一種“應(yīng)急通”設(shè)備定位與服務(wù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

劉 永，孫 俊

（南京中網(wǎng)衛(wèi)星通信股份有限公司，南京 210061）

1 引言

“應(yīng)急通”即為具有應(yīng)急救助、應(yīng)急通信、應(yīng)急預(yù)警信息發(fā)布、應(yīng)急公告、生活應(yīng)急等多項(xiàng)應(yīng)急應(yīng)用功能的綜合系統(tǒng)。我國(guó)作為一個(gè)人口和資源大國(guó)，也是各類(lèi)突發(fā)事件，特別是應(yīng)急災(zāi)害事件頻發(fā)的地區(qū)，當(dāng)發(fā)生某種突發(fā)性災(zāi)害事件時(shí)，為減小和挽回人民的生命和財(cái)產(chǎn)損失，必須在第一時(shí)間了解事件發(fā)生地的現(xiàn)狀，此時(shí)須派駐專(zhuān)業(yè)的評(píng)估專(zhuān)家或救援人員，通過(guò)其獲取和分析現(xiàn)場(chǎng)狀態(tài)，并向后方的指揮中心報(bào)告相關(guān)信息。與此同時(shí)，為保障處于現(xiàn)場(chǎng)人員的生命安全，同時(shí)也是為了更好地為后方?jīng)Q策機(jī)構(gòu)制定救援和評(píng)估策略。

根據(jù)此現(xiàn)實(shí)需求，為每位現(xiàn)場(chǎng)人員配備一套便攜式的“應(yīng)急通”設(shè)備，配備多種通信通道，根據(jù)硬件設(shè)備實(shí)時(shí)向后方主動(dòng)發(fā)送其所在地精確的位置數(shù)據(jù)等參數(shù)，尤為關(guān)鍵，因此設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)一款能夠提供應(yīng)急定位和服務(wù)的系統(tǒng)具有很好的實(shí)用價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。應(yīng)急定位和服務(wù)的系統(tǒng)具備應(yīng)急所需的硬件設(shè)備之外，同時(shí)還具備功能實(shí)現(xiàn)的控制和處理軟件系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)概述

2.1 功能概述

本系統(tǒng)主要備一套便攜式的“應(yīng)急通”設(shè)備，根據(jù)“應(yīng)急通”設(shè)備所在位置針對(duì)GPS授時(shí)定位數(shù)據(jù)和2/3/4G無(wú)線路由器的相關(guān)數(shù)據(jù)如信號(hào)強(qiáng)度數(shù)據(jù)、接入地面公網(wǎng)IP等數(shù)據(jù)，提供了一個(gè)集中整合處理的解決方案，最終生成指定格式數(shù)據(jù)，以指定的時(shí)間間隔通過(guò)應(yīng)急移動(dòng)網(wǎng)發(fā)送至遠(yuǎn)端擁有固定IP和端口號(hào)的服務(wù)器，供服務(wù)器端軟件使用，然后通過(guò)GIS地圖等呈現(xiàn)給用戶如圖1所示，用戶訪問(wèn)此服務(wù)器即可查看相關(guān)的應(yīng)急信息。

圖1 服務(wù)器端效果圖

2.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本“應(yīng)急通”設(shè)備的硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)采用現(xiàn)在比較成熟的工業(yè)級(jí)的ARM嵌入式解決方案，以達(dá)到穩(wěn)定可靠且高效的應(yīng)用要求。本系統(tǒng)可選用ARM9硬件平臺(tái)，搭載Linux操作系統(tǒng)，作為主控系統(tǒng)，外接GPS設(shè)備提供時(shí)間、經(jīng)緯度數(shù)據(jù)，外接2/3/4G上網(wǎng)設(shè)備提供地面移動(dòng)網(wǎng)鏈路，通過(guò)搭建Web服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)Web頁(yè)面配置功能。

主控板選用mini 2440開(kāi)發(fā)板，其MCU為應(yīng)用較為廣泛的三星S3C2440芯片，本控制板提供RS232接口、USB Device接口、以太網(wǎng)口等接口，可滿足本設(shè)計(jì)要求?？紤]到設(shè)備的便攜式工作要求，定位推送系統(tǒng)需配備獨(dú)立的電源供電，可采用移動(dòng)電源設(shè)備供電。該設(shè)備還提供3G卡插槽、以太網(wǎng)口，并提供Wi-Fi功能，可實(shí)現(xiàn)3G轉(zhuǎn)Wi-Fi和3G轉(zhuǎn)以太網(wǎng)的功能，現(xiàn)場(chǎng)人員可通過(guò)連接此Wi-Fi 通過(guò)3G網(wǎng)絡(luò)接入互聯(lián)網(wǎng)，同時(shí)也可通過(guò)WEB頁(yè)面實(shí)現(xiàn)對(duì)定位系統(tǒng)的配置功能。GPS設(shè)備也需要獨(dú)立供電，考慮到設(shè)備連接的方便性，通過(guò)比較分析選用GHYDO的UB-355型號(hào)GPS設(shè)備，其采用+3.5V～+5.5V寬電壓設(shè)計(jì)，數(shù)據(jù)輸出接口為RS232，并提供USB供電接口，可通過(guò)控制板的USB接口為其供電。本應(yīng)急通系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

