淺談基于北斗衛(wèi)星的預(yù)警信息接收終端設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

周運(yùn)麗等

摘 要：近年來(lái)，由于極端天氣事件的頻繁發(fā)生，對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人們的生命財(cái)產(chǎn)安全造成了嚴(yán)重的影響。基于北斗衛(wèi)星的多功能預(yù)警信息接收終端可不受地面移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的影響。因此，利用我國(guó)自主研發(fā)的北斗通信導(dǎo)航系統(tǒng)可接收預(yù)警信息，并通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)將設(shè)備的工作情況傳至預(yù)警信息發(fā)布中心，可有效解決預(yù)警信息“最后1 km”傳輸?shù)膯?wèn)題，從而提高我國(guó)的預(yù)警信息發(fā)布和接收的能力。

關(guān)鍵詞：北斗衛(wèi)星；預(yù)警信息；極端天氣；GPRS

中圖分類(lèi)號(hào)：TN967.1；TP311.52 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.03.010

目前，我國(guó)主要通過(guò)手機(jī)短信、電話(huà)、電視插播、GPRS、電臺(tái)等手段進(jìn)行信息的發(fā)布和接收。但對(duì)于山區(qū)和邊遠(yuǎn)地區(qū)而言，仍然存在較多的蜂窩盲區(qū)和蜂窩臨界區(qū)，在這些地區(qū)采用常規(guī)的通信手段是無(wú)法進(jìn)行通信的，且常規(guī)通信方式比較依賴(lài)基站。如果基站出現(xiàn)問(wèn)題，則該地區(qū)的信號(hào)會(huì)全部消失，進(jìn)而無(wú)法接收預(yù)警信息。因此，在工作實(shí)踐中，這些傳輸方式具有很大的局限性。

本文主要研究基于北斗衛(wèi)星的預(yù)警信息接收終端的關(guān)鍵技術(shù)，包括使用北斗衛(wèi)星的短報(bào)文功能發(fā)布和接收預(yù)警信息、提高預(yù)警信息發(fā)布的時(shí)效性，從而消除預(yù)警信息發(fā)布的“盲區(qū)”。針對(duì)上述關(guān)鍵技術(shù)，本文進(jìn)行了相關(guān)硬件的設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，規(guī)劃了基于北斗衛(wèi)星的預(yù)警信息接收終端的組成框架，并搭建了終端硬件測(cè)試平臺(tái)。

1 預(yù)警信息接收終端的硬件電路設(shè)計(jì)

北斗衛(wèi)星預(yù)警信息接收終端是整個(gè)北斗預(yù)警信息傳輸和發(fā)布系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)北斗發(fā)布系統(tǒng)）的重要組成部分。目前，該系統(tǒng)已經(jīng)在山西運(yùn)城市氣象局建成并投入使用。該系統(tǒng)將依托各級(jí)氣象部門(mén)現(xiàn)有的業(yè)務(wù)系統(tǒng)，建立省、市、縣突發(fā)公共事件北斗預(yù)警信息發(fā)布中心（以下簡(jiǎn)稱(chēng)北斗發(fā)布中心）和覆蓋全省的鄉(xiāng)、村北斗預(yù)警信息接收終端，從而為省市縣各級(jí)、各部門(mén)提供預(yù)警信息發(fā)布服務(wù)。

1.1 北斗發(fā)布實(shí)現(xiàn)框圖和特點(diǎn)

北斗發(fā)布系統(tǒng)由北斗預(yù)警信息發(fā)布中心和北斗預(yù)警信息接收終端組成，采用北斗+GPRS（無(wú)線網(wǎng)絡(luò)）兩種通信手段相結(jié)合的方式進(jìn)行預(yù)警信息的發(fā)布和管理。預(yù)警信息接收終端以文字和語(yǔ)音的方式直接傳遞給受影響的社會(huì)公眾。預(yù)警信息發(fā)布原理框圖如圖1所示。

