基于NB-IoT的地铁列车定位系统设计

2022-02-20邓建芳李志明杨森丁云杰

电子测试 2022年3期

邓建芳，李志明，杨森，丁云杰

（南京铁道职业技术学院，江苏南京，210031）

1 系统总体结构

地铁列车绝大多数时候行使在地面以下的隧道中，卫星信号衰落较大，美国GPS和中国北斗等卫星定位方式均无用武之地。本文提出利用地铁已建成的公共4G蜂窝移动网络上部署的窄带物联网（Narrow Band Internet of Things, NBIoT），设计出一套基于NB-IoT的地铁列车定位系统，满足以下需求：

（1）独立于CBTC系统，为地铁列车的安全运行提供了一种冗余的安全监测手段。

（2）行车调度员可准确地观测列车位置，以便发出正确的调度指令。

（3）拥有独立于现有地铁运营系统的供电模块，供电方式简单，功耗低。

该定位系统由定位终端、控制中心设备和NB-IoT云服务器三部分组成，系统总体结构如图1所示。

图1 地铁列车定位系统总体结构

定位终端安装于地铁列车上，接收控制中心设备发送的控制指令信号，利用4G基站采集列车地理位置信息，通过NB-IoT无线通信网络将列车当前位置信息送给控制中心设备。控制中心设备放置于地铁线路的调度中心，对地铁列车运行动态进行远程实时监测。在控制中心设备的液晶显示模块上，行车调度员可以准确快速地了解到地铁列车运行状况。NB-IoT云服务器实现定位终端与控制中心设备之间的双向通信。

2 系统硬件设计

2.1 定位终端硬件电路

定位终端由MSP430F169控制模块、SIM7600CE通信模块以及电源模块组成，按照设定周期不断更新列车的实时坐标数据。

MSP430F169控制模块具有超低功耗、独立电源供电、运算速度较快、超长待机、系统工作稳定等优势，在整个定位终端设备有控制的作用。控制模块与SIM7600CE通信模块之间使用串口通信，可以实现对SIM7600CE通信模块的控制与数据处理。发送的控制命令可以控制SIM7600CE通信模块使其查询地铁列车周围基站信息，将定位码发送给控制模块分析和处理，处理后的定位数据通过SIM7600CE通信模块以无线方式传送给NB-IoT云服务器，转发给控制中心设备。

SIM7600CE通信模块内置4G模块和NB-IoT模块，具有低功耗特点。本系统使用SIM7600CE作为定位终端的通信模块，一方面接收控制中心设备发来的控制命令，利用4G基站定位原理采集周围基站的定位信息，实现地铁列车的位置信息采集。另一方面通过外置天线与NB-IoT云服务器进行无线通信，负责定位终端与控制中心设备之间的数据传输。

电源模块由9V直流电池与LM2596降压模块组成，外围器件很少，具有电路简单、体积小等特点。终端设备使用环保9V碱性电池直流供电，通过降压模块LM2596转化为控制模块和通信模块所需的5V电压。可见，定位终端采用独立供电方式，不依赖于地铁专用供电系统。若地铁供电系统突发故障，该定位系统仍可以正常使用。

2.2 控制中心设备硬件电路

控制中心设备由MSP430F169控制模块、SIM7020C通信模块、液晶显示模块、按键模块以及电源模块组成。控制中心设备的电源模块与定位终端完全相同。

控制中心设备的MSP430F169控制模块是整个定位系统的控制核心，完成绝大部分的数据分析和处理。正常情况下，MSP430F169控制模块接收SIM7020C通信模块从定位终端获取到的列车定位信息，进行定位计算和数据分析处理，转换成列车位置信息，在液晶显示模块上实时显示出来，供调度员实时查看。紧急情况发生时，调度员可以通过按键向列车定位系统发出控制命令，控制模块检测识别和确认后，通过SIM7020C通信模块向定位终端下发列车位置查询命令。

控制中心设备的通信模块采用SIM7020C实现。SIM7020C通信模块与MSP430F169控制模块之间通过串行接口相连，其外置天线与NB-IoT云服务器进行无线连接，实现控制中心设备与定位终端的通信。SIM7020C通信模块一方面将控制中心设备的控制命令传送给终端设备，另一方面接收定位终端采集到得位置信息，以串口通信的方式发送给MSP430F169控制模块处理。

