衛(wèi)星應(yīng)用綜合實(shí)訓(xùn)平臺(tái)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

唐建清 鄒國(guó)霞

摘? 要：針對(duì)市場(chǎng)上缺乏衛(wèi)星定位應(yīng)用開發(fā)體系的教學(xué)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，設(shè)計(jì)了一套集軟件和硬件于一體的綜合實(shí)訓(xùn)平臺(tái)。基于工作過程方法，將平臺(tái)分為前端應(yīng)用部分、衛(wèi)星定位硬件部分和衛(wèi)星數(shù)據(jù)采集后臺(tái)部分，前端應(yīng)用部分主要請(qǐng)求后臺(tái)定位數(shù)據(jù)及其他信息并進(jìn)行定位操作和其他狀態(tài)的顯示;衛(wèi)星定位硬件部分主要進(jìn)行衛(wèi)星定位信息及其他信息的采集、解析、顯示、遠(yuǎn)程發(fā)送;衛(wèi)星數(shù)據(jù)采集后臺(tái)部分主要存儲(chǔ)定位信息及其他信息。通過實(shí)踐教學(xué)證明該平臺(tái)成本低，操作簡(jiǎn)單，易學(xué)易用，能夠綜合應(yīng)用學(xué)生所學(xué)知識(shí)并激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)激情。

關(guān)鍵詞：衛(wèi)星定位;單片機(jī);GPRS

Abstract：For the lack of teaching and training platform in satellite positioning application development system，a comprehensive training platform integrating software and hardware is designed. Based on the working process method，the platform is divided into front-end application part，satellite positioning hardware part and satellite data acquisition background part. Front-end application part mainly requests background location data and other information and displays location operation and other status. The hardware part of satellite positioning mainly collects，parses，displays and transmits satellite positioning information and other information remotely. The background part of satellite data acquisition mainly stores positioning information and other information. Through practical teaching，it is proved that the platform is low cost，simple to operate，easy to learn and use，and can comprehensively apply the knowledge learned by students and stimulate their passion for innovation and entrepreneurship.

Keywords：satellite positioning;single chip;general packet radio service

0? 引? 言

衛(wèi)星應(yīng)用產(chǎn)業(yè)已經(jīng)成為促進(jìn)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要領(lǐng)域之一。文獻(xiàn)[1]指出，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是我國(guó)自主研制的GNSS系統(tǒng)，它是國(guó)家重要的戰(zhàn)略資源，在國(guó)防和國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中發(fā)揮著重要效益。文獻(xiàn)[2]指出，衛(wèi)星及應(yīng)用產(chǎn)業(yè)是國(guó)家戰(zhàn)略性高技術(shù)產(chǎn)業(yè)，是我國(guó)戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)高端裝備制造業(yè)的重點(diǎn)發(fā)展方向。文獻(xiàn)[3]指出，北斗系統(tǒng)建設(shè)應(yīng)用被確定為國(guó)家“十三五”4大重點(diǎn)工作和12項(xiàng)優(yōu)先行動(dòng)之一，文獻(xiàn)[4]指出，鼓勵(lì)廣東省內(nèi)高等學(xué)校調(diào)整專業(yè)學(xué)科設(shè)置，滿足衛(wèi)星導(dǎo)航產(chǎn)業(yè)發(fā)展人才需求。文獻(xiàn)[5-8]指出，衛(wèi)星應(yīng)用需要人才非常廣泛，可以從事產(chǎn)品研發(fā)、系統(tǒng)開發(fā)、運(yùn)營(yíng)服務(wù)?；谛l(wèi)星應(yīng)用行業(yè)人才的需要，2017年開設(shè)了“軟件技術(shù)專業(yè)（衛(wèi)星應(yīng)用）”方向，而且該方向列入校級(jí)創(chuàng)新強(qiáng)校工程。2018年“軟件技術(shù)專業(yè)（衛(wèi)星應(yīng)用）”人才培養(yǎng)模式研究獲得了“2019年度國(guó)家工業(yè)和信息化職業(yè)教育教學(xué)科研課題”立項(xiàng)。

1? 衛(wèi)星定位應(yīng)用綜合實(shí)訓(xùn)平臺(tái)整體設(shè)計(jì)

