基于北斗信息及移動互聯的綜合 網絡化監管平臺的研究

王賽云，王冠宇，黃智丹，曲洪斌

(北華航天工業學院 電子與信息工程學院，河北 廊坊 065000)

0 引言

衛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星系統，分別是GPS、GLONASS、伽利略衛星導航系統以及北斗衛星導航系統。GPS 是在美國海軍導航衛星系統的基礎上發展起來的無線電導航定位系統；GLONASS 是由原蘇聯國防部獨立研制和控制的第二代軍用衛星導航系統；伽利略衛星導航系統是由歐盟研制和建立的全球衛星導航定位系統。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，因此研發北斗衛星導航系統被提上日程，它是中國自主研發、獨立運行的全球衛星導航系統。2012 年12 月，北斗衛星導航系統正式開放運行，開始為我國及周邊區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管平臺的研究，采用北斗GIS 的應用開發，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管或者企業的移動監控，在電子地圖上可以對重點監控或監管對象實施定位，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，可針對不同行業、不同部門快速實現功能定制等。是政府、企業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。

我國自主的北斗衛星技術的應用是解決依賴GPS 的關鍵，研制開發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管平臺，應用于政府的在線指揮監管或者企業的移動監控，在電子地圖上可以對重點監控或監管對象實施定位，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

北斗衛星導航系統是我國自主研制并投入使用的衛星導航系統，衛星導航系統可分為有源（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送給衛星，這就存在極大的隱患，在信號傳送給衛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送信號，只需要接收不少于4 顆來自北斗衛星發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

整個系統共分為三部分，通過建設包括由系統服務端、定位信號設備終端和移動控制終端構成的定位監控平臺實現終端定位設備的跟蹤和管理。系統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送出來的數據并進行存儲，同時還可以將這些數據再發送給移動控制終端，定位信號設備終端設備由被監測人員佩戴，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 協議，持續發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，休眠期間不對外發送定位信息。具備服務器地址修改功能。一旦服務器地址發生改變，可通過短信形式向終端發送，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送給通信模塊，通過通信模塊將信息發送出來，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送定位指令，指令以短信格式發送給終端，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 卡號發送到指定服務器。定位終端可按一定時間規律向指定服務器發送經緯度坐標、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送NMEA-0183 通信協議的單行報文[4-5]。UM220是針對車輛監控/導航、手持設備等應用推出的北斗/GPS 雙系統模塊。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模應用。

北斗衛星發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為數字信號量，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的正常運行起著極為重要的作用，本系統無需太大的計算量，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，將數據發送給系統服務端，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，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，系統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送給系統服務端，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，對系統服務端的設置和移動控制端APP 的開發沒有做更詳細的闡述。本課題將北斗衛星的數據處理技術、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星信息終端數據的收發的數學模型；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星導航系統的精準定位，具有較高的實用性。