光纜線路巡護記錄儀設(shè)計與實現(xiàn)

張海燕　馮赟　王廣帥

摘 要：針對復(fù)雜地形環(huán)境下，地埋式光纜線路巡護管理信息化程度低、巡護記錄不健全、事后檢查取證難等問題，提出了利用北斗衛(wèi)星定位技術(shù)和WebGIS（網(wǎng)絡(luò)地理信息系統(tǒng)）技術(shù)，設(shè)計開發(fā)了北斗軌跡記錄儀、軌跡采集軟件和WebGIS軌跡呈現(xiàn)系統(tǒng)，實現(xiàn)對光纜線路巡護軌跡的實時記錄與事后回放，提高了光纜維護管理的信息化水平。

關(guān)鍵詞：線路巡護 北斗 WebGIS 軌跡記錄 軌跡呈現(xiàn)

中圖分類號：S7 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2019）01（c）-0005-06

光纜作為光纖傳輸系統(tǒng)的物理傳輸媒介，其安全、可靠、穩(wěn)定運行是傳輸系統(tǒng)正常運行的前提，經(jīng)過農(nóng)田、戈壁、流沙區(qū)、工業(yè)區(qū)等復(fù)雜地形區(qū)域的地埋式光纜，極易發(fā)生人為的非故意中斷。為確保光纜的安全可靠運行，及時排除中斷隱患，解決中斷故障，應(yīng)當制定嚴格的巡線制度。然而，巡視時人員乘坐光纜巡護車沿光纜路由全程巡護，巡護記錄依賴紙質(zhì)記錄，巡線是否全面，效果無法檢驗；巡線計劃是否落實，事中無法監(jiān)督、事后很難查證。為提高光纜線路巡護管理的科學(xué)化、正規(guī)化和信息化水平，該文設(shè)計開發(fā)了基于北斗和WebGIS的光纜線路巡護管理系統(tǒng)，有效解決了復(fù)雜地形環(huán)境下地埋式光纜線路巡護管理存在的不足。

1 相關(guān)技術(shù)簡介

1.1 北斗導(dǎo)航定位技術(shù)

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)包括北斗一代導(dǎo)航定位系統(tǒng)（BD1）和北斗二代導(dǎo)航定位系統(tǒng)（BD2）。北斗二代導(dǎo)航定位系統(tǒng)和普通GNSS（GPS/GLONASS/GALILEO）系統(tǒng)相似，系統(tǒng)由空間導(dǎo)航衛(wèi)星星座、地面測控站和用戶終端三大部分組成。

其定位原理是：用戶接收機對視野內(nèi)觀測到的衛(wèi)星信號進行偽距或者載波相位測量而獲得偽距觀測量，偽距測量方式又可以分為C/A碼和P碼兩種測量方式，在接收衛(wèi)星數(shù)目大于等于4顆時，用戶可通過后方交會方式，根據(jù)偽距觀測量解算出三維位置，并可以進一步通過多普勒頻移測量獲得三維速度，同時獲得高精度的時間信息。

1.2 WebGIS技術(shù)

GIS地理信息系統(tǒng)，應(yīng)用較早，不便于更新，不便于跨平臺，不便于用戶在不安裝指定客戶端的情況下使用。隨著Internet進入了爆發(fā)式增長階段，網(wǎng)絡(luò)的鋪設(shè)以及網(wǎng)速都有了大幅度的提升，出現(xiàn)了WebGIS，也就是展現(xiàn)于網(wǎng)絡(luò)上的GIS，于是，基于B/S的GIS系統(tǒng)越來越多的開始提供服務(wù)，并且在RIA（富客戶端）技術(shù)、AJAX（動態(tài)網(wǎng)頁）技術(shù)的涌現(xiàn)和成熟下，WebGIS也基本能展現(xiàn)出與C/S一樣的效果和功能。目前發(fā)展WebGIS技術(shù)的公司可以大致分為兩個方向：一個是互聯(lián)網(wǎng)方向，一個是行業(yè)應(yīng)用方向?；ヂ?lián)網(wǎng)方向比如：百度地圖、高德地圖、谷歌地圖等，該系統(tǒng)計劃采用的就是谷歌地圖。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計思路

