北斗在移動(dòng)資產(chǎn)定位系統(tǒng)中的應(yīng)用

郭秋梅，張秋云，曾 閔，石繁榮，羅 穎

(1.西南科技大學(xué)信息工程學(xué)院，四川 綿陽 621010；2.特殊環(huán)境機(jī)器人技術(shù)四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 綿陽 621010)

北斗在移動(dòng)資產(chǎn)定位系統(tǒng)中的應(yīng)用

郭秋梅1,2，張秋云1,2，曾 閔1,2，石繁榮1,2，羅 穎1,2

(1.西南科技大學(xué)信息工程學(xué)院，四川 綿陽 621010；2.特殊環(huán)境機(jī)器人技術(shù)四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 綿陽 621010)

針對人們?nèi)粘Ｉ詈凸ぷ髦幸苿?dòng)資產(chǎn)存在的安全風(fēng)險(xiǎn)問題，設(shè)計(jì)了一套基于北斗定位和安卓技術(shù)的定位系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)移動(dòng)資產(chǎn)定位追蹤和位置信息上報(bào)。系統(tǒng)包括資產(chǎn)定位硬件終端和人機(jī)交互手機(jī)客戶端兩部分。硬件終端以低功耗微處理器MSP430為核心實(shí)現(xiàn)信息處理與交互，由北斗和GSM模塊為移動(dòng)資產(chǎn)提供定位信息。在衛(wèi)星信號較好的室外，直接通過北斗進(jìn)行定位；而在室內(nèi)衛(wèi)星信號較弱或衛(wèi)星信號丟失時(shí)由GSM輔助定位，從而最大限度地保障移動(dòng)資產(chǎn)位置信息不丟失。資產(chǎn)位置信息由GSM模塊通過移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至客戶端。手機(jī)客戶端采用JAVA語言進(jìn)行開發(fā)，具備資產(chǎn)位置查詢、移動(dòng)路徑顯示等功能，方便用戶對資產(chǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)定位追蹤。試驗(yàn)測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、可靠，能夠在室內(nèi)、外等多種環(huán)境中準(zhǔn)確定位追蹤移動(dòng)資產(chǎn)，為移動(dòng)資產(chǎn)的安全提供有力保障，同時(shí)也為北斗技術(shù)在工農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用提供參考。

北斗; 定位系統(tǒng)； 移動(dòng)通信； 安卓； GSM； MSP430； 低功耗； 追蹤

0 引言

目前，全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)已滲透至社會發(fā)展的各個(gè)領(lǐng)域。定位技術(shù)是實(shí)現(xiàn)監(jiān)控的關(guān)鍵，其在較長時(shí)間內(nèi)被全球定位系統(tǒng)(global positioning system,GPS)壟斷。我國每年用于GPS衛(wèi)星導(dǎo)航終端設(shè)備的采購、運(yùn)營及管理成本都較高。因此，加快對我國自主研發(fā)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)所提供的導(dǎo)航、定位、授時(shí)服務(wù)的應(yīng)用研究具有重要意義[1-2]。

北斗定位系統(tǒng)具有測試、定位、雙向授時(shí)及短信通信功能，其安全可靠穩(wěn)定、覆蓋范圍大、架設(shè)及維護(hù)簡單，可作為遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸?shù)睦硐胪ㄐ畔到y(tǒng)。為盡可能降低車輛、名貴寵物、儀器設(shè)備等移動(dòng)資產(chǎn)存在的安全風(fēng)險(xiǎn)[3-4]，本文設(shè)計(jì)了一種基于北斗和Android的移動(dòng)資產(chǎn)定位系統(tǒng)。用戶可通過手機(jī)客戶端及時(shí)定位自己的移動(dòng)資產(chǎn)，獲取其位置狀態(tài)信息。該系統(tǒng)在寵物定位、車輛防盜及老人走失等方面具有廣泛應(yīng)用價(jià)值。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)基于北斗定位系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對移動(dòng)資產(chǎn)的位置管理，主要包括資產(chǎn)端定位模塊和遠(yuǎn)程手機(jī)客戶端兩部分。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

