基于北斗信息及移動互聯的綜合 網絡化監(jiān)管平臺的研究

王賽云，王冠宇，黃智丹，曲洪斌

(北華航天工業(yè)學院 電子與信息工程學院，河北 廊坊 065000)

0 引言

衛(wèi)星導航技術在人們的生活中扮演著越來越重要的角色，人們在日常的出行中也離不了導航技術，目前世界上有四大導航衛(wèi)星系統(tǒng)，分別是GPS、GLONASS、伽利略衛(wèi)星導航系統(tǒng)以及北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)。GPS 是在美國海軍導航衛(wèi)星系統(tǒng)的基礎上發(fā)展起來的無線電導航定位系統(tǒng)；GLONASS 是由原蘇聯國防部獨立研制和控制的第二代軍用衛(wèi)星導航系統(tǒng)；伽利略衛(wèi)星導航系統(tǒng)是由歐盟研制和建立的全球衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)。其中，GPS 在國內的使用較為廣泛，但這一技術始終屬于國外技術，它的使用要受到國外技術的限制，因此研發(fā)北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)被提上日程，它是中國自主研發(fā)、獨立運行的全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)。2012 年12 月，北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)正式開放運行，開始為我國及周邊區(qū)域全天候全天時提供高精度、高可靠定位、導航、授時及短報文通信服務[1]。

基于北斗信息及移動互聯的綜合網絡化監(jiān)管平臺的研究，采用北斗GIS 的應用開發(fā)，集合網絡數據庫技術，前端數據采集技術以及移動互聯技術等共同構建。此平臺可應用于政府的在線指揮監(jiān)管或者企業(yè)的移動監(jiān)控，在電子地圖上可以對重點監(jiān)控或監(jiān)管對象實施定位，使用PC 客戶端，手機終端即可實現實時跟蹤服務。具備多層管理機制，功能強大，在此平臺下進行二次應用開發(fā)，可針對不同行業(yè)、不同部門快速實現功能定制等。是政府、企業(yè)在現代信息技術社會中第一時間掌握信息的最好平臺。利用現代通信技術、電子技術、嵌入式技術相結合，研發(fā)設計基于北斗的數據探測前端，重點研究電路的抗干擾技術、數據分析技術以及數據通信技術；利用普及的手機終端，設計專用的APP 軟件，自行下載應用，構建基于北斗信息的監(jiān)控應用平臺，重點研究多用戶數據算法；利用數據庫技術、網絡技術以及服務器應用技術，實現對車輛人員的實時定位、跟蹤平臺的實現，重點研究多用戶的數據管理以及大數據的處理技術。

我國自主的北斗衛(wèi)星技術的應用是解決依賴GPS 的關鍵，研制開發(fā)基于嵌入式的北斗數據應用終端，并結合移動網絡技術，構建基于北斗信息的移動互聯網絡監(jiān)管平臺，應用于政府的在線指揮監(jiān)管或者企業(yè)的移動監(jiān)控，在電子地圖上可以對重點監(jiān)控或監(jiān)管對象實施定位，使用PC 客戶端，手機終端即可實現實時跟蹤服務。

2 北斗定位算法

北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)是我國自主研制并投入使用的衛(wèi)星導航系統(tǒng)，衛(wèi)星導航系統(tǒng)可分為有源（主動式）和無源（被動式）兩種，北斗一號采用的有源定位方式，即當有定位導航的需要時，用戶還需要將信號主動發(fā)送給衛(wèi)星，這就存在極大的隱患，在信號傳送給衛(wèi)星過程中極易被他人獲取，從而暴露自己的位置，北斗二號則采用被動式定位方式，在進行定位時無需發(fā)送信號，只需要接收不少于4 顆來自北斗衛(wèi)星發(fā)送的定位信息就可以計算出各種參數，從而實現精確定位[2-3]。