文獻(xiàn)[9-11]指出，實(shí)踐教學(xué)是高等學(xué)校培養(yǎng)大學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，結(jié)合專業(yè)特色，開展相應(yīng)的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)具有重要作用。如文獻(xiàn)[12]提到的情況一樣，目前針對(duì)衛(wèi)星定位的實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)很少，而且市場(chǎng)上的衛(wèi)星定位教學(xué)實(shí)驗(yàn)箱或?qū)嶒?yàn)裝置教學(xué)內(nèi)容主要是將企業(yè)的一些實(shí)際項(xiàng)目移植過來，這些設(shè)備除了費(fèi)用較高以外，內(nèi)容也比較復(fù)雜。實(shí)驗(yàn)箱或?qū)嶒?yàn)裝置是集成好的或者封裝好的，學(xué)習(xí)者沒有更直觀的認(rèn)識(shí)。

廣東理工職業(yè)學(xué)院工程技術(shù)學(xué)院偏向硬件電子類，廣東理工職業(yè)學(xué)院人工智能學(xué)院偏向軟件開發(fā)類，學(xué)硬件的學(xué)生不懂應(yīng)用軟件開發(fā)，學(xué)軟件的學(xué)生對(duì)硬件了解較少，而在實(shí)際工作中需要學(xué)軟件的學(xué)生懂得一點(diǎn)硬件基本知識(shí)，學(xué)硬件的學(xué)生也要知道應(yīng)用軟件是如何開發(fā)的?；谶@個(gè)目的，廣東理工職業(yè)學(xué)院工程技術(shù)學(xué)院和人工智能學(xué)院從學(xué)生熟悉的生活環(huán)境出發(fā)，將大家熟悉的共享單車進(jìn)行簡(jiǎn)化，由工程技術(shù)系設(shè)計(jì)硬件部分，由人工智能學(xué)院設(shè)計(jì)應(yīng)用軟件部分，最后形成一個(gè)由軟硬件結(jié)合的綜合實(shí)訓(xùn)平臺(tái)。

本文設(shè)計(jì)的實(shí)訓(xùn)平臺(tái)完全是零散的模塊，每個(gè)模塊具有特定的功能，通過整個(gè)實(shí)訓(xùn)的設(shè)計(jì)過程，將一個(gè)一個(gè)模塊連接起來，最后形成一個(gè)完整的應(yīng)用系統(tǒng)模型，能夠?qū)崿F(xiàn)學(xué)生對(duì)衛(wèi)星定位應(yīng)用的綜合訓(xùn)練的需要，提高學(xué)生的衛(wèi)星定位綜合應(yīng)用技能。該衛(wèi)星定位應(yīng)用綜合實(shí)訓(xùn)平臺(tái)整體設(shè)計(jì)如圖1所示。

對(duì)于衛(wèi)星定位前端的開發(fā)需要涉及硬件部分，這一部分主要是用來遠(yuǎn)程控制事件的觸發(fā)和響應(yīng)，如圖1右邊所示，圖1右邊硬件部分最終是根據(jù)特點(diǎn)的功能研制成的產(chǎn)品，如ofo的車鎖部分、山洪檢測(cè)器等。圖1左邊是遠(yuǎn)程接收?qǐng)D1右邊硬件產(chǎn)品信息的軟件，衛(wèi)星定位應(yīng)用只有軟硬件結(jié)合使用才有現(xiàn)實(shí)意義。一般情況軟件部分的作用主要是遠(yuǎn)程監(jiān)控硬件產(chǎn)品。

本系統(tǒng)主要從最簡(jiǎn)單的原理模型出發(fā)，讓學(xué)習(xí)者能以最快的速度和最少的精力掌握衛(wèi)星定位應(yīng)用開發(fā)，從而激發(fā)學(xué)習(xí)者的創(chuàng)新欲望，增加創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)機(jī)會(huì)。

2? 衛(wèi)星定位應(yīng)用綜合實(shí)訓(xùn)平臺(tái)軟件部分

衛(wèi)星定位應(yīng)用綜合實(shí)訓(xùn)平臺(tái)軟件部分主要是采集數(shù)據(jù)和對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行應(yīng)用，作為實(shí)訓(xùn)平臺(tái)應(yīng)該盡量用簡(jiǎn)單易理解的方式讓學(xué)習(xí)者明白理論知識(shí)，這樣才可以讓學(xué)習(xí)者更有興趣探索新的事物并進(jìn)行創(chuàng)新。

