一种便携式综合指挥箱设计

严纬华 庄东曙 丁 宁

南京熊猫通信科技有限公司

0 引言

1 整体设计

如今已经迈入了工业4.0 和物联网（Internet of things，IoT）时代，随着指挥精细化的要求，各行各业对可视化移动指挥应用场景需求量激增，例如实时监控、视频对讲，尤其是处置冲突、巡查、调度、数据查询等场景，对实时视频及移动指挥的需求十分强烈。与此同时，移动指挥将从以往的语音指挥逐步延伸为可视化视频通信指挥。

本研究设计并开发一款便携式移动指挥箱，其具有4G 移动通信和1.4G 专用网络通信功能，支持H.264 /H.265 编码，具有1080p/720p/D1 视频分辨率，支持模拟视频AV（Audio &Video）/AHD 输入。内置北斗/GPS 模块，具有语音对讲功能。

1.1 系统介绍及框图

本研究研发的便携式移动指挥箱的典型应用拓扑图如图1 所示。典型应用为C/S 架构，由用户侧和中心侧组成应用系统，用户侧通常为移动指挥箱、联网计算机、移动终端等，中心侧为网管、应用服务器等。用户在网络覆盖区域使用指挥箱，可以与其他移动指挥箱、联网计算机、移动终端等用户，以及中心站点实现互联互通，组成联网通信，进行实时监控、视频会议、指挥调度、数据查询等云端业务。

图1 指挥箱应用拓扑图

便携式移动指挥箱的通信功能，主要是依托现有运营商的3G/4G 无线宽带网络，以及1.4 GHz 无线宽带专网，运用双网双待、网络优选、双路通信聚合等技术，实现最优宽带数据传输。

1.2 设备组成

便携式移动指挥箱为一款野外便携电脑，外观如图2所示。

图2 指挥箱外观图

指挥箱由处理器CPU 主板、通信主板、显示屏、人机接口、电源主板组成，如图3 所示。

图3 便携式移动指挥箱组成框图

便携式移动指挥箱的整机性能指标参数，如表1 所示。

表1 整机参数表

2 主要技术特点

本研究设计的便携式移动指挥箱主要技术特点包括：宽带无线通信、电源管理电路设计和专业的网络视频指挥调度系统。

2.1 宽带无线通信

（1）3G/4G 无线宽带通信网络。支持三大运营商的4G无线通信网络，包括4G 的FDD-LTE、TDD-LTE 网络等，理论下行数率峰值150Mbps，上行50 Mbps。并且支持4G 全频段的通信模块，实现全网通通信。在4G 网络信号覆盖良好的区域，进行了三大运营商速率专项测试，测试数据如表2 所示。

表2 三大运营商4G 网络平均网速测试表

（2）1.4 GHz 无线宽带专网。指挥箱内置1.4G 专网的无线通信模块，支持1.4GHz 无线宽带专网，其高速数据业务上行峰值速率可达50 Mbps，下行峰值速率可达150 Mbps。1.4 GHz 无线宽带专网是承载政府业务和应用，为政府机关、公安、交管等政府部门提供无线宽带数据业务传输，是提升政务管理信息化、加快智慧城市建设的有力手段。

无线通信设计内置2 个无线通信模块，分别为3G/4G 无线通信模块、1.4G 无线通信模块，上述两类无线通信模块都采用标准化mini-PCIE 板卡，各自通过USB 通信接口连接到通信路由平台。

通信路由平台采用高性能SoC 方案，本设计的SoC 采用了一个主频528 M Cortex A7 处理器，包含了2 个USB 2.0 接口，外围辅以256 MB Nor Flash，以及256 MB DDR3 SDRAM，这样就构成了一个通信硬件平台。平台软件采用Linux 操作系统，实现4G/3G 模块自动识别、自动拨号与断线重拨、自动无线建链与路由，实现自适应、免配置、即插即用的功能；具有自适应、小型化、低功耗的特点，体现移动便携的终端应用需要。