本課題需要首先研究基于北斗數據的研究和處理，然后設計研發(fā)基于北斗的數據探測前端，北斗通過天線進行信號接收，經過一系列信號傳輸經信號解算模塊將位置信息進行解讀，組成圖如圖1 所示。

圖1 北斗信號接收裝置基本組成結構 Fig.1 Basic structure of Beidou signal receiving device

通過天線接收到的信號傳輸到射頻模塊，射頻模塊將信號進行放大，再通過基帶模塊對信號進行處理，處理好的信號通過數據處理模塊對數據進行提取，最后通過定位解算模塊經有用信息提取出來。

3 設計方案

整個系統(tǒng)共分為三部分，通過建設包括由系統(tǒng)服務端、定位信號設備終端和移動控制終端構成的定位監(jiān)控平臺實現終端定位設備的跟蹤和管理。系統(tǒng)服務端的內部有提前建立好的數據庫，它可以接收來自于定位設備信號發(fā)送出來的數據并進行存儲，同時還可以將這些數據再發(fā)送給移動控制終端，定位信號設備終端設備由被監(jiān)測人員佩戴，可以實現設備定位的功能，能夠接收以短信形式的喚醒，能夠通過socket 協(xié)議，持續(xù)發(fā)送本設備的標示信息、位置信息和時間信息給服務端。能夠接收以短信形式的休眠命令，休眠期間不對外發(fā)送定位信息。具備服務器地址修改功能。一旦服務器地址發(fā)生改變，可通過短信形式向終端發(fā)送，終端接收到改寫短信后，可按照短信提示的服務器地址進行更改；移動控制終端接受來自系統(tǒng)服務端的坐標信息然后在地圖上進行顯示，從而實現對定位終端實時位置的確定。圖2 表示的是系統(tǒng)的整體框圖。本文主要就定位信號設備終端的設計進行討論。

圖2 系統(tǒng)框圖 Fig.2 System block diagram

4 定位信號設備終端

定位終端的功能就是對實時的地理位置和時間等信息進行采集，采集之后將這些數據進行分析然后發(fā)送給通信模塊，通過通信模塊將信息發(fā)送出來，定位終端的結構框圖如下圖所示，電路設計包括北斗定位模塊、北斗天線、供電電路、通信模塊以及各種外圍電路。

圖3 定位終端的結構框圖 Fig.3 Structure block diagram of positioning terminal

在進行定位時用戶點擊“定位”功能按鈕向定位終端發(fā)送定位指令，指令以短信格式發(fā)送給終端，終端收到指令后啟動北頭定位模塊，并將經緯度坐標、方向、時間和終端SIM 卡號發(fā)送到指定服務器。定位終端可按一定時間規(guī)律向指定服務器發(fā)送經緯度坐標、方向、時間信息，并且周期時間可以通過用戶手機向定位終端發(fā)送命令字短信設定。

4.1 定位模塊

通過北斗定位模塊獲取位置的準確信息是系統(tǒng)得以運行的根本，接收信息模塊選用的是芯星通公司的UM220，這款模塊可以以1Hz 的數據更新率不斷發(fā)送NMEA-0183 通信協(xié)議的單行報文[4-5]。UM220是針對車輛監(jiān)控/導航、手持設備等應用推出的北斗/GPS 雙系統(tǒng)模塊。模塊尺寸小、重量輕，具有超低功耗，因此特別適合應用在對尺寸、功耗要求高的北斗規(guī)模應用。

北斗衛(wèi)星發(fā)射來的信號通過天線進行接收，由于接收到的信號比較混雜，因此需要通過射頻前端將無用波段濾除，然后通過低噪聲放大器將信號放大，再通過變頻器使信號混頻，之后經AD 轉換將模擬信號量變?yōu)閿底中盘柫?，信號經過上述處理后還需要經過基帶信號處理器，實現對衛(wèi)星信號的捕獲、跟蹤和測量，通過這些處理信號會被傳送到數據處理模塊進行數據提取，最后通過解算模塊對定位位置信息進行解算。

