卫星应用综合实训平台设计与实现

唐建清 邹国霞

摘  要：针对市场上缺乏卫星定位应用开发体系的教学实训平台，设计了一套集软件和硬件于一体的综合实训平台。基于工作过程方法，将平台分为前端应用部分、卫星定位硬件部分和卫星数据采集后台部分，前端应用部分主要请求后台定位数据及其他信息并进行定位操作和其他状态的显示;卫星定位硬件部分主要进行卫星定位信息及其他信息的采集、解析、显示、远程发送;卫星数据采集后台部分主要存储定位信息及其他信息。通过实践教学证明该平台成本低，操作简单，易学易用，能够综合应用学生所学知识并激发学生创新创业激情。

关键词：卫星定位;单片机;GPRS

Abstract：For the lack of teaching and training platform in satellite positioning application development system，a comprehensive training platform integrating software and hardware is designed. Based on the working process method，the platform is divided into front-end application part，satellite positioning hardware part and satellite data acquisition background part. Front-end application part mainly requests background location data and other information and displays location operation and other status. The hardware part of satellite positioning mainly collects，parses，displays and transmits satellite positioning information and other information remotely. The background part of satellite data acquisition mainly stores positioning information and other information. Through practical teaching，it is proved that the platform is low cost，simple to operate，easy to learn and use，and can comprehensively apply the knowledge learned by students and stimulate their passion for innovation and entrepreneurship.

Keywords：satellite positioning;single chip;general packet radio service

0  引  言

衛星应用产业已经成为促进国民经济发展的重要领域之一。文献[1]指出，北斗卫星导航系统是我国自主研制的GNSS系统，它是国家重要的战略资源，在国防和国民经济建设中发挥着重要效益。文献[2]指出，卫星及应用产业是国家战略性高技术产业，是我国战略性新兴产业高端装备制造业的重点发展方向。文献[3]指出，北斗系统建设应用被确定为国家“十三五”4大重点工作和12项优先行动之一，文献[4]指出，鼓励广东省内高等学校调整专业学科设置，满足卫星导航产业发展人才需求。文献[5-8]指出，卫星应用需要人才非常广泛，可以从事产品研发、系统开发、运营服务。基于卫星应用行业人才的需要，2017年开设了“软件技术专业（卫星应用）”方向，而且该方向列入校级创新强校工程。2018年“软件技术专业（卫星应用）”人才培养模式研究获得了“2019年度国家工业和信息化职业教育教学科研课题”立项。

1  卫星定位应用综合实训平台整体设计

文献[9-11]指出，实践教学是高等学校培养大学生创新意识和创新能力的关键环节，结合专业特色，开展相应的实践教学环节具有重要作用。如文献[12]提到的情况一样，目前针对卫星定位的实践教学平台很少，而且市场上的卫星定位教学实验箱或实验装置教学内容主要是将企业的一些实际项目移植过来，这些设备除了费用较高以外，内容也比较复杂。实验箱或实验装置是集成好的或者封装好的，学习者没有更直观的认识。

广东理工职业学院工程技术学院偏向硬件电子类，广东理工职业学院人工智能学院偏向软件开发类，学硬件的学生不懂应用软件开发，学软件的学生对硬件了解较少，而在实际工作中需要学软件的学生懂得一点硬件基本知识，学硬件的学生也要知道应用软件是如何开发的。基于这个目的，广东理工职业学院工程技术学院和人工智能学院从学生熟悉的生活环境出发，将大家熟悉的共享单车进行简化，由工程技术系设计硬件部分，由人工智能学院设计应用软件部分，最后形成一个由软硬件结合的综合实训平台。

本文设计的实训平台完全是零散的模块，每个模块具有特定的功能，通过整个实训的设计过程，将一个一个模块连接起来，最后形成一个完整的应用系统模型，能够实现学生对卫星定位应用的综合训练的需要，提高学生的卫星定位综合应用技能。该卫星定位应用综合实训平台整体设计如图1所示。

对于卫星定位前端的开发需要涉及硬件部分，这一部分主要是用来远程控制事件的触发和响应，如图1右边所示，图1右边硬件部分最终是根据特点的功能研制成的产品，如ofo的车锁部分、山洪检测器等。图1左边是远程接收图1右边硬件产品信息的软件，卫星定位应用只有软硬件结合使用才有现实意义。一般情况软件部分的作用主要是远程监控硬件产品。