系統(tǒng)的總體設(shè)計思想如圖1所示。

在光纜巡護車上安裝自行研制的基于北斗的光纜巡護記錄儀（以下簡稱記錄儀），該記錄儀會自動記錄光纜巡護車的行駛軌跡，每間隔30m，采集一次地理位置信息，并記錄在光纜巡護記錄儀的內(nèi)置存儲器中。

當巡線車回到車場時，值班員通過軌跡采集終端采集記錄儀記錄的軌跡信息，該采集終端是通過射頻方式與記錄儀通信，將采集到的軌跡信息存入相關(guān)數(shù)據(jù)庫。

用戶打開瀏覽器，訪問基于WebGIS的光纜線路巡護管理系統(tǒng)，即可以查看指定車輛在指定日期的行駛軌跡，該行駛軌跡詳細顯示了到達某個地點的時間，以及該地點的坐標，此外，還可以動態(tài)再現(xiàn)巡護過程。

3 北斗光纜巡護記錄儀設(shè)計與實現(xiàn)

3.1 總體設(shè)計

記錄儀的主要功能就是獲取北斗信號，定位當前光纜巡護車的地理位置，并保存起來，同時，還要具有與軌跡采集軟件通信的功能，因此，其結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖2所示。

可以分為如下幾個功能模塊。

（1）MCU：主要作用是控制各個外圍模塊的正常工作，同時接收外部模塊傳入的數(shù)據(jù)、指令等信息。需要能夠支持多種接口協(xié)議，以與不同的外圍模塊交互。

（2）BD2定位模塊：主要作用是接收北斗衛(wèi)星的信號，計算得到當前的地理位置，并通過一定的接口將位置信息傳送到MCU，此處選擇的接口是串口。

（3）SD卡控制器：主要作用是接收MCU的指令，存儲、讀取SD卡中的數(shù)據(jù)。記錄儀會將巡線過程中的位置信息都存儲在SD卡，當接收到軌跡采集軟件的讀取指令后，會從中讀出指定的數(shù)據(jù)。此處設(shè)計SD卡控制器通過SPI接口與MCU交互。

（4）RF通信模塊：主要作用是與軌跡采集軟件建立通信鏈路，接收軌跡采集軟件傳過來的指令，然后交給MCU，同時，將MCU的回復(fù)信息發(fā)送給軌跡采集軟件。此處設(shè)計RF通信模塊通過串口與MCU交互。

（5）電源模塊：主要作用是將車載的24V或者12V直流電源轉(zhuǎn)換為適合MCU、BD2定位模塊、RF通信模塊、SD卡控制器使用的5V直流電源。

3.2 北斗定位模塊選型與配置

3.2.1 北斗定位模塊選型

BD2定位模塊的作用是接收北斗衛(wèi)星的信號，并加以計算，得到時間信息、定位信息，最后通過一定接口將時間信息、定位信息輸出，該文BD2定位模塊選擇的是“和芯星通”的UM220-III NL。UM220-III NL是一款BD、GPS雙模的定位導(dǎo)航芯片，能夠同時支持BD2 B1、GPS L1兩個頻點。

3.2.2 北斗定位模塊配置

UM220-III NL芯片默認是同時接收、處理BD、GPS兩個定位系統(tǒng)的信號，該文主要使用的是BD定位功能，因此需要配置以屏蔽GPS。

為了屏蔽GPS，可以通過UART接口向UM220-III NL發(fā)送如下配置指令：

$cfgsys， h10

其中消息名是cfgsys，作用是設(shè)定或輸出衛(wèi)星系統(tǒng)配置，其后面跟一個參數(shù)，類型是32bit整數(shù)，此處采用16進制的形式表示，其各個bit的含義如圖3所示，如果要開啟對應(yīng)的頻點，那么對應(yīng)的bit設(shè)置為1。所以此處設(shè)置為0x10，就表示只開啟BDS B1頻點。