2.1? 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)TCP服務(wù)端

該服務(wù)端功能就是采集遠(yuǎn)程SIM卡發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，并將該衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)中，所使用的知識(shí)點(diǎn)是TCP Socket編程、數(shù)據(jù)庫操作以及GPRS的TCP傳輸模式。其數(shù)據(jù)流程如圖2所示。

遠(yuǎn)程GPRS通過TCP命令，將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給TCP服務(wù)器，TCP服務(wù)器將接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，并按照一定格式存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫中，以便客戶端對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

2.2? 數(shù)據(jù)顯示W(wǎng)eb客戶端

數(shù)據(jù)顯示W(wǎng)eb客戶端是衛(wèi)星定位信息的應(yīng)用，通過Web服務(wù)器創(chuàng)建衛(wèi)星定位應(yīng)用系統(tǒng)，該系統(tǒng)獲取數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，并通過網(wǎng)頁的形式展示給用戶。從簡(jiǎn)單出發(fā)可以利用Node.js和Vue.js來實(shí)現(xiàn)。其部署圖如圖3所示。

Web服務(wù)器部分主要運(yùn)行Node.js服務(wù)端程序，讀取數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中的衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)。

前端網(wǎng)頁主要采用Vue.js前端技術(shù)，對(duì)讀取的數(shù)據(jù)進(jìn)行定位顯示或者路徑顯示。

3? 衛(wèi)星定位應(yīng)用綜合實(shí)訓(xùn)平臺(tái)硬件部分

衛(wèi)星定位應(yīng)用綜合實(shí)訓(xùn)平臺(tái)硬件部分主要是用來采集定位信息、解析定位信息、遠(yuǎn)程傳輸定位信息到服務(wù)器。為此需要用到的功能模塊如圖4所示。

在圖4中，GPRS主要是通過SIM模塊來實(shí)現(xiàn)，該模塊可以借助GPRS網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程與服務(wù)器進(jìn)行交換數(shù)據(jù);單片機(jī)主要是采集定位信息，分析定位信息，發(fā)送指令和定位信息給GPRS，使采集到的定位信息及時(shí)通過GPRS傳送到服務(wù)器;定位芯片主要是接收衛(wèi)星定位信息;TFT顯示屏顯示單片機(jī)解析后的定位信息。

4? 實(shí)驗(yàn)效果圖展示

4.1? 通過串口采集定位芯片信息

先通過串口采集定位芯片信息，這樣電腦可以很直觀地看到定位芯片接收到的衛(wèi)星定位信息，信號(hào)的格式是由數(shù)據(jù)傳輸標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)制定的NMEA0183數(shù)據(jù)格式。對(duì)輸出信息中各數(shù)據(jù)的位置作了具體的規(guī)定，以防止信息的混淆。常用的輸出格式有$GPRMC、$GPGGA、$GPGSV、$GPGSA、$GPGLL、$GPZDA、$GPVTG 等幀數(shù)據(jù)格式。根據(jù)收集到的數(shù)據(jù)對(duì)NMEA0183常用的數(shù)據(jù)格式進(jìn)一步進(jìn)行理解和掌握，實(shí)驗(yàn)效果截圖如圖5所示。

常用的推薦定位信息數(shù)據(jù)格式為$XXRMC。

圖5結(jié)果中常用的定位信息為$GPRMC，GP表示GPS定位芯片。

上面數(shù)據(jù)采集的是靜態(tài)室外定位數(shù)據(jù)：

（1）091057.00：9+8=17，即下午5點(diǎn)，定位時(shí)間為17時(shí)10分57秒。

（2）A：定位有效。

（3-6）2231.05016，N，11323.85871，E：緯度北半球2231. 05016，東經(jīng)11323.85871。

（7）0.156：地面數(shù)度0.156節(jié)。

（8）地面航向：0。

（9）261018：2018年10月26日。

（10）磁偏角：0。

（11）A：自主定位。

（12）*75：校驗(yàn)和。

4.2? 通過單片機(jī)采集定位信息并解析

單片機(jī)通過串口與定位芯片連接，采集并解析$GPRMC定位信息，實(shí)驗(yàn)效果如圖6所示。

4.3? 通過SIM卡遠(yuǎn)程發(fā)送定位信息到服務(wù)器

單片機(jī)發(fā)送信息給GPRS模塊，讓GPRS模塊向服務(wù)器發(fā)送TCP連接請(qǐng)求，請(qǐng)求成功后，單片機(jī)將接收到的定位信息顯示到顯示屏上并發(fā)送給GPRS，GPRS再將接收到的定位信息發(fā)送給TCP服務(wù)器。實(shí)驗(yàn)連接圖和實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7、圖8所示。