北斗發(fā)布系統(tǒng)有以下5個(gè)特點(diǎn)：①北斗發(fā)布中心通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接至預(yù)警信息管理中心，統(tǒng)一接收、發(fā)布自然災(zāi)害、事故災(zāi)難、公共衛(wèi)生事件和社會(huì)安全事件四大類(lèi)突發(fā)公共事件信息，信息發(fā)布準(zhǔn)確、可靠。②北斗發(fā)布中心充分利用了北斗短報(bào)文通信的優(yōu)勢(shì)，以北斗通信發(fā)布預(yù)警信息為主，以GPRS為輔，達(dá)到了信息發(fā)布及時(shí)、覆蓋全面的目的。③發(fā)布中心可實(shí)現(xiàn)同時(shí)向多個(gè)不同區(qū)域群發(fā)預(yù)警信息的功能，這不僅提高了發(fā)送頻度，縮短了發(fā)送時(shí)間，還進(jìn)一步提高了信息發(fā)布的時(shí)效性。此外，還能在最短的時(shí)間內(nèi)向特定區(qū)域、部門(mén)、人群發(fā)布預(yù)警信息，便于有關(guān)部門(mén)和社會(huì)公眾及時(shí)獲取預(yù)警信息、采取相應(yīng)的防災(zāi)抗災(zāi)措施，從而最大限度地保障人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全。④預(yù)警信息接收終端具有北斗短報(bào)文接收功能，在收到北斗預(yù)警信息后，將以文字和語(yǔ)音的方式播報(bào)預(yù)警信息。⑤預(yù)警信息接收終端收錄了省、市、區(qū)和縣的通播地址，可同時(shí)接收省、市、區(qū)和縣預(yù)警信息發(fā)布中心發(fā)布的信息。

1.2 北斗發(fā)布系統(tǒng)架構(gòu)

省北斗發(fā)布系統(tǒng)由省、市、縣北斗發(fā)布中心和鄉(xiāng)、村預(yù)警接收終端（LED顯示屏和大喇叭）構(gòu)成。省、市、縣各級(jí)發(fā)布系統(tǒng)既可相互獨(dú)立工作，發(fā)布本區(qū)域的預(yù)警信息，又可通過(guò)北斗、GPRS和網(wǎng)絡(luò)等通信手段，實(shí)現(xiàn)省、市、區(qū)、縣發(fā)布中心信息互通；接收并轉(zhuǎn)發(fā)上級(jí)預(yù)警中心發(fā)出的預(yù)警信息，及時(shí)上報(bào)災(zāi)情信息，為突發(fā)公共事件的應(yīng)急處理、社會(huì)防災(zāi)減災(zāi)、保護(hù)人民的生命財(cái)產(chǎn)安全提供科技支撐和決策依據(jù)。北斗預(yù)警信息發(fā)布系統(tǒng)框圖如圖2所示。

1.3 北斗衛(wèi)星預(yù)警信息接收終端架構(gòu)

北斗衛(wèi)星預(yù)警信息接收終端作為預(yù)警信息發(fā)布的載體，直接面向社會(huì)服務(wù)，接收終端的性能直接關(guān)系著整個(gè)預(yù)警信息發(fā)布系統(tǒng)的服務(wù)質(zhì)量。在農(nóng)村地區(qū)，為了確保預(yù)警信息能及時(shí)、準(zhǔn)確地通知到每個(gè)人，采用了大喇叭、廣播等方式。因此，本文所研究的預(yù)警信息接收終端正是基于大功率音頻設(shè)備設(shè)計(jì)的。預(yù)警信息接收終端的架構(gòu)如圖3所示。

1.4 北斗衛(wèi)星預(yù)警信息接收終端電路

北斗衛(wèi)星預(yù)警信息接收終端內(nèi)部主要是由電源、主控制模塊、功能模塊等組成，外部由北斗天線、GPRS天線、數(shù)據(jù)線和220 V電源線組成。本文設(shè)計(jì)的預(yù)警信息接收終端組成框圖如圖4所示。

圖4中，控制模塊是整個(gè)預(yù)警信息接收終端中的核心部分，本文在設(shè)計(jì)中采用了模塊化功能處理。控制模塊主要由接收單元、控制單元、音頻轉(zhuǎn)換單元和供電單元等組成，具體如圖5所示。

2 預(yù)警信息接收終端軟件的設(shè)計(jì)

北斗衛(wèi)星預(yù)警信息接收終端是整個(gè)北斗衛(wèi)星預(yù)警信息發(fā)布系統(tǒng)的組成部分之一。在具體使用中，需要與北斗預(yù)警信息發(fā)布平臺(tái)配合使用。

2.1 北斗預(yù)警信息發(fā)布平臺(tái)