資產(chǎn)端定位模塊用于實(shí)時(shí)定位資產(chǎn)位置信息，并根據(jù)遠(yuǎn)程客戶端請求發(fā)送位置信息；遠(yuǎn)程手機(jī)客戶端為資產(chǎn)所有者提供一個(gè)可視化界面，實(shí)現(xiàn)對可移動(dòng)資產(chǎn)位置信息的顯示。

2 資產(chǎn)定位終端

2.1 硬件設(shè)計(jì)

資產(chǎn)定位終端采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由北斗信號接收模塊、MCU模塊以及GSM模塊組成。

圖2 定位終端硬件結(jié)構(gòu)圖

該終端模塊通過天線接收北斗衛(wèi)星信號，由接收模塊解碼后得到資產(chǎn)經(jīng)緯度信息。單片機(jī)獲取該經(jīng)緯度信息后，一方面通過GSM模塊將其發(fā)送至遠(yuǎn)程手機(jī)客戶端，另一方面對其進(jìn)行本地存儲。GSM模塊實(shí)現(xiàn)與手機(jī)遠(yuǎn)程客戶端之間的信息交互，同時(shí)在衛(wèi)星信號丟失的情況下根據(jù)資產(chǎn)與當(dāng)前周圍通信基站的相對位置獲取資產(chǎn)大致定位信息。

北斗信號接收模塊采用瑞士u-blox公司MAX-M8Q定位模塊。該模塊尺寸小(9.7 mm×10.1 mm×2.5 mm)、功耗低(持續(xù)工作23 mA@3 V，省電模式5.4 mA@3 V)，支持北斗、GPS、GLONASS、Galileo這4種全球定位系統(tǒng)，位置更新速率可達(dá)18 Hz，定位精度為2.5 m，冷啟動(dòng)時(shí)間為26 s，冷啟動(dòng)靈敏度為-148 dBm，跟蹤靈敏度為-167 dBm，可滿足不同形式和不同移動(dòng)速率資產(chǎn)定位要求[5]。

考慮到資產(chǎn)形式及定位終端供電方式的不同，為了滿足不同資產(chǎn)的應(yīng)用需求，本系統(tǒng)采用TI公司超低功耗單片機(jī)MSP430F169作為處理器。MSP430F169單片機(jī)工作電壓為1.8～3.6 V，RAM數(shù)據(jù)保持工作模式下僅需0.1 μA的電流，活動(dòng)模式下耗電250 μA/MIPS(每秒百萬條指令書)，I/O輸入端口漏電流最大為50 nA[6]。單片機(jī)通過串口UART1與上述定位模塊進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)對定位模塊的配置和位置信息的獲取，并通過串口UART2與GSM模塊進(jìn)行信息交互。

資產(chǎn)所處環(huán)境決定了衛(wèi)星信號的強(qiáng)弱，當(dāng)資產(chǎn)位于樓棟內(nèi)或地理環(huán)境復(fù)雜的山區(qū)時(shí)，無法通過衛(wèi)星信號進(jìn)行定位。為了解決這一問題，本系統(tǒng)的GSM模塊采用可利用基站進(jìn)行定位的SIM900A。當(dāng)衛(wèi)星信號丟失時(shí)，通過AT指令獲取基站的經(jīng)緯度信息以確定資產(chǎn)位置[7]。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

為了降低終端整體功耗，程序設(shè)計(jì)過程中使MCU間歇性工作，每次獲取位置信息后進(jìn)入休眠模式，當(dāng)休眠時(shí)間到或者出現(xiàn)數(shù)據(jù)請求時(shí)喚醒。資產(chǎn)定位終端程序采用C語言編寫，包含資產(chǎn)位置信息獲取與信息發(fā)送兩部分。程序流程如圖3所示。