GPS設(shè)備通過(guò)RS232口與主控板相連，同時(shí)主控板的USB口對(duì)其進(jìn)行供電；主控板通過(guò)RJ45網(wǎng)線連接到e5730s設(shè)備的LAN口，同時(shí)通過(guò)e5730s 設(shè)備的USB對(duì)外充電口為其供電；移動(dòng)終端連接e5730s設(shè)備的Wi-Fi信號(hào)；3G SIM卡直接插到e5730s設(shè)備的SIM卡槽中。此時(shí)即可實(shí)現(xiàn)主控板和移動(dòng)終端通過(guò)e5730s設(shè)備接入地面移動(dòng)網(wǎng)。

主控板實(shí)時(shí)獲取GPS設(shè)備送出的時(shí)間、經(jīng)緯度數(shù)據(jù)，并進(jìn)行解析處理，按要求進(jìn)行本地存儲(chǔ)或向通過(guò)地面移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)向遠(yuǎn)端服務(wù)器進(jìn)行傳送；移動(dòng)終端連接e5730s設(shè)備的Wi-Fi信號(hào)，此時(shí)與連接到e5730s設(shè)備LAN口的主控板處于同一局域網(wǎng)內(nèi)，通過(guò)移動(dòng)終端即可打開(kāi)主控板的配置頁(yè)面進(jìn)行相關(guān)系統(tǒng)狀態(tài)查看和配置。

2.3 軟件設(shè)計(jì)說(shuō)明

本應(yīng)急通信定位與服務(wù)系統(tǒng)軟件處理的數(shù)據(jù)包括GPS授時(shí)和定位數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)格式為字符形式的ASCLL碼；e5730s設(shè)備的電量數(shù)據(jù)、信號(hào)強(qiáng)度數(shù)據(jù)和接入地面公網(wǎng)IP等數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)位于e5730s 設(shè)備的內(nèi)置html頁(yè)面內(nèi)，其實(shí)質(zhì)可看作字符形式的ASCLL碼。

GPS設(shè)備以一定的時(shí)間間隔周期性送出遵循NEMA0183協(xié)議的數(shù)據(jù)，其中包含本設(shè)計(jì)所需要的時(shí)間數(shù)據(jù)和定位數(shù)據(jù)，根據(jù)此特點(diǎn)本軟件中采用linux系統(tǒng)的信號(hào)機(jī)制，當(dāng)與GPS設(shè)備連接的串口接收到數(shù)據(jù)時(shí)，系統(tǒng)便產(chǎn)生SIGIO信號(hào)，此時(shí)可通過(guò)建立對(duì)SIGIO信號(hào)的處理機(jī)制，即以軟中斷的形式實(shí)現(xiàn)對(duì)GPS設(shè)備送出的數(shù)據(jù)進(jìn)行接收并存于臨時(shí)內(nèi)存中，同時(shí)進(jìn)行解析，將得到的時(shí)間和位置數(shù)據(jù)以指定的格式存儲(chǔ)于本地發(fā)送數(shù)組中。

本應(yīng)急通系統(tǒng)與遠(yuǎn)端服務(wù)器端通過(guò)socket機(jī)制進(jìn)行通信，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求，服務(wù)器端需同時(shí)滿足多個(gè)遠(yuǎn)端應(yīng)急通系統(tǒng)的接入，考慮到二者之間交互的數(shù)據(jù)量較小且相關(guān)數(shù)據(jù)短時(shí)間內(nèi)變化很小，因此采用無(wú)連接UDP協(xié)議不僅可滿足本設(shè)計(jì)要求，而且處理流程簡(jiǎn)單清晰，因此本設(shè)計(jì)通過(guò)UDP協(xié)議以一定時(shí)間間隔向服務(wù)器端發(fā)送本地內(nèi)存中已經(jīng)處理成型的待發(fā)送數(shù)據(jù)。本應(yīng)急通系統(tǒng)的執(zhí)行流程如圖3所示。

本應(yīng)急通系統(tǒng)控制板上電之后，將首先進(jìn)行Linux系統(tǒng)的啟動(dòng)和初始化工作，為應(yīng)用程序的運(yùn)行搭建好軟件環(huán)境，同時(shí)初始化并啟動(dòng)BOA服務(wù)器，然后在系統(tǒng)初始化腳本執(zhí)行的最后運(yùn)行定位與服務(wù)系統(tǒng)程序。

在BOA服務(wù)器啟動(dòng)之后，用戶即可通過(guò)外部瀏覽器訪問(wèn)指定目錄下的相應(yīng)頁(yè)面。本設(shè)計(jì)中將應(yīng)急通系統(tǒng)的默認(rèn)頁(yè)面設(shè)計(jì)為登錄頁(yè)面，當(dāng)用戶在瀏覽器地址欄中輸入控制系統(tǒng)的IP時(shí)即可打開(kāi)本登錄頁(yè)面，其效果圖如圖4所示。