本设计选用的LCD12864液晶显示模块具有低电压、低功耗特点，它还具有灵活的接口方式和简单、方便的操作指令，可构成全中文人机交互图形界面，完全可以满足列车所在的车站或子区间信息显示需求。

按键模块采用独立的机械按键，完成以下功能：按下电源按键后，接通控制中心的控制模块、通信模块、显示模块的电源，各模块正常工作；按下复位按键后，控制中心设备处于复位状态，控制模块、通信模块、显示模块的RAM数据清空；按下暂停按键后，控制中心设备处于暂停状态，控制模块、通信模块、显示模块的数据暂存于RAM中。一旦有紧急情况发生，调度员可以通过控制中心设备的查询按键向定位系统发出查询命令，通过增加和减少键更改定位采集周期。

2.3 NB-IoT云服务器

NB-IoT云服务器租用阿里云服务器的存储空间，以NBIoT无线方式完成定位终端的SIM7600CE通信模块和控制中心设备的SIM7020C通信模块之间的信息传输，实现控制中心设备与定位终端的双向通信。NB-IoT无线传输采用开销小、占用带宽低的MQTT（Message Queuing Telemetry Transport，消息队列遥测传输）协议。MQTT协议基于客户端-服务器发布或订阅消息，我们将成定位终端的SIM7600CE通信模块和控制中心设备的SIM7020C通信模块设置为客户端，是消息的发布者和订阅者，NB-IoT云服务器完成消息代理。

3 系统软件设计

3.1 定位终端主程序设计

定位终端通过MSP430F169单片机控制SIM7600CE通信模块与云服务器建立连接，主程序流程如图2所示。SIM7600CE通信模块以信息订阅者的身份，通过MQTT协议订阅查询位置为主题的信息。若接收到查询位置的主题信息，就以串口通信的方式对SIM7600CE通信模块下达更改位置查询周期的信息。否则接受来自通信模块采集到的所有基站LAC和CID码，选取信号最强的3个基站，通过Chan定位算法分析得出当前列车所处位置的经度和维度信息，并且控制SIM7600CE通信模块将定位信息以消息发布者的身份发布到云服务器，继而传送给控制设备。

图2 定位终端流程图

3.2 控制中心设备主程序设计

控制中心设备主程序流程如图3所示。控制中心设备检测按键模块是否有控制命令下发。若按键按下，则以串口通信的方式控制SIM7020C通信模块，通知SIM7020C通信模块以发布者的身份向定位终端发布控制命令。若无按键按下，通知SIM7020C通信模块以订阅者的身份订阅以位置信息为主题的消息。在本系统中，主题为定位数据，表示所传输的消息类型是与定位有关的，消息订阅者只要订阅了这个主题之后，就可以收到关于这个主题的所有消息内容。为了便于调度员直观、准确地观测列车位置，控制中心设备在接收到服务器的响应后，将列车经度和纬度值以轮询方式查阅已建立的列车经纬度-线路公里标数据库，再将公里标转换成地铁轨道线路的子区间编号。列车位置最终以车站名或子区间编号形式在液晶显示屏上显示，便于调度员快捷准确地观测。

图3 控制中心设备流程图

两个地铁车站之间形成一个列车运行的闭塞区间，为了提高定位精度，将闭塞区间划分为若干子区间，按序编号。相邻子区间之间的距离越小，子区间数量越多，定位精度越精确。本系统采用子区间间隔为100米，相距1千米的两个车站之间划分为10个子区间。表1为地铁轨道线路的公里标与子区间关系示例，受篇幅限制，仅列出间隔约为500米的子区间划分。

表1 地铁轨道线路的公里标与子区间关系示例

4 系统测试

为检测本文所设计列车定位系统的有效性和稳定性，将定位终端加上防震设施后随列车运行在4G网络覆盖区域内，调度员按下控制中心设备的增加或减少按键，启动系统运行。测试结果表明，定位终端根据设定周期进行位置采集，列车位置信息通过NB-IoT云服务器转发后送至控制中心设备，调度员可实时观测到列车的行驶方向，以及列车所处的车站名或子区间编号。通过与地铁实际位置比对，本系统的列车定位精度误差在100米左右，在列车安全运行允许范围内。当切断地铁运营系统的供电模块时，本定位系统依然正常运行，达到了预期设计目标。