基于射頻技術的危化品矢量追蹤系統(tǒng)

童林

【關鍵詞】GPS 射頻技術 危化品運輸 軌跡獲取

危化品運輸是一種動態(tài)的潛在的危險源。危化品運輸車輛事故，則更易對社會和周圍生態(tài)環(huán)境尤其是水體造成嚴重危害和污染。為了減少事故的發(fā)生，在發(fā)生事故時提高救援處理的效率，本文設計了一套基于射頻技術的實時追蹤定位系統(tǒng)。射頻實質(zhì)上是一種頻譜介于75kHz和3000GHz之間的射頻電波，當頻譜范圍介于20Hz和20kHz之間時，這種非常低的頻譜信號就難以直接用天線發(fā)射，而是要利用無線電技術先經(jīng)過轉(zhuǎn)換、調(diào)制達到一定的高頻范圍，才可以借助無線電波傳播。其特點是可以隨時隨地、隨心所欲地實現(xiàn)長距離、長時間的通信。同時，射頻通信不受地形地貌的限制，克服了有線連接時布線不便并存在安全隱患的缺點。

1 系統(tǒng)總體設計方案

針對危化品運輸過程中的各種問題，提出并設計了一種基于射頻技術的危化品轉(zhuǎn)運軌跡獲取系統(tǒng)。本系統(tǒng)的總體設計方案如圖1所示，主要包括定位終端、矢量追蹤端兩個部分。

2 系統(tǒng)硬件開發(fā)與實現(xiàn)

2.1 定位終端

定位終端設計主要包括單片機C8051F040設計、定位GPS設計，發(fā)送射頻模塊設計。射頻模塊選用MaxStream公司的9XTend系列ISM 900MHz頻段產(chǎn)品XT09-SI。使用高增益天線時，輸出波特率為9600bps，其傳輸距離最高可達25km。本設計中，該模塊采用透傳技術進行通訊。GPS選取東方聯(lián)星公司的軍用GPS模塊CNS50-009，其具有數(shù)據(jù)包字節(jié)數(shù)固定便于處理，不受速度的限制，抗干擾能力強等優(yōu)點。

定位終端主要完成運輸載體的各種不同狀態(tài)信息的采集與處理，并通過射頻模塊將危化品位置矢量信息，包括經(jīng)度、緯度、高度等發(fā)送到終端系統(tǒng)。

2.2 矢量追蹤端

矢量追蹤端主要包括單片機C8051F040主控模塊、監(jiān)測端定位GPS模塊，上位機軟件部分，Google Earth部分，射頻接收模塊。矢量追蹤端主要實現(xiàn)對跟蹤設備的簡單定位，選用瑞士U-BLOX 第6代GPS引擎MAX-6Q。射頻模塊信號與定位端等同，通過廠家自帶配置軟件配置成接收模塊。

矢量追蹤端完成接收定位終端發(fā)送過來的空間位置、時間等信息。通過射頻接收模塊接收GPS數(shù)據(jù)等定位信息，由UART0傳給單片機將其編幀，并將此串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)成并行數(shù)據(jù)通過P4口給FT245，由USB口上傳給上位機。另外，跟蹤監(jiān)測終端實現(xiàn)監(jiān)測終端的定位，以同樣的方式上傳給上位機，上位機加載各種不同定位信息并做出最終判斷，畫出車/船載定位終端的實時運輸軌跡，PC再調(diào)用Google Earth并加載兩路GPS數(shù)據(jù)在Google地圖上畫出車定位終端和矢量追蹤端的運動軌跡。

3 系統(tǒng)軟件構(gòu)架與實現(xiàn)

由于GPS發(fā)送的危化品定位信息數(shù)據(jù)量比較大，系統(tǒng)接收和處理數(shù)據(jù)的任務比較繁重，因此設計的程序要有很高的運行效率，而且該程序必須能夠通過射頻網(wǎng)絡將GPS定位信息實時的發(fā)送給服務器。而C#支持COM技術以及純API調(diào)用，所以選擇C#作為本系統(tǒng)開發(fā)語言。分為2個子系統(tǒng)：定位狀態(tài)數(shù)據(jù)管理與轉(zhuǎn)運軌跡獲取。

本系統(tǒng)主要用到Google最近向外界公布的一組接口，Google Earth COM API。設計軟件對Google Earth發(fā)送指令進行信息查詢與控制。由于Google Earth地圖瀏覽器中用于地理數(shù)據(jù)交換的文件格式KML文檔框架是基于XML格式的，選擇VS2005作為開發(fā)工具。VS2005提供了XML設計器，大大簡化了將GPS定位信息轉(zhuǎn)化為Google Earth識別的KML文檔的工作。