4.4? 前端應(yīng)用部分顯示定位地圖

通過請(qǐng)求服務(wù)器采集的定位信息，通過vue-amap插件將定位信息顯示在地圖上，效果如圖9所示。

5? 結(jié)? 論

衛(wèi)星定位綜合實(shí)訓(xùn)平臺(tái)已經(jīng)應(yīng)用于教學(xué)之中，其中一套硬件系統(tǒng)各個(gè)模塊加起來目前市場(chǎng)價(jià)是150元左右，軟件系統(tǒng)開發(fā)可以應(yīng)用于教學(xué)之中作為實(shí)訓(xùn)案例完成，因此該衛(wèi)星定位綜合實(shí)訓(xùn)平臺(tái)整體性價(jià)比非常高，既可以提高學(xué)習(xí)者的動(dòng)手能力、創(chuàng)新能力，又可以讓學(xué)習(xí)者明白衛(wèi)星定位硬件產(chǎn)品創(chuàng)作原理和衛(wèi)星定位應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)過程，激發(fā)軟件開發(fā)者學(xué)習(xí)硬件的興趣或者激發(fā)硬件開發(fā)者學(xué)習(xí)軟件的興趣，從而解決軟件學(xué)習(xí)者見到硬件望而生畏，硬件學(xué)習(xí)者不了解軟件開發(fā)的問題，更有利于學(xué)習(xí)者提升空間。

參考文獻(xiàn)：

[1] 莊釗文，王飛雪，歐鋼，等.北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)安全和完好性監(jiān)測(cè)現(xiàn)狀與發(fā)展 [J].科技導(dǎo)報(bào)，2017，35（10）：13-18.

[2] 欒恩杰，王崑聲，袁建華，等.我國(guó)衛(wèi)星及應(yīng)用產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究 [J].中國(guó)工程科學(xué)，2016，18（4）：76-82.

[3] 國(guó)家衛(wèi)星導(dǎo)航產(chǎn)業(yè)中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃 [J].衛(wèi)星應(yīng)用，2013（6）：38-43.

[4] 廣東省人民政府辦公廳.廣東省人民政府辦公廳關(guān)于推動(dòng)衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用產(chǎn)業(yè)發(fā)展的指導(dǎo)意見 [R/OL].（2016-06-27）.http：//www.gd.gov.cn/gkmlpt/content/0/145/post_145094.html#7.

[5] 王東偉.全球商業(yè)衛(wèi)星遙感市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)格局分析 [J].中國(guó)航天，2015（12）：13-20.

[6] 中國(guó)產(chǎn)業(yè)規(guī)劃網(wǎng).國(guó)內(nèi)外衛(wèi)星應(yīng)用產(chǎn)業(yè)分析 [EB/OL].[2020-02-10].http：//www.chanyeguihua.com/2929.html.

[7] 中國(guó)國(guó)際貿(mào)易促進(jìn)委員會(huì)電子信息行業(yè)分會(huì).2015年中國(guó)衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及前景分析 [EB/OL].（2015-11-03）.http：//www.ccpitecc.com/article.asp？id=6399.

[8] zdjlyhinfo.廣東省發(fā)展北斗衛(wèi)星應(yīng)用的基礎(chǔ)和前景 [EB/OL].（2011-11-26）.https：//wenku.baidu.com/view/f393b 14333687e21af45a9e5.html.

[9] 默少麗，王康，張懷超，等.基于物聯(lián)網(wǎng)的環(huán)境監(jiān)控實(shí)訓(xùn)平臺(tái)設(shè)計(jì)探究 [J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2016，35（8）：235-237.

[10] 譚平.地方高校應(yīng)用型人才工程實(shí)踐能力的培養(yǎng) [J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2009，28（5）：93-96.

[11] 朱正偉，劉東燕，何敏.加強(qiáng)高校實(shí)踐教學(xué)的探索與實(shí)踐 [J].中國(guó)大學(xué)教學(xué)，2007（1）：76-78.

[12] 杜偉略，潘健.物聯(lián)網(wǎng)綜合實(shí)訓(xùn)平臺(tái)設(shè)計(jì) [J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2013，30（9）：63-67.

作者簡(jiǎn)介：唐建清（1971—），男，漢族，湖南邵陽人，副教授，碩士，研究方向：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及教育、區(qū)塊鏈技術(shù)。