本研究设计的移动指挥箱集成上述无线通信体制，其优点是系统结构紧密，但是内部诸多无线通信子系统同时工作时，存在互相影响、互相干扰的问题。因此采取多模天线CAD 预仿真及效率评估，优化布局及优化天线参数设计，并在硬件电路设计中采用模块分割及模块屏蔽措施，电路采用抗EMI（Electromagnetic Interference）设计，使其在多模兼容工作时达到互相影响最小，解决多模融合下的电磁兼容性问题。

2.2 电源管理电路设计

电源设计需要考虑三点：（1）续航8 小时，电池匹配容量足够大；（2）电源动态范围大，指挥箱工作功耗35W，充电功耗110W，电源动态范围动态可达145W；（3）使用windows 操作系统主板，需要延时安全关机，且关机后进入低功耗待机。

设计方案：（1）电源及电池充电管理，采用锂电池充电管理IC 电路设计，可以实现多达4 节锂电池单元充电放电管理；考虑续航8 小时，内置20AH 大容量锂电池；考虑大电流充电7A 电流，充电循环3 小时。（2）设计采用比较器检测电池电压，用以实现电池低压告警。（3）设计电池低压告警，触发延时电路，实现自动保护关机设计。（4）关机“零”功耗设计。通过增加一个关机微功耗（毫瓦级功耗）待机电路，使设备关机后除微功耗待机电路外，其他电路工作电源为零电压，实现关机“零”功耗（毫瓦级功耗）。

实现“零”功耗待机的工控机控制电路，是通过增加“电源检测控制”电路，来实现“零”功耗待机的，其电路框图如图4 所示。图中虚框部分为电源检测控制及状态信号、使能信号、on/off 信号，为实现“零”功耗控制功能关键电路。

图4 实现“零”功耗待机的电路框图

2.3 视频指挥调度系统

便携式移动指挥箱接入视频指挥调度系统，该系统包含应急指挥调度平台和视频会商平台，实现从传统的商务通讯模式，到集视频、音频、数据、流媒体为一体的网络视频会议新商务模式，依托该软件系统可以大规模为客户提供网络远程集中监视、控制、存储、报警联动、视频会议等功能。

（1）应急指挥调度平台

如图5 所示，该应急指挥调度平台具备视频播放及窗口功能、轮询播放功能、录像回放功能、信息发布功能、视频上墙功能、系统日志功能、报警功能、点对点对讲功能、副屏播放功能等。

图5 应急指挥调度平台

在郊外、山区等特殊复杂环境下执行任务时，终端用户使用便携移动指挥箱通过应急指挥调度平台进行视频采集现场实时情况，并通过4G/1.4G 网络传输给调度中心，调度中心可根据现场实时数据进行指挥调度。

（2）视频会商平台

如图6 所示，红色方框区域1 为会议控制区域，区域2 为程序管理区域，区域3 为视频播放区域，区域4 为音视频信息区域。会议开始后，组会用户可以点击加入发言按钮进行发言，参会用户将会听到组会人的发言。发言状态下，点击退出发言按钮即可退出发言。

图6 视频会商平台

3 结束语

本研究设计和开发一款便携式移动指挥箱，使用模块型Intel 核心处理器，设计和集成接口处理器、显示屏、4G/1.4G无线通信、GPS/北斗双模定位、视频信号传输等，并依据便携性特点，进行一体化工业设计，并结合目前Windows 系统、GIS 地理信息系统、应急指挥调度应用系统等，能在便携式移动指挥箱上进行实时多媒体信息处理，是集移动通信、导航、视频监控和调度指挥于一体的移动多媒体终端。通过4G/1.4G宽带网络通信可与各个终端互联互通，与中心互联互通，实现全域的信息化、自动化、可视化指挥调度。此外，利用双模块，运用双路通信聚合技术，可实现宽带倍增的无线数据通信能力；稍加改进，即可平滑升级支持5G 网络。本设计综合考虑未来技术与发展方向，具有一定的升级能力和后向兼容性。