此時，UM220-III NL會通過UART接口以1Hz的頻率，輸出如下格式的一些消息：

$BDGGA，003358.000，4058.939449，N，10012.779013，E，，00，3.781，1024.750，M，0，M，，*6D

$BDGLL，4058.939449，N，10012.779013，E，003358.000，V，N*57

$BDGSA，A，3，，，，，，，，，，，，，0.000，3.781，0.000*2E

$BDGSV，3，1，10，161，27，128，，162，38，209，，163，17，114，，16

4，14，110，*66

$BDRMC，003358.000，V，4058.939449，N，10012.779013，E，0.010，177.924，280715，，E，N*23

可以發(fā)現(xiàn)有五類消息，BDGGA、BDGLL、BDRMC中均包含此文所需要的定位信息，并且這3個信息中的內(nèi)容多有冗余，采用其中一種即可，可以屏蔽其他幾種，該文屏蔽了除BDRMC之外的其余信息。

BDRMC消息的格式如下：

$BDRMC，time，status，Lat，N，Lon，E，spd，cog，date，mv，mvE，mode*cs

各個字段的含義如下：

time：UTC時間，格式為hhmmss.sss，其中hh為小時，mm為分鐘，ss.sss為秒。

status：位置有效標識，V表示無效，A表示有效。

Lat：緯度，格式為ddmm.mmmmmm，其中dd為度，mm.mmmmmm為分。

N：北緯或南緯指示，N表示北緯，S表示南緯。

Lon：經(jīng)度，格式為dddmm.mmmmmm，其中ddd為度，mm.mmmmmm為分。

E：東經(jīng)或西經(jīng)指示，E表示東經(jīng)，W表示西經(jīng)。

spd：地面速率，單位是節(jié)。

cog：地面航向，單位是度，從北向順時針計算。

date：UTC日期，格式為ddmmyy，其中dd為日，mm為月，yy為年。

mv：磁偏角，固定填空。

mvE：磁偏角方向，固定填E。

mode：定位模式，N表示未定位，A表示單點定位，D表示差分定位。

cs：校驗和，從'$'到'*'之間的所有字符進行異或得到的 16 進制數(shù)。

UM220-III NL經(jīng)過上述配置，將按照1Hz的頻率通過UART接口輸出BDRMC消息，MCU將分析該消息，提取其中有效的信息。

3.2.3 北斗模塊電路設(shè)計

北斗模塊UM220-III NL的集成度很高，外圍電路設(shè)計并不復(fù)雜，需要注意的是其采用的是3.3V供電。另外，UM220-III NL提供了兩個UART口，該系統(tǒng)計劃都使用，其中一個連接到ATMega2560，另一個通過電平轉(zhuǎn)換芯片MAX232，連接到PC機，便于后期的調(diào)試。其電路設(shè)計如圖4所示。

3.2.4 固件編寫

需要為ATMega2560編寫固件，才能使其按照預(yù)期設(shè)想進行工作。ATMega2560中固件的主要工作流程如圖5所示。

按照完成的主要工作，可以分為三步。

第一步：初始化。包括設(shè)置ATMega2560中各個端口的工作方式、時鐘設(shè)置、串口速率設(shè)置、中斷設(shè)置、檢查SD卡是否可讀等。

第二步：等待初始定位。因為剛剛加電的的時候，UM220-III NL是冷啟動，需要至少30s才能輸出有效數(shù)據(jù)，所以，需要不斷的檢查UM220-III NL的輸出數(shù)據(jù)，直到數(shù)據(jù)是有效的，將其中的位置信息，作為初始位置信息保存。