圖3 軟件系統(tǒng)執(zhí)行流程

圖4 登錄頁(yè)面圖

登錄頁(yè)面用于用戶填寫(xiě)登錄信息，如用戶名和密碼其中用戶名文本框、密碼文本框與登錄、清楚、幫助按鈕位于同一個(gè)表單（Form）中。用戶完成相關(guān)信息填寫(xiě)，單擊“登錄”按鈕向主控制器中的BOA 服務(wù)器提交登錄信息，此時(shí)將調(diào)用相應(yīng)的登錄信息驗(yàn)證子程序，進(jìn)行用戶名和密碼信息的驗(yàn)證工作。驗(yàn)證子程序?qū)⒆x取存儲(chǔ)于服務(wù)器端特定位置的用戶名和密碼信息，與用戶填寫(xiě)的用戶名和密碼信息進(jìn)行匹配驗(yàn)證。當(dāng)匹配正確時(shí)，驗(yàn)證子程序調(diào)出配置主頁(yè)面，發(fā)送到用戶的WEB瀏覽器上，此時(shí)用戶即可進(jìn)行相關(guān)控制操作；當(dāng)匹配出錯(cuò)時(shí)，驗(yàn)證子程序?qū)⒅匦麓蜷_(kāi)登錄驗(yàn)證頁(yè)面，同時(shí)以彈窗的形式給出匹配出錯(cuò)的原因，如用戶填寫(xiě)的用戶名或密碼信息非法或不正確等。登錄處理流程如圖5所示。

當(dāng)用戶順利打開(kāi)配置主頁(yè)面之后即可進(jìn)行相關(guān)系統(tǒng)狀態(tài)查看和相關(guān)參數(shù)配置工作。由于Linux 系統(tǒng)為多任務(wù)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，當(dāng)定位與服務(wù)系統(tǒng)程序運(yùn)行時(shí)，用戶依然可訪問(wèn)控制頁(yè)面并進(jìn)行相關(guān)操作。其相應(yīng)的執(zhí)行流程如圖6所示。

在定位與服務(wù)系統(tǒng)程序中首先進(jìn)行本設(shè)計(jì)相關(guān)的配置工作，如初始化和打開(kāi)串口、創(chuàng)建socket、建立信號(hào)處理機(jī)制（主要針對(duì)本設(shè)計(jì)所涉及的SIGIO 信號(hào)和SIGALRM信號(hào)）、初始化和配置定時(shí)器等。然后進(jìn)入循環(huán)結(jié)構(gòu)，實(shí)時(shí)等待并處理串口送入的GPS數(shù)據(jù)，在建立SIGIO信號(hào)處理機(jī)制之后，一旦串口收到數(shù)據(jù)即產(chǎn)生此信號(hào)，系統(tǒng)捕捉到此信號(hào)之后即跳入相應(yīng)的服務(wù)子程序，執(zhí)行相應(yīng)操作。這里初始化串口的時(shí)候，將其屬性設(shè)置為行緩沖模式，即當(dāng)串口收到換行符之前會(huì)將收到的數(shù)據(jù)暫時(shí)存放到指定的緩沖區(qū)中，直到收到換行符或者此緩沖區(qū)已滿時(shí)，才會(huì)將收到的數(shù)據(jù)一次性發(fā)送給打開(kāi)串口時(shí)指定的文件描述符，同時(shí)產(chǎn)生SIGIO信號(hào)。定位與服務(wù)系統(tǒng)程序具體的執(zhí)行流程如圖7所示。

圖5 登錄處理流程圖

圖6 用戶控制操作執(zhí)行流程

圖7 定位與服務(wù)系統(tǒng)程序執(zhí)行流程

待開(kāi)發(fā)的服務(wù)器端軟件將接受并解析上述數(shù)據(jù)，同時(shí)將其呈現(xiàn)于GIS地圖中，供用戶遠(yuǎn)程調(diào)取和查看。

3 結(jié)束語(yǔ)

我國(guó)作為一個(gè)幅員廣闊的大國(guó)，也是各類(lèi)應(yīng)急災(zāi)害事件高發(fā)的地區(qū)，做到與現(xiàn)場(chǎng)處置事件人員有效的信息交流尤為關(guān)鍵，本“應(yīng)急通”設(shè)備定位與服務(wù)系統(tǒng)做到了實(shí)時(shí)向遠(yuǎn)端傳送本地位置信息數(shù)據(jù)，為后方?jīng)Q策機(jī)構(gòu)宏觀上合理安排和調(diào)度現(xiàn)場(chǎng)人員提供了準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)參考，具有很好的現(xiàn)實(shí)和實(shí)用意義。

[1] 吳建超，蔡永建，雷東寧，鄭永明.地震應(yīng)急通系統(tǒng)在尼泊爾8.1級(jí)地震應(yīng)急中的應(yīng)用[J].大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué)，2015（5），747-750.

[2] 周旺.應(yīng)急通導(dǎo)終端系統(tǒng)天線設(shè)計(jì)[J].牡丹江大學(xué)學(xué)報(bào)，2010（9），142-143.

[3] 郭慶，王振永，顧學(xué)邁.衛(wèi)星通信系統(tǒng)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2010.111-115.