圖3 程序流程圖

資產(chǎn)定位終端每隔一定時(shí)間進(jìn)行一次位置信息采集并保存，遠(yuǎn)程客戶端發(fā)出數(shù)據(jù)請求時(shí)，將本地存儲的位置信息通過GSM發(fā)送出去。

由于資產(chǎn)的可移動(dòng)性，使得其位置信息會不斷發(fā)生變化。因此，根據(jù)衛(wèi)星相對位置的變化，可定期對衛(wèi)星星歷進(jìn)行更新并裝載到衛(wèi)星信號接收模塊，使得在一些特殊情況(如資產(chǎn)遺失或被盜)下能夠迅速獲取資產(chǎn)位置信息。此外，為了防止因衛(wèi)星信號丟失而出現(xiàn)的無法定位問題，程序中增加GSM定位功能，通過獲取當(dāng)前資產(chǎn)與周圍移動(dòng)通信基站的相對位置，得到資產(chǎn)大致的定位信息。

3 手機(jī)客戶端

智能手機(jī)已成為人們?nèi)粘Ｉ畹谋匦杵?，目前基于Android操作系統(tǒng)的智能手機(jī)占有我國手機(jī)市場的80%以上[8]。Android手機(jī)平臺是一個(gè)開放性的平臺，可以根據(jù)用戶不同的需求對平臺進(jìn)行擴(kuò)展開發(fā)，且無需支付任何費(fèi)用[9]。本文基于Android智能手機(jī)開發(fā)手機(jī)客戶端軟件，嵌入百度地圖作為資產(chǎn)位置可視化界面，方便用戶隨時(shí)隨地對資產(chǎn)位置進(jìn)行查看。

3.1 客戶端功能

根據(jù)對資產(chǎn)位置信息的分析，Android手機(jī)客戶端主要功能模塊如下。

①系統(tǒng)短信獲取。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用短信方式發(fā)送資產(chǎn)位置信息，客戶端軟件需獲取由資產(chǎn)終端發(fā)回的短信，以便進(jìn)行位置分析與顯示。

②參數(shù)設(shè)定。移動(dòng)資產(chǎn)的種類形式不同，對位置信息的實(shí)時(shí)性要求也不同。為滿足不同類型資產(chǎn)的需求，用戶可通過手機(jī)客戶端對資產(chǎn)定位終端獲取位置的時(shí)間間隔進(jìn)行設(shè)置，同時(shí)也可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行資產(chǎn)定位終端目標(biāo)短信電話號碼的設(shè)置。

③資產(chǎn)位置查詢。在資產(chǎn)遺失或被盜的情況下，為及時(shí)獲悉資產(chǎn)當(dāng)前位置信息，用戶可利用客戶端軟件向資產(chǎn)定位終端發(fā)送位置查詢命令。

④資產(chǎn)位置顯示。由于資產(chǎn)定位終端向客戶端軟件返回的位置信息是經(jīng)緯度信息，為了更直觀地向用戶展示資產(chǎn)當(dāng)前位置，客戶端軟件嵌入百度地圖，通過解析經(jīng)緯度數(shù)據(jù)，在地圖上顯示位置信息。

3.2 客戶端界面

客戶端界面以地圖顯示為主，增加電話號碼設(shè)置、位置信息獲取等按鍵。用戶通過設(shè)置按鍵進(jìn)行移動(dòng)資產(chǎn)電話號碼添加，當(dāng)需要對資產(chǎn)位置進(jìn)行查詢時(shí)操作位置信息獲取按鍵，手機(jī)將自動(dòng)向被監(jiān)控資產(chǎn)發(fā)送指令。移動(dòng)資產(chǎn)收到手機(jī)客戶端位置信息請求命令后，回復(fù)當(dāng)前最新位置以及最近1 h的位置信息，手機(jī)客戶端接收數(shù)據(jù)后標(biāo)注資產(chǎn)最后位置與最近1 h的移動(dòng)軌跡。