第三步：實時記錄位置信息。這實際是一個不斷地循環(huán)檢查，獲取UM220-III NL的輸出數(shù)據(jù)，如果無效，那么舍棄，如果有效，那么計算新的位置與舊的位置之間的距離是否大于30m，如果不大于30m，那么舍棄，如果大于30m，那么使用新的位置信息更新舊的位置信息，并將新的位置信息保存到SD卡，如此不停的循環(huán)。

4 軌跡采集軟件設(shè)計與實現(xiàn)

4.1 軌跡采集協(xié)議設(shè)計

4.1.1 軌跡采集軟件與光纜巡護記錄儀建立連接協(xié)議

軌跡采集軟件通過軌跡采集器，向指定車輛的光纜巡護記錄儀發(fā)送一個握手信號“SYN：E”，記錄儀接收握手信號后，向軌跡采集軟件發(fā)送一個確認信號“OK”。軌跡采集軟件收到確認信號，認為連接建立成功。

4.1.2 軌跡采集軟件發(fā)送、讀取軌跡數(shù)據(jù)協(xié)議

軌跡采集軟件與記錄儀建立連接后，軌跡采集軟件向指定車輛的記錄儀發(fā)送獲取特定日期軌跡信息的指令，格式是“XXXXXX：E”，其中6個X是日期，格式是YYMMDD，前兩位是年，接著兩位是月，最后兩位是日。記錄儀收到指令后，將對應(yīng)日期的軌跡數(shù)據(jù)發(fā)送到軌跡采集器端，一次發(fā)送一個軌跡采集點數(shù)據(jù)，格式如下：

xxxxxx；xxxxxx；xxxx.xxxxxx；xxxxx.xxxxxx

數(shù)據(jù)中第一個分號前的6位是采集日期，格式是YYMMDD，第二個分號前的6位是采集時間，格式是hhmmss，第三個分號前的11位是采集點經(jīng)度，格式是hhmm.mmmmmm，最后12位是采集點緯度，格式是hhhmm.mmmmmm。

4.2 軌跡采集軟件的實現(xiàn)

軌跡采集軟件的主要功能是讀取指定車輛、指定日期的巡線軌跡數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)庫服務(wù)器。軟件主要包括通信建立模塊、軌跡數(shù)據(jù)采集模塊和軌跡數(shù)據(jù)存儲模塊。

4.2.1 通信建立模塊

首先，通過讀取電腦注冊表信息獲取主機上所有可用串口，然后依次向各個串口發(fā)送握手信號“SYN：E”。若某個串口收到響應(yīng)信息“OK”，則認為通信建立成功；若所有串口沒有收到響應(yīng)信息，則認為通信建立失敗，數(shù)據(jù)采集結(jié)束并給出提示信息。

4.2.2 軌跡數(shù)據(jù)采集

用戶選定車輛和日期后，點擊“軌跡數(shù)據(jù)采集”按鈕，軌跡采集軟件向記錄儀發(fā)送“XXXXXX：E”指令，然后讀取串口收到的數(shù)據(jù)，并保存到臨時存儲文件patrolTrack.txt中。如果讀取到“EOF”，則表示數(shù)據(jù)傳送結(jié)束。

4.2.3 軌跡數(shù)據(jù)存儲

軌跡采集軟件在軌跡采集結(jié)束后，會接著打開軌跡數(shù)據(jù)臨時存放文件patrolTrack.txt，讀取每一行數(shù)據(jù)（一行數(shù)據(jù)為一條巡線軌跡數(shù)據(jù)），判斷數(shù)據(jù)是否完整，如果數(shù)據(jù)不完整，那么丟棄該數(shù)據(jù)；如果數(shù)據(jù)完整，那么將該數(shù)據(jù)保存到數(shù)據(jù)庫中。

