基于NB-IoT的地鐵列車定位系統設計

鄧建芳，李志明，楊森，丁云杰

（南京鐵道職業技術學院，江蘇南京，210031）

1 系統總體結構

地鐵列車絕大多數時候行使在地面以下的隧道中，衛星信號衰落較大，美國GPS和中國北斗等衛星定位方式均無用武之地。本文提出利用地鐵已建成的公共4G蜂窩移動網絡上部署的窄帶物聯網（Narrow Band Internet of Things, NBIoT）， 設計出一套基于NB-IoT的地鐵列車定位系統，滿足以下需求：

（1）獨立于CBTC系統，為地鐵列車的安全運行提供了一種冗余的安全監測手段。

（2）行車調度員可準確地觀測列車位置，以便發出正確的調度指令。

（3）擁有獨立于現有地鐵運營系統的供電模塊，供電方式簡單，功耗低。

該定位系統由定位終端、控制中心設備和NB-IoT云服務器三部分組成，系統總體結構如圖1所示。

圖1 地鐵列車定位系統總體結構

定位終端安裝于地鐵列車上，接收控制中心設備發送的控制指令信號，利用4G基站采集列車地理位置信息，通過NB-IoT無線通信網絡將列車當前位置信息送給控制中心設備。控制中心設備放置于地鐵線路的調度中心，對地鐵列車運行動態進行遠程實時監測。在控制中心設備的液晶顯示模塊上，行車調度員可以準確快速地了解到地鐵列車運行狀況。NB-IoT云服務器實現定位終端與控制中心設備之間的雙向通信。

2 系統硬件設計

2.1 定位終端硬件電路

定位終端由MSP430F169控制模塊、SIM7600CE通信模塊以及電源模塊組成，按照設定周期不斷更新列車的實時坐標數據。

MSP430F169控制模塊具有超低功耗、獨立電源供電、運算速度較快、超長待機、系統工作穩定等優勢，在整個定位終端設備有控制的作用。控制模塊與SIM7600CE通信模塊之間使用串口通信，可以實現對SIM7600CE通信模塊的控制與數據處理。發送的控制命令可以控制SIM7600CE通信模塊使其查詢地鐵列車周圍基站信息，將定位碼發送給控制模塊分析和處理，處理后的定位數據通過SIM7600CE通信模塊以無線方式傳送給NB-IoT云服務器，轉發給控制中心設備。

SIM7600CE通信模塊內置4G模塊和NB-IoT模塊，具有低功耗特點。本系統使用SIM7600CE作為定位終端的通信模塊，一方面接收控制中心設備發來的控制命令，利用4G基站定位原理采集周圍基站的定位信息，實現地鐵列車的位置信息采集。另一方面通過外置天線與NB-IoT云服務器進行無線通信，負責定位終端與控制中心設備之間的數據傳輸。

電源模塊由9V直流電池與LM2596降壓模塊組成，外圍器件很少，具有電路簡單、體積小等特點。終端設備使用環保9V堿性電池直流供電，通過降壓模塊LM2596轉化為控制模塊和通信模塊所需的5V電壓。可見，定位終端采用獨立供電方式，不依賴于地鐵專用供電系統。若地鐵供電系統突發故障，該定位系統仍可以正常使用。

2.2 控制中心設備硬件電路

控制中心設備由MSP430F169控制模塊、SIM7020C通信模塊、液晶顯示模塊、按鍵模塊以及電源模塊組成。控制中心設備的電源模塊與定位終端完全相同。

控制中心設備的MSP430F169控制模塊是整個定位系統的控制核心，完成絕大部分的數據分析和處理。正常情況下，MSP430F169控制模塊接收SIM7020C通信模塊從定位終端獲取到的列車定位信息，進行定位計算和數據分析處理，轉換成列車位置信息，在液晶顯示模塊上實時顯示出來，供調度員實時查看。緊急情況發生時，調度員可以通過按鍵向列車定位系統發出控制命令，控制模塊檢測識別和確認后，通過SIM7020C通信模塊向定位終端下發列車位置查詢命令。

控制中心設備的通信模塊采用SIM7020C實現。SIM7020C通信模塊與MSP430F169控制模塊之間通過串行接口相連，其外置天線與NB-IoT云服務器進行無線連接，實現控制中心設備與定位終端的通信。SIM7020C通信模塊一方面將控制中心設備的控制命令傳送給終端設備，另一方面接收定位終端采集到得位置信息，以串口通信的方式發送給MSP430F169控制模塊處理。

本設計選用的LCD12864液晶顯示模塊具有低電壓、低功耗特點，它還具有靈活的接口方式和簡單、方便的操作指令，可構成全中文人機交互圖形界面，完全可以滿足列車所在的車站或子區間信息顯示需求。

