基于射频技术的危化品矢量追踪系统
2016-10-21童林
童林
【关键词】GPS 射频技术 危化品运输 轨迹获取
危化品运输是一种动态的潜在的危险源。危化品运输车辆事故，则更易对社会和周围生态环境尤其是水体造成严重危害和污染。为了减少事故的发生，在发生事故时提高救援处理的效率，本文设计了一套基于射频技术的实时追踪定位系统。射频实质上是一种频谱介于75kHz和3000GHz之间的射频电波，当频谱范围介于20Hz和20kHz之间时，这种非常低的频谱信号就难以直接用天线发射，而是要利用无线电技术先经过转换、调制达到一定的高频范围，才可以借助无线电波传播。其特点是可以随时随地、随心所欲地实现长距离、长时间的通信。同时，射频通信不受地形地貌的限制，克服了有线连接时布线不便并存在安全隐患的缺点。
1 系统总体设计方案
针对危化品运输过程中的各种问题，提出并设计了一种基于射频技术的危化品转运轨迹获取系统。本系統的总体设计方案如图1所示，主要包括定位终端、矢量追踪端两个部分。
2 系统硬件开发与实现
2.1 定位终端
定位终端设计主要包括单片机C8051F040设计、定位GPS设计，发送射频模块设计。射频模块选用MaxStream公司的9XTend系列ISM 900MHz频段产品XT09-SI。使用高增益天线时，输出波特率为9600bps，其传输距离最高可达25km。本设计中，该模块采用透传技术进行通讯。GPS选取东方联星公司的军用GPS模块CNS50-009，其具有数据包字节数固定便于处理，不受速度的限制，抗干扰能力强等优点。
定位终端主要完成运输载体的各种不同状态信息的采集与处理，并通过射频模块将危化品位置矢量信息，包括经度、纬度、高度等发送到终端系统。
2.2 矢量追踪端
矢量追踪端主要包括单片机C8051F040主控模块、监测端定位GPS模块，上位机软件部分，Google Earth部分，射频接收模块。矢量追踪端主要实现对跟踪设备的简单定位，选用瑞士U-BLOX 第6代GPS引擎MAX-6Q。射频模块信号与定位端等同，通过厂家自带配置软件配置成接收模块。
矢量追踪端完成接收定位终端发送过来的空间位置、时间等信息。通过射频接收模块接收GPS数据等定位信息，由UART0传给单片机将其编帧，并将此串行数据转成并行数据通过P4口给FT245，由USB口上传给上位机。另外，跟踪监测终端实现监测终端的定位，以同样的方式上传给上位机，上位机加载各种不同定位信息并做出最终判断，画出车/船载定位终端的实时运输轨迹，PC再调用Google Earth并加载两路GPS数据在Google地图上画出车定位终端和矢量追踪端的运动轨迹。
3 系统软件构架与实现
由于GPS发送的危化品定位信息数据量比较大，系统接收和处理数据的任务比较繁重，因此设计的程序要有很高的运行效率，而且该程序必须能够通过射频网络将GPS定位信息实时的发送给服务器。而C#支持COM技术以及纯API调用，所以选择C#作为本系统开发语言。分为2个子系统：定位状态数据管理与转运轨迹获取。
本系统主要用到Google最近向外界公布的一组接口，Google Earth COM API。设计软件对Google Earth发送指令进行信息查询与控制。由于Google Earth地图浏览器中用于地理数据交换的文件格式KML文档框架是基于XML格式的，选择VS2005作为开发工具。VS2005提供了XML设计器，大大简化了将GPS定位信息转化为Google Earth识别的KML文档的工作。
3.1 定位状态数据管理
数据管理是本系统软件设计的核心问题，主要包括危化品运输设备空间位置等矢量信息、时间信息，基本的地图等数据的提取，存储，转发等预处理，以及通过FT245模块以并行数据的形式上传给上位机，实现轨迹的获取。
本系统GPS模块接收到的定位信息为NMEA-0183格式，本系统所需要提取的GPS定位信息（经度、纬度、高程、时间等），全部保存在以“$GPGGA”字段开头的那一行中，即GPGGA格式：$GPGGA，UTC时间，纬度，北纬/南纬，经度，东经/西经，质量因子，可使用的卫星数，水平精度因子，天线高程，大地椭球面相对海平面的高度，差分GPS数据年龄，差分基准站号，总和校验域，总和校验数。
3.2 转运轨迹获取
跟踪监测终端GPS实现监测终端的核心程序之一是上位机加载地图文件并绘制轨迹，上位机利用C++编写。
Google Earth软件为用户提供2种扩展接口：一种是KML（keyhole markup language）文件形式，另一种是组件（COM）API形式。KML文件是基于XML语法格式的文件，是一种在Google地图浏览器中用于交换地理数据的文件。它定义了一些规定地理数据的显示方式。其用途主要有：
（1）指定地点的图标和注记；
（2）为每一个地理特征创建不同的视角位置；
（3）在地球上叠放图像；
（4）指定地理特征显示的样式；
（5）编写地理特征的HTML描述，包括超链接和内嵌图像；
（6）使用文件夹对地理特征进行群集；
（7）KML文件的动态获取及修改；
（8）显示三维地物。
本文首先根据以上KML格式利用XmlTextWriter类生成中北大学地标KML文件，然后通过调用Google Earth API函数不断的将实时接收到的经度、纬度等GPS定位信息写入KML文件“
4 实验结果分析
图2为GPS在中北大学校园内实时定位效果图。图3是定位终端于中北大学校园内定位轨迹显示示意图，图左侧为地图文件中的轨迹显示，当前位置处于中北大学校医院附近。蓝色五角星代表定位端，红色五角星代表追踪端，蓝色线条为定位端所走过的轨迹，图右侧蓝色字样的GPS信息为定位终端定位信息，红色字样的GPS信息为追踪端定位信息。由图可知定位终端的位置信息：纬度38°00.87460`，经度112°26.71110`，海拔823.8953 km；矢量追踪端的位置信息：纬度38°00.87322`，经度112°26.71560`，海拔826.9km。
5 总结
本监测系统详细地阐述了面向危化品准确定位与追踪系统的设计思想，并且所设计的定位监测系统被试验验证其可行。随着研究的不断深入和各项功能的完善，该监测系统将被广泛应用于各种危化品集装箱与运输车上，从而减少和避免事故的发生，避免和降低事故危害。更进一步为人们的生命和财产安全带来保障。
参考文献
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