基于北斗信息及移动互联的综合 网络化监管平台的研究

王赛云，王冠宇，黄智丹，曲洪斌

(北华航天工业学院 电子与信息工程学院，河北 廊坊 065000)

0 引言

卫星导航技术在人们的生活中扮演着越来越重要的角色，人们在日常的出行中也离不了导航技术，目前世界上有四大导航卫星系统，分别是GPS、GLONASS、伽利略卫星导航系统以及北斗卫星导航系统。GPS 是在美国海军导航卫星系统的基础上发展起来的无线电导航定位系统；GLONASS 是由原苏联国防部独立研制和控制的第二代军用卫星导航系统；伽利略卫星导航系统是由欧盟研制和建立的全球卫星导航定位系统。其中，GPS 在国内的使用较为广泛，但这一技术始终属于国外技术，它的使用要受到国外技术的限制，因此研发北斗卫星导航系统被提上日程，它是中国自主研发、独立运行的全球卫星导航系统。2012 年12 月，北斗卫星导航系统正式开放运行，开始为我国及周边区域全天候全天时提供高精度、高可靠定位、导航、授时及短报文通信服务[1]。

基于北斗信息及移动互联的综合网络化监管平台的研究，采用北斗GIS 的应用开发，集合网络数据库技术，前端数据采集技术以及移动互联技术等共同构建。此平台可应用于政府的在线指挥监管或者企业的移动监控，在电子地图上可以对重点监控或监管对象实施定位，使用PC 客户端，手机终端即可实现实时跟踪服务。具备多层管理机制，功能强大，在此平台下进行二次应用开发，可针对不同行业、不同部门快速实现功能定制等。是政府、企业在现代信息技术社会中第一时间掌握信息的最好平台。利用现代通信技术、电子技术、嵌入式技术相结合，研发设计基于北斗的数据探测前端，重点研究电路的抗干扰技术、数据分析技术以及数据通信技术；利用普及的手机终端，设计专用的APP 软件，自行下载应用，构建基于北斗信息的监控应用平台，重点研究多用户数据算法；利用数据库技术、网络技术以及服务器应用技术，实现对车辆人员的实时定位、跟踪平台的实现，重点研究多用户的数据管理以及大数据的处理技术。

我国自主的北斗卫星技术的应用是解决依赖GPS 的关键，研制开发基于嵌入式的北斗数据应用终端，并结合移动网络技术，构建基于北斗信息的移动互联网络监管平台，应用于政府的在线指挥监管或者企业的移动监控，在电子地图上可以对重点监控或监管对象实施定位，使用PC 客户端，手机终端即可实现实时跟踪服务。

2 北斗定位算法

北斗卫星导航系统是我国自主研制并投入使用的卫星导航系统，卫星导航系统可分为有源（主动式）和无源（被动式）两种，北斗一号采用的有源定位方式，即当有定位导航的需要时，用户还需要将信号主动发送给卫星，这就存在极大的隐患，在信号传送给卫星过程中极易被他人获取，从而暴露自己的位置，北斗二号则采用被动式定位方式，在进行定位时无需发送信号，只需要接收不少于4 颗来自北斗卫星发送的定位信息就可以计算出各种参数，从而实现精确定位[2-3]。

本课题需要首先研究基于北斗数据的研究和处理，然后设计研发基于北斗的数据探测前端，北斗通过天线进行信号接收，经过一系列信号传输经信号解算模块将位置信息进行解读，组成图如图1 所示。

图1 北斗信号接收装置基本组成结构 Fig.1 Basic structure of Beidou signal receiving device

通过天线接收到的信号传输到射频模块，射频模块将信号进行放大，再通过基带模块对信号进行处理，处理好的信号通过数据处理模块对数据进行提取，最后通过定位解算模块经有用信息提取出来。

3 设计方案

整个系统共分为三部分，通过建设包括由系统服务端、定位信号设备终端和移动控制终端构成的定位监控平台实现终端定位设备的跟踪和管理。系统服务端的内部有提前建立好的数据库，它可以接收来自于定位设备信号发送出来的数据并进行存储，同时还可以将这些数据再发送给移动控制终端，定位信号设备终端设备由被监测人员佩戴，可以实现设备定位的功能，能够接收以短信形式的唤醒，能够通过socket 协议，持续发送本设备的标示信息、位置信息和时间信息给服务端。能够接收以短信形式的休眠命令，休眠期间不对外发送定位信息。具备服务器地址修改功能。一旦服务器地址发生改变，可通过短信形式向终端发送，终端接收到改写短信后，可按照短信提示的服务器地址进行更改；移动控制终端接受来自系统服务端的坐标信息然后在地图上进行显示，从而实现对定位终端实时位置的确定。图2 表示的是系统的整体框图。本文主要就定位信号设备终端的设计进行讨论。