為了驗(yàn)證本系統(tǒng)的有效性，分別進(jìn)行室外和室內(nèi)測試，模擬衛(wèi)星和移動(dòng)通信基站定位的場景。測試結(jié)果如圖4所示。

圖4 測試結(jié)果

在室外測試時(shí)，通過人為移動(dòng)模擬資產(chǎn)移動(dòng)情況，其測試結(jié)果如圖4(a)所示，圖中黑色線條表示資產(chǎn)在最近1 h內(nèi)的移動(dòng)軌跡，標(biāo)記點(diǎn)A為當(dāng)前的位置。在室內(nèi)測試時(shí)，始終將資產(chǎn)固定放置于測試房間中，其測試結(jié)果如圖4(b)所示。

4 結(jié)束語

通過上述試驗(yàn)表明，本文所設(shè)計(jì)的移動(dòng)資產(chǎn)定位系統(tǒng)能夠有效地提高移動(dòng)資產(chǎn)的安全性，可在資產(chǎn)遺失、被盜等情況下及時(shí)上報(bào)、獲取資產(chǎn)位置信息，有助于尋找、追回移動(dòng)資產(chǎn)，減少經(jīng)濟(jì)損失。此外，該系統(tǒng)采用小型模塊化、低功耗設(shè)計(jì)，可安裝在不同類型的資產(chǎn)上，如汽車、自行車、測量儀器設(shè)備，甚至是小孩和寵物身上，具有較好的應(yīng)用前景。

[1] 李榮冰,于永軍,劉建業(yè),等.大氣輔助的SINS/GPS組合導(dǎo)航系統(tǒng)研究[J].儀器儀表學(xué)報(bào),2012,33(9)：1961-1966.

[2] 楊元喜.北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的進(jìn)展、貢獻(xiàn)與挑戰(zhàn)[J].測繪學(xué)報(bào),2010,39(1):1-6.

[3] 劉碧貞,黃華,祝詩平.北斗在遠(yuǎn)程人防警報(bào)系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].自動(dòng)化儀表,2015,36(4):22-24.

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Application of Beidou in Mobile Asset Positioning System

GUO Qiumei1,2，ZHANG Qiuyun1,2，ZENG Min1,2，SHI Fanrong1,2，LUO Ying1,2

(1.School of Information Engineering,Southwest University of Science and Technology,Mianyang 621010,China；2.Robot Technology Used for Special Environment Key Laboratory of Sichuan Province,Mianyang 621010,China)

Aiming at the security risks of mobile assets in human daily life and work,a set of positioning system based on Beidou positioning and Android technology has been designed for realizing functions of positioning tracking of mobile assets and location information reporting. The system is composed of the hardware terminal and the human machine interactive mobile phone client. In hardware terminal,the low power consumption microprocessor MSP430 is adopted as the core,to achieve information processing and interaction. The location information of mobile assets is provided by Beidou and GSM modules. In outdoor,when the satellite signals are better,the positioning is directly realized via Beidou,while in indoor,if the satellite signals are weak or lost,the positioning is realized with help of GSM,to ensure the location information of mobile assets not being lost. The location information of assets is sent to the client through mobile communication network. Mobile phone client uses JAVA language for developing functions including location query,path display,and real time position tracking,etc. The test results show that the system works stably and reliably,and it can guarantee the safety of mobile assets in a variety of indoor and outdoor environments. In addition,this system may offer inspiration to application of Beidou technology in industrial and agricultural fields.

Beidou; Positon system; Mobile communication; Android; GSM; MSP430; Low power consumption; Tracking

國家自然科學(xué)基金青年基金資助項(xiàng)目 (61601383 )

郭秋梅(1987—)，女，碩士，助教，主要從事智能檢測與控制、圖像處理技術(shù)的研究與應(yīng)用。E-mail:guoqiumei_xx@163.com。 張秋云(通信作者)，男，碩士，講師，主要從事智能檢測與控制的研究與應(yīng)用。E-mail:zhangqiuyun123@163.com 。

TH6;TP23

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201708009

修改稿收到日期:2017-04-18