北斗預(yù)警信息發(fā)布系統(tǒng)平臺(tái)軟件采用多文檔界面方式，系統(tǒng)主界面為預(yù)警信息發(fā)布界面（如圖6所示），具有信息編輯、預(yù)覽、發(fā)布和接收等功能，以及為用戶(hù)提供系統(tǒng)導(dǎo)航、子窗體界面相互切換等功能；系統(tǒng)的其他應(yīng)用子系統(tǒng)作為子窗體，可為用戶(hù)提供相關(guān)主題的查詢(xún)、管理等功能。發(fā)布平臺(tái)具有GIS地圖顯示界面，可在GIS地圖上直觀顯示和監(jiān)控系統(tǒng)終端的位置、預(yù)警信息的接收情況，并根據(jù)發(fā)布中心的位置和發(fā)布區(qū)域的情況加載相應(yīng)的GIS地圖。

2.1.1 發(fā)布信息審查功能

信息需經(jīng)過(guò)相關(guān)領(lǐng)導(dǎo)的審批才可對(duì)外發(fā)布。

2.1.2 選擇發(fā)送信息功能

平臺(tái)按行政區(qū)分組終端，可根據(jù)需要選擇特定的終端發(fā)送信息，并通過(guò)地圖或樹(shù)狀區(qū)域選擇對(duì)不同區(qū)域的群發(fā)和定點(diǎn)發(fā)布的功能。在圖7中，藍(lán)色圖標(biāo)為被選中發(fā)布區(qū)域。

2.1.3 接收預(yù)警信息功能

平臺(tái)可根據(jù)終端的行政區(qū)級(jí)別接收來(lái)自終端所發(fā)送的災(zāi)情、設(shè)備狀態(tài)、氣象等信息。

2.1.4 定時(shí)、自動(dòng)和手動(dòng)發(fā)布功能

平臺(tái)能根據(jù)預(yù)先設(shè)定的時(shí)間自動(dòng)發(fā)布天氣、科普知識(shí)、預(yù)警信息等消息，能根據(jù)設(shè)定文件的更新變化自動(dòng)更新發(fā)布消息，還能根據(jù)突發(fā)狀況隨時(shí)手動(dòng)發(fā)布預(yù)警信息。

2.2 北斗預(yù)警信息接收終端軟件

北斗衛(wèi)星預(yù)警信息接收終端軟件主要負(fù)責(zé)調(diào)解衛(wèi)星信息、控制GPRS模塊聯(lián)網(wǎng)、按照特定的編碼格式輸入語(yǔ)音芯片和進(jìn)行文字與聲音的轉(zhuǎn)換。控制軟件通過(guò)串口與北斗接收機(jī)、語(yǔ)音芯片、GPRS模塊通信，并通過(guò)并行總線與溫度傳感器通信，以采集設(shè)備內(nèi)部的溫度。

2.2.1 軟件系統(tǒng)的環(huán)境結(jié)構(gòu)

軟件系統(tǒng)的環(huán)境結(jié)構(gòu)如圖8所示。

由圖8可知，控制軟件要通過(guò)串口與北斗短報(bào)文模塊通信，接收北斗信息并分類(lèi)、組包和處理信息；通過(guò)串口與GPRS模塊通信，控制GPRS模塊聯(lián)網(wǎng)，收、發(fā)數(shù)據(jù)信息、短消息；通過(guò)串口將接收到的信息按照特定的編碼格式輸入語(yǔ)音芯片，以進(jìn)行文字與聲音的轉(zhuǎn)換。

2.2.2 軟件結(jié)構(gòu)

控制軟件由C語(yǔ)言編寫(xiě)，主要分為4部分：主程序、串口中斷程序、北斗接收程序和GPRS控制程序。

2.2.2.1 主程序

主程序的功能為：實(shí)現(xiàn)開(kāi)機(jī)初始化、查詢(xún)輸入信號(hào)的狀態(tài)、控制數(shù)據(jù)接收、中斷標(biāo)記，處理衛(wèi)星接收的數(shù)據(jù)并解碼、檢測(cè)按鍵狀態(tài)、控制語(yǔ)音信息輸出和控制指示燈顯示。

主程序的輸入數(shù)據(jù)包括各輸入信號(hào)狀態(tài)、串口接收的衛(wèi)星數(shù)據(jù)、GPRS數(shù)據(jù)、中斷標(biāo)記和按鍵狀態(tài)。

主程序的輸出數(shù)據(jù)包括指示燈控制信號(hào)、接收到的信息內(nèi)容。

2.2.2.2 串口中斷程序

串口中斷程序的功能為：接收來(lái)自北斗接收機(jī)的衛(wèi)星信息數(shù)據(jù)、發(fā)送信息給語(yǔ)音芯片進(jìn)行語(yǔ)音合成。