4.2 控制模塊

控制模塊的運行處理速度對系統(tǒng)的正常運行起著極為重要的作用，本系統(tǒng)無需太大的計算量，因此選用ARM 公司的STM32F103CBT6 芯片，這款產品集72MHz 的工作頻率、512K 的Flash 存儲容量和64K 的SRAM 容量于一身，用戶可根據需要開發(fā)外設。

在前文中提到過，控制模塊既要接收來自定位模塊的定位信息，又要將信息發(fā)送給通信模塊，控制器有三個串口可以實現數據的傳輸，在本設計中，串口1 用來實現與通信模塊之間的數據傳輸，串口2 用來實現與定位模塊之間的數據傳輸，其外圍電路還包括各種指示電路、最小系統(tǒng)和電源部分；電路原理圖如圖4 所示。

圖4 控制模塊電路原理圖 Fig.4 Circuit schematic diagram of control module

4.3 通信模塊

通信模塊采用M35 芯片，M35 模塊的外圍電路包括串口通信電路、天線部分、供電電路和無線通信電路，M35 模塊通過與SIM 卡的連接搭乘GPRS 網絡與外界實現聯系，將數據發(fā)送給系統(tǒng)服務端，如果所應用的場合所需要的傳輸速率要求更高時，可以根據要求改用3G、4G 或者WIFI 通信模塊。此外，M35 芯片外圍還連有兩個音頻通道，分別用來模擬揚聲器模式和聽筒模式，SIM 卡按照引腳說明與通信模塊進行連接。

通信模塊M35 可直接與系統(tǒng)服務端進行數據傳輸，通過一系列的指令可實現通信，如表1 所示：

表1 指令功能表 Table 1 Instruction Function Table

電路在工作過程中，為保證處于有效工作狀態(tài)，在外圍電路中設置了工作指示燈，其中LED1 表示的是UM220 工作指示燈，LED2 表示的是開關機工作指示燈，當進行開關機操作時，指示燈同時閃爍表示此操作在進行，LED3 表示的是系統(tǒng)工作指示燈。以上功能的實現都必須保證電路處于通電狀態(tài)，系統(tǒng)采用鋰電池為電路供電，為滿足不同模塊的電壓需求，通過轉換電路分出不同的壓降，定位信號設備終端最終的PCB 圖如圖5 所示。

圖5 設備終端PCB 圖 Fig.5 Device Terminal PCB Diagram

在系統(tǒng)工作之前，首先需要判斷能否進行有效連接，即判斷GPRS 是否可以附著成功，能否實現數據傳輸，流程圖如圖6 所示。

5 結語

圖6 連接流程圖 Fig.6 Connection flow chart

本文是基于北斗信息及移動互聯的綜合網絡化監(jiān)管平臺的研究，采用的是北斗定位模塊和GPRS通信模塊組合，通過定位終端將信息發(fā)送給系統(tǒng)服務端，然后再將信息傳送給控制終端，本文只是對定位終端的設計原理進行闡述，對系統(tǒng)服務端的設置和移動控制端APP 的開發(fā)沒有做更詳細的闡述。本課題將北斗衛(wèi)星的數據處理技術、電子學技術和嵌入式處理技術等諸多技術結合起來研制和開發(fā)新產品，使用了高性能嵌入式處理單元，設計并驗證基于北斗衛(wèi)星信息終端數據的收發(fā)的數學模型；在計算機算法中將大數據融合技術、模糊邏輯與查表技術想結合，應用于北斗信息及移動互聯的綜合網絡平臺，提高了系統(tǒng)精度；大數據的融合及多用戶同步運行的算法實現。這款平臺經二次開發(fā)可以適用于個人位置服務、道路交通管理、應急救援等不同的領域，通用性較強，且易攜帶，能夠實現基于北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的精準定位，具有較高的實用性。