3.1 定位狀態(tài)數(shù)據(jù)管理

數(shù)據(jù)管理是本系統(tǒng)軟件設計的核心問題，主要包括危化品運輸設備空間位置等矢量信息、時間信息，基本的地圖等數(shù)據(jù)的提取，存儲，轉(zhuǎn)發(fā)等預處理，以及通過FT245模塊以并行數(shù)據(jù)的形式上傳給上位機，實現(xiàn)軌跡的獲取。

本系統(tǒng)GPS模塊接收到的定位信息為NMEA-0183格式，本系統(tǒng)所需要提取的GPS定位信息（經(jīng)度、緯度、高程、時間等），全部保存在以“$GPGGA”字段開頭的那一行中，即GPGGA格式：$GPGGA，UTC時間，緯度，北緯/南緯，經(jīng)度，東經(jīng)/西經(jīng)，質(zhì)量因子，可使用的衛(wèi)星數(shù)，水平精度因子，天線高程，大地橢球面相對海平面的高度，差分GPS數(shù)據(jù)年齡，差分基準站號，總和校驗域，總和校驗數(shù)。

3.2 轉(zhuǎn)運軌跡獲取

跟蹤監(jiān)測終端GPS實現(xiàn)監(jiān)測終端的核心程序之一是上位機加載地圖文件并繪制軌跡，上位機利用C++編寫。

Google Earth軟件為用戶提供2種擴展接口：一種是KML（keyhole markup language）文件形式，另一種是組件（COM）API形式。KML文件是基于XML語法格式的文件，是一種在Google地圖瀏覽器中用于交換地理數(shù)據(jù)的文件。它定義了一些規(guī)定地理數(shù)據(jù)的顯示方式。其用途主要有：

（1）指定地點的圖標和注記；

（2）為每一個地理特征創(chuàng)建不同的視角位置；

（3）在地球上疊放圖像；

（4）指定地理特征顯示的樣式；

（5）編寫地理特征的HTML描述，包括超鏈接和內(nèi)嵌圖像；

（6）使用文件夾對地理特征進行群集；

（7）KML文件的動態(tài)獲取及修改；

（8）顯示三維地物。

本文首先根據(jù)以上KML格式利用XmlTextWriter類生成中北大學地標KML文件，然后通過調(diào)用Google Earth API函數(shù)不斷的將實時接收到的經(jīng)度、緯度等GPS定位信息寫入KML文件“”標簽內(nèi)，然后利IApplictionG類中的OpenKmlFile函數(shù)讀取生成的KML文件，將定位信息以及運行軌跡實時動態(tài)的顯示在地圖上。

4 實驗結(jié)果分析

圖2為GPS在中北大學校園內(nèi)實時定位效果圖。圖3是定位終端于中北大學校園內(nèi)定位軌跡顯示示意圖，圖左側(cè)為地圖文件中的軌跡顯示，當前位置處于中北大學校醫(yī)院附近。藍色五角星代表定位端，紅色五角星代表追蹤端，藍色線條為定位端所走過的軌跡，圖右側(cè)藍色字樣的GPS信息為定位終端定位信息，紅色字樣的GPS信息為追蹤端定位信息。由圖可知定位終端的位置信息：緯度38°00.87460`，經(jīng)度112°26.71110`，海拔823.8953 km；矢量追蹤端的位置信息：緯度38°00.87322`，經(jīng)度112°26.71560`，海拔826.9km。

5 總結(jié)

本監(jiān)測系統(tǒng)詳細地闡述了面向危化品準確定位與追蹤系統(tǒng)的設計思想，并且所設計的定位監(jiān)測系統(tǒng)被試驗驗證其可行。隨著研究的不斷深入和各項功能的完善，該監(jiān)測系統(tǒng)將被廣泛應用于各種危化品集裝箱與運輸車上，從而減少和避免事故的發(fā)生，避免和降低事故危害。更進一步為人們的生命和財產(chǎn)安全帶來保障。

參考文獻

[1]姜曉強，張鵬高，王成發(fā).射頻技術發(fā)展與應用現(xiàn)狀[J].信息通信，2012，2012（03）：206.

[2]雷立動，裴海龍.基于無線數(shù)傳模塊的無人機通信系統(tǒng)設計[J].計算機測量與控制，2012，20（2）：460-463.

[3]曹婷婷.GPS中NEMA-0183協(xié)議的應用[J].電子工程師，2006，32（10）：8-11.

[4]Lu Ming，Chen Wu，Shen Xuesong，et al.Positioning and tracking construction vehicles in highly dense urban areas and building construction sites[J].Automation in Construction，2007，16：647-656.