串口中斷程序的輸入數(shù)據(jù)為北斗接收機(jī)的衛(wèi)星信息數(shù)據(jù)。

串口中斷程序的輸出數(shù)據(jù)為發(fā)送給語(yǔ)音芯片進(jìn)行語(yǔ)音合成的信息數(shù)據(jù)。

2.2.2.3 300 s中斷程序

300 s中斷程序主要用來(lái)定時(shí)向發(fā)布中心發(fā)布設(shè)備工作狀態(tài)信息。

2.2.2.4 語(yǔ)音轉(zhuǎn)換程序

語(yǔ)音轉(zhuǎn)換程序主要用來(lái)將數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)換為音頻信息。

本文研究的預(yù)警信息接收終端軟件的工作流程如圖9所示。預(yù)警信息收發(fā)終端按照行政區(qū)劃分編碼規(guī)則、設(shè)定的本機(jī)地址。當(dāng)接收到含有地址碼的預(yù)警信息時(shí)，終端先對(duì)該預(yù)警信息進(jìn)行校驗(yàn)和解碼，解碼完成后對(duì)比該信息所包含的地址信息與本機(jī)地址信息。當(dāng)接收到的預(yù)警信息內(nèi)容的地址碼所管轄的范圍包含當(dāng)前接收機(jī)所設(shè)置的地址碼范圍時(shí)，接收機(jī)會(huì)處理此預(yù)警信息。如果校驗(yàn)成功，則會(huì)對(duì)預(yù)警信息進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，并控制語(yǔ)音芯片、功放模塊，從而開(kāi)始語(yǔ)音播報(bào)。該預(yù)警信息接收終端除了可通過(guò)北斗接收預(yù)警信息外，還可以接收GPRS的預(yù)警信息。在工作中，一般以北斗通信為主，以GPRS通信為輔，2種手段相互補(bǔ)充，從而可確保預(yù)警信息接收的穩(wěn)定性、可靠性。

3 運(yùn)行情況

自2012年初開(kāi)始，目前，利用北斗衛(wèi)星的短報(bào)文功能發(fā)布?xì)庀髴?yīng)急預(yù)警信息的試驗(yàn)已成功，并于2014-07通過(guò)了省專(zhuān)家的評(píng)審，得到了評(píng)審組、省氣象局和當(dāng)?shù)厥姓I(lǐng)導(dǎo)的重視和大力支持，將撥付專(zhuān)項(xiàng)資金在運(yùn)城市4個(gè)縣區(qū)率先運(yùn)行，待通過(guò)進(jìn)一步研發(fā)完善后，將會(huì)逐步在運(yùn)城市和山西省推廣使用。

目前，該系統(tǒng)在運(yùn)城市氣象局運(yùn)行良好，為全市的防災(zāi)減災(zāi)提供了保障。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文研究的基于北斗衛(wèi)星的預(yù)警信息接收終端具有覆蓋范圍廣、信息發(fā)布快、通信費(fèi)用低、安全性高、傳輸穩(wěn)定可靠、終端設(shè)備安裝和維護(hù)簡(jiǎn)易等特點(diǎn)。該系統(tǒng)采用了北斗衛(wèi)星和GPRS雙重傳輸手段、終端設(shè)備交直流供電、集中控制終端運(yùn)行與管理、多卡短報(bào)文拼接、虛擬終端地址設(shè)計(jì)等技術(shù)，提高了預(yù)警信息發(fā)布的可靠性和時(shí)效性，達(dá)到了為實(shí)現(xiàn)突發(fā)公共事件的應(yīng)急處置、社會(huì)防災(zāi)減災(zāi)、保護(hù)人們的生命財(cái)產(chǎn)安全提供科技支撐和決策依據(jù)的目的。

參考文獻(xiàn)

[1]中國(guó)氣象局.中國(guó)氣象災(zāi)害年鑒[M].北京：氣象出版社，2007.

[2]中國(guó)氣象局.氣象災(zāi)害預(yù)警信號(hào)發(fā)布與傳播辦法[M].北京：氣象出版社，2007.

[3]李春來(lái)，陳永濤，劉然.衛(wèi)星數(shù)字音頻廣播技術(shù)在災(zāi)害預(yù)警信息發(fā)布中的應(yīng)用[J].通信技術(shù)，2008，10（4）：30-76.

〔編輯：張思楠〕