间隔100ms；
接收时段：传输分站通过数据通信用信道发送的时钟同步信息开始，之后1S内处理接收到的数据；
从LoRa终端设备来看，整个通信过程分为三部分：接收信息时段、准备发送时段以及伺机发送时段；在接收到时钟同步信号后进入准备发送时段。
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Denomination of invention: A transmission substation and method with positioning and wireless data acquisition functions

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Pledgee: Huaxia Bank Co.,Ltd. Jinan Branch

Pledgor: SHANDONG JINGCHENG ELECTRONIC SCIENCE AND TECHNOLOGY CO.,LTD.

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