图2 系统框图 Fig.2 System block diagram

4 定位信号设备终端

定位终端的功能就是对实时的地理位置和时间等信息进行采集，采集之后将这些数据进行分析然后发送给通信模块，通过通信模块将信息发送出来，定位终端的结构框图如下图所示，电路设计包括北斗定位模块、北斗天线、供电电路、通信模块以及各种外围电路。

图3 定位终端的结构框图 Fig.3 Structure block diagram of positioning terminal

在进行定位时用户点击“定位”功能按钮向定位终端发送定位指令，指令以短信格式发送给终端，终端收到指令后启动北头定位模块，并将经纬度坐标、方向、时间和终端SIM 卡号发送到指定服务器。定位终端可按一定时间规律向指定服务器发送经纬度坐标、方向、时间信息，并且周期时间可以通过用户手机向定位终端发送命令字短信设定。

4.1 定位模块

通过北斗定位模块获取位置的准确信息是系统得以运行的根本，接收信息模块选用的是芯星通公司的UM220，这款模块可以以1Hz 的数据更新率不断发送NMEA-0183 通信协议的单行报文[4-5]。UM220是针对车辆监控/导航、手持设备等应用推出的北斗/GPS 双系统模块。模块尺寸小、重量轻，具有超低功耗，因此特别适合应用在对尺寸、功耗要求高的北斗规模应用。

北斗卫星发射来的信号通过天线进行接收，由于接收到的信号比较混杂，因此需要通过射频前端将无用波段滤除，然后通过低噪声放大器将信号放大，再通过变频器使信号混频，之后经AD 转换将模拟信号量变为数字信号量，信号经过上述处理后还需要经过基带信号处理器，实现对卫星信号的捕获、跟踪和测量，通过这些处理信号会被传送到数据处理模块进行数据提取，最后通过解算模块对定位位置信息进行解算。

4.2 控制模块

控制模块的运行处理速度对系统的正常运行起着极为重要的作用，本系统无需太大的计算量，因此选用ARM 公司的STM32F103CBT6 芯片，这款产品集72MHz 的工作频率、512K 的Flash 存储容量和64K 的SRAM 容量于一身，用户可根据需要开发外设。

在前文中提到过，控制模块既要接收来自定位模块的定位信息，又要将信息发送给通信模块，控制器有三个串口可以实现数据的传输，在本设计中，串口1 用来实现与通信模块之间的数据传输，串口2 用来实现与定位模块之间的数据传输，其外围电路还包括各种指示电路、最小系统和电源部分；电路原理图如图4 所示。

图4 控制模块电路原理图 Fig.4 Circuit schematic diagram of control module

4.3 通信模块

通信模块采用M35 芯片，M35 模块的外围电路包括串口通信电路、天线部分、供电电路和无线通信电路，M35 模块通过与SIM 卡的连接搭乘GPRS 网络与外界实现联系，将数据发送给系统服务端，如果所应用的场合所需要的传输速率要求更高时，可以根据要求改用3G、4G 或者WIFI 通信模块。此外，M35 芯片外围还连有两个音频通道，分别用来模拟扬声器模式和听筒模式，SIM 卡按照引脚说明与通信模块进行连接。

通信模块M35 可直接与系统服务端进行数据传输，通过一系列的指令可实现通信，如表1 所示：

表1 指令功能表 Table 1 Instruction Function Table

电路在工作过程中，为保证处于有效工作状态，在外围电路中设置了工作指示灯，其中LED1 表示的是UM220 工作指示灯，LED2 表示的是开关机工作指示灯，当进行开关机操作时，指示灯同时闪烁表示此操作在进行，LED3 表示的是系统工作指示灯。以上功能的实现都必须保证电路处于通电状态，系统采用锂电池为电路供电，为满足不同模块的电压需求，通过转换电路分出不同的压降，定位信号设备终端最终的PCB 图如图5 所示。

图5 设备终端PCB 图 Fig.5 Device Terminal PCB Diagram

在系统工作之前，首先需要判断能否进行有效连接，即判断GPRS 是否可以附着成功，能否实现数据传输，流程图如图6 所示。

5 结语

图6 连接流程图 Fig.6 Connection flow chart

本文是基于北斗信息及移动互联的综合网络化监管平台的研究，采用的是北斗定位模块和GPRS通信模块组合，通过定位终端将信息发送给系统服务端，然后再将信息传送给控制终端，本文只是对定位终端的设计原理进行阐述，对系统服务端的设置和移动控制端APP 的开发没有做更详细的阐述。本课题将北斗卫星的数据处理技术、电子学技术和嵌入式处理技术等诸多技术结合起来研制和开发新产品，使用了高性能嵌入式处理单元，设计并验证基于北斗卫星信息终端数据的收发的数学模型；在计算机算法中将大数据融合技术、模糊逻辑与查表技术想结合，应用于北斗信息及移动互联的综合网络平台，提高了系统精度；大数据的融合及多用户同步运行的算法实现。这款平台经二次开发可以适用于个人位置服务、道路交通管理、应急救援等不同的领域，通用性较强，且易携带，能够实现基于北斗卫星导航系统的精准定位，具有较高的实用性。