本系统主要从最简单的原理模型出发，让学习者能以最快的速度和最少的精力掌握卫星定位应用开发，从而激发学习者的创新欲望，增加创新创业机会。

2  卫星定位应用综合实训平台软件部分

卫星定位应用综合实训平台软件部分主要是采集数据和对采集的数据进行应用，作为实训平台应该尽量用简单易理解的方式让学习者明白理论知识，这样才可以让学习者更有兴趣探索新的事物并进行创新。

2.1  数据存储TCP服务端

该服务端功能就是采集远程SIM卡发送过来的数据，并将该卫星定位数据存储到数据中，所使用的知识点是TCP Socket编程、数据库操作以及GPRS的TCP传输模式。其数据流程如图2所示。

远程GPRS通过TCP命令，将采集到的数据发送给TCP服务器，TCP服务器将接收到的数据进行解析，并按照一定格式存储到数据库中，以便客户端对数据进行处理。

2.2  数据显示Web客户端

数据显示Web客户端是卫星定位信息的应用，通过Web服务器创建卫星定位应用系统，该系统获取数据库中的数据，并通过网页的形式展示给用户。从简单出发可以利用Node.js和Vue.js来实现。其部署图如图3所示。

Web服务器部分主要运行Node.js服务端程序，读取数据库服务器中的卫星定位数据。

前端网页主要采用Vue.js前端技术，对读取的数据进行定位显示或者路径显示。

3  卫星定位应用综合实训平台硬件部分

卫星定位应用综合实训平台硬件部分主要是用来采集定位信息、解析定位信息、远程传输定位信息到服务器。为此需要用到的功能模块如图4所示。

在图4中，GPRS主要是通过SIM模块来实现，该模块可以借助GPRS网络远程与服务器进行交换数据;单片机主要是采集定位信息，分析定位信息，发送指令和定位信息给GPRS，使采集到的定位信息及时通过GPRS传送到服务器;定位芯片主要是接收卫星定位信息;TFT显示屏显示单片机解析后的定位信息。

4  实验效果图展示

4.1  通过串口采集定位芯片信息

先通过串口采集定位芯片信息，这样电脑可以很直观地看到定位芯片接收到的卫星定位信息，信号的格式是由数据传输标准协会制定的NMEA0183数据格式。对输出信息中各数据的位置作了具体的规定，以防止信息的混淆。常用的输出格式有$GPRMC、$GPGGA、$GPGSV、$GPGSA、$GPGLL、$GPZDA、$GPVTG 等帧数据格式。根据收集到的数据对NMEA0183常用的数据格式进一步进行理解和掌握，实验效果截图如图5所示。

常用的推荐定位信息数据格式为$XXRMC。

图5结果中常用的定位信息为$GPRMC，GP表示GPS定位芯片。

上面数据采集的是静态室外定位数据：

（1）091057.00：9+8=17，即下午5点，定位时间为17时10分57秒。

（2）A：定位有效。

（3-6）2231.05016，N，11323.85871，E：纬度北半球2231. 05016，东经11323.85871。

（7）0.156：地面数度0.156节。

（8）地面航向：0。

（9）261018：2018年10月26日。

（10）磁偏角：0。

（11）A：自主定位。

（12）*75：校验和。

4.2  通过单片机采集定位信息并解析

单片机通过串口与定位芯片连接，采集并解析$GPRMC定位信息，实验效果如图6所示。

4.3  通过SIM卡远程发送定位信息到服务器

单片机发送信息给GPRS模块，让GPRS模块向服务器发送TCP连接请求，请求成功后，单片机将接收到的定位信息显示到显示屏上并发送给GPRS，GPRS再将接收到的定位信息发送给TCP服务器。实验连接图和实验结果如图7、图8所示。

4.4  前端应用部分显示定位地图

通过请求服务器采集的定位信息，通过vue-amap插件将定位信息显示在地图上，效果如图9所示。

5  结  论

卫星定位综合实训平台已经应用于教学之中，其中一套硬件系统各个模块加起来目前市场价是150元左右，软件系统开发可以应用于教学之中作为实训案例完成，因此该卫星定位综合实训平台整体性价比非常高，既可以提高学习者的动手能力、创新能力，又可以让学习者明白卫星定位硬件产品创作原理和卫星定位应用系统开发过程，激发软件开发者学习硬件的兴趣或者激发硬件开发者学习软件的兴趣，从而解决软件学习者见到硬件望而生畏，硬件学习者不了解软件开发的问题，更有利于学习者提升空间。

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作者简介：唐建清（1971—），男，汉族，湖南邵阳人，副教授，硕士，研究方向：物联网技术及教育、区块链技术。