5 軌跡呈現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

5.1 總體設(shè)計

軌跡呈現(xiàn)系統(tǒng)主要實現(xiàn)對指定時間段內(nèi)指定車輛行駛軌跡的呈現(xiàn)、回放、行駛里程計算等。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6所示，采用B/S模式，分為3層，分別是數(shù)據(jù)層、服務(wù)層、顯示層。

（1）數(shù)據(jù)層：用來提供軌跡數(shù)據(jù)，采用就是第5節(jié)中軌跡采集軟件儲存在MySQL數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)。

（2）服務(wù)層：是顯示層與數(shù)據(jù)層的中間層，接收顯示層提供的查詢請求，依據(jù)該請求查詢數(shù)據(jù)層，并將結(jié)果返回給顯示層，后者進行可視化顯示。采用的是Servlet方式，與顯示層交互采用的是Ajax方式。

（3）顯示層：有3個主要的功能模塊，即用戶接口、軌跡顯示、軌跡回放。

用戶接口模塊的作用是提供一個查詢界面，供用戶選擇需要查詢的時間段及車牌號，并能將用戶選擇的查詢參數(shù)通過Ajax方式發(fā)往服務(wù)層。

軌跡顯示模塊接收服務(wù)層返回的數(shù)據(jù)，并在地圖上呈現(xiàn)出來。服務(wù)層返回的是采集的車輛行駛軌跡點的信息，有兩種呈現(xiàn)方式：點繪制和路線繪制。點繪制是將所有采集的軌跡點在地圖上用標記點圖標繪制出來。路線繪制是通過不斷繪制點標記和系統(tǒng)自動繪制的直線標記形成行駛路線。

軌跡回放模塊實現(xiàn)行駛軌跡的動態(tài)再現(xiàn)，方便用戶直觀地了解車輛的運行軌跡，此外，當用戶查看軌跡回放時，可點擊圖標按鈕實現(xiàn)軌跡回放的暫停與繼續(xù)。

5.2 軌跡呈現(xiàn)系統(tǒng)的實現(xiàn)

為了便于理解，下面按照用戶接口、服務(wù)層、軌跡顯示、軌跡回放的順序介紹軌跡呈現(xiàn)系統(tǒng)的實現(xiàn)。

（1）用戶接口的實現(xiàn)：用戶接口提供日期、車牌號供用戶選擇。本系統(tǒng)采用ExtJS實現(xiàn)用戶接口。

（2）服務(wù)層的實現(xiàn)：用戶選擇的日期、車牌號會提交給服務(wù)層，后者查詢數(shù)據(jù)庫獲取對應(yīng)的軌跡信息。服務(wù)層采用Java Servlet實現(xiàn)。

（3）軌跡顯示的實現(xiàn)：服務(wù)層返回的軌跡信息會交給顯示層的軌跡顯示模塊，后者將在Google Map上繪制對應(yīng)的行駛軌跡，既可以繪制獨立的軌跡點，也可以將軌跡點連接成線，當鼠標點擊某個軌跡點時，會顯示這個軌跡點的詳細信息，包括經(jīng)緯度、到達時間、行駛距離等。顯示軌跡點的效果如圖7所示。

（4）軌跡回放的實現(xiàn)：通過使用定時器逐段繪制出軌跡點，可以實現(xiàn)軌跡回放。

6 結(jié)語

該文從基地出口光纜線路巡護管理工作存在的現(xiàn)實問題入手，提出了一種基于北斗衛(wèi)星定位技術(shù)和WebGIS技術(shù)的光纜線路巡護管理系統(tǒng)，設(shè)計開發(fā)相關(guān)的軟硬件系統(tǒng)，并進行實用化驗證測試，實現(xiàn)了對巡線車輛軌跡的記錄與回放，系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，達到了設(shè)計目的，滿足了使用要求。

該文的研究工作為光纜線路巡護管理的信息化進行了有益探索，為其他軌跡記錄提供思路。但是在使用范圍的廣泛性、小型化和便捷性方面還要進一步的研究和改進，這是我們后續(xù)研究的內(nèi)容和方向。

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