按鍵模塊采用獨立的機械按鍵，完成以下功能：按下電源按鍵后，接通控制中心的控制模塊、通信模塊、顯示模塊的電源，各模塊正常工作；按下復位按鍵后，控制中心設備處于復位狀態，控制模塊、通信模塊、顯示模塊的RAM數據清空；按下暫停按鍵后，控制中心設備處于暫停狀態，控制模塊、通信模塊、顯示模塊的數據暫存于RAM中。一旦有緊急情況發生，調度員可以通過控制中心設備的查詢按鍵向定位系統發出查詢命令，通過增加和減少鍵更改定位采集周期。

2.3 NB-IoT云服務器

NB-IoT云服務器租用阿里云服務器的存儲空間，以NBIoT無線方式完成定位終端的SIM7600CE通信模塊和控制中心設備的SIM7020C通信模塊之間的信息傳輸，實現控制中心設備與定位終端的雙向通信。NB-IoT無線傳輸采用開銷小、占用帶寬低的MQTT（Message Queuing Telemetry Transport，消息隊列遙測傳輸）協議。MQTT協議基于客戶端-服務器發布或訂閱消息，我們將成定位終端的SIM7600CE通信模塊和控制中心設備的SIM7020C通信模塊設置為客戶端，是消息的發布者和訂閱者，NB-IoT云服務器完成消息代理。

3 系統軟件設計

3.1 定位終端主程序設計

定位終端通過MSP430F169單片機控制SIM7600CE通信模塊與云服務器建立連接，主程序流程如圖2所示。SIM7600CE通信模塊以信息訂閱者的身份，通過MQTT協議訂閱查詢位置為主題的信息。若接收到查詢位置的主題信息，就以串口通信的方式對SIM7600CE通信模塊下達更改位置查詢周期的信息。否則接受來自通信模塊采集到的所有基站LAC和CID碼，選取信號最強的3個基站，通過Chan定位算法分析得出當前列車所處位置的經度和維度信息，并且控制SIM7600CE通信模塊將定位信息以消息發布者的身份發布到云服務器，繼而傳送給控制設備。

圖2 定位終端流程圖

3.2 控制中心設備主程序設計

控制中心設備主程序流程如圖3所示。控制中心設備檢測按鍵模塊是否有控制命令下發。若按鍵按下，則以串口通信的方式控制SIM7020C通信模塊，通知SIM7020C通信模塊以發布者的身份向定位終端發布控制命令。若無按鍵按下，通知SIM7020C通信模塊以訂閱者的身份訂閱以位置信息為主題的消息。在本系統中，主題為定位數據，表示所傳輸的消息類型是與定位有關的，消息訂閱者只要訂閱了這個主題之后，就可以收到關于這個主題的所有消息內容。為了便于調度員直觀、準確地觀測列車位置，控制中心設備在接收到服務器的響應后，將列車經度和緯度值以輪詢方式查閱已建立的列車經緯度-線路公里標數據庫，再將公里標轉換成地鐵軌道線路的子區間編號。列車位置最終以車站名或子區間編號形式在液晶顯示屏上顯示，便于調度員快捷準確地觀測。

圖3 控制中心設備流程圖

兩個地鐵車站之間形成一個列車運行的閉塞區間，為了提高定位精度，將閉塞區間劃分為若干子區間，按序編號。相鄰子區間之間的距離越小，子區間數量越多，定位精度越精確。本系統采用子區間間隔為100米，相距1千米的兩個車站之間劃分為10個子區間。表1為地鐵軌道線路的公里標與子區間關系示例，受篇幅限制，僅列出間隔約為500米的子區間劃分。

表1 地鐵軌道線路的公里標與子區間關系示例

4 系統測試

為檢測本文所設計列車定位系統的有效性和穩定性，將定位終端加上防震設施后隨列車運行在4G網絡覆蓋區域內，調度員按下控制中心設備的增加或減少按鍵，啟動系統運行。測試結果表明，定位終端根據設定周期進行位置采集，列車位置信息通過NB-IoT云服務器轉發后送至控制中心設備，調度員可實時觀測到列車的行駛方向，以及列車所處的車站名或子區間編號。通過與地鐵實際位置比對，本系統的列車定位精度誤差在100米左右，在列車安全運行允許范圍內。當切斷地鐵運營系統的供電模塊時，本定位系統依然正常運行，達到了預期設計目標。

5 結束語

本設計結合4G基站定位和NB-IoT技術，根據地鐵列車運行安全的實際要求，開發設計了一種滿足了實現地鐵列車定位的裝置。該系統硬件簡單，大多數功能通過軟件實現，具有結構簡單、低功耗、低成本、實用性強等優點，為地鐵列車運行提供了可靠的保障，降低地鐵列車事故的發生概率，為地鐵列車安全運行提供冗余保護。