基于北斗的勘察救助系統(tǒng)設(shè)計(jì)

作者 王志辰 中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢(xún)集團(tuán)太原設(shè)計(jì)院(山西太原030009)

      摘要：針對(duì)設(shè)計(jì)人員野外勘察工作所面臨的地形復(fù)雜，信號(hào)差等不利條件，為了保證鐵路線(xiàn)路勘測(cè)人員的安全，可以更加直觀(guān)的了解勘察人員的工作狀態(tài)情況，本文設(shè)計(jì)了一款基于北斗衛(wèi)星技術(shù)平臺(tái)，勘察人員定位救助系統(tǒng)，系統(tǒng)分為監(jiān)測(cè)硬件和監(jiān)測(cè)平臺(tái)兩部分，監(jiān)測(cè)硬件采用ATxmega32E5為主控核心，采用小型化的集成技術(shù)，具有重量輕，功耗低等特點(diǎn)。系統(tǒng)平臺(tái)是基于LabWindows/CVI技術(shù)平臺(tái)設(shè)計(jì)，采用雙線(xiàn)程技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)是利用數(shù)據(jù)庫(kù)SQL技術(shù)來(lái)將采集到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中。試驗(yàn)是通過(guò)將監(jiān)測(cè)終端攜帶在勘察人員身上，當(dāng)衛(wèi)星信號(hào)連接穩(wěn)定后，監(jiān)測(cè)終端開(kāi)始采集勘察人員的經(jīng)緯度和速度等信息，利用壓力傳感器來(lái)將心臟跳動(dòng)產(chǎn)生的壓力進(jìn)行采集并轉(zhuǎn)換為電平信號(hào)，通過(guò)無(wú)線(xiàn)傳輸模塊將勘察人員的狀態(tài)信息上傳到監(jiān)測(cè)系統(tǒng)平臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)。最后調(diào)用數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)至系統(tǒng)平臺(tái)，指揮中心可以直觀(guān)的實(shí)時(shí)查看勘察人員的經(jīng)緯度信息和速度以及心率，通過(guò)地圖匹配技術(shù)可以將工作人員的經(jīng)緯度信息匹配到百度API地圖上，方便指揮中心對(duì)勘察人員的管理，實(shí)踐測(cè)試結(jié)果表明該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、監(jiān)測(cè)硬件方便攜帶、發(fā)展前景廣闊。

      關(guān)鍵詞：定位系統(tǒng);LabWindows/CVI;數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ);北斗技術(shù)

　　0引言

　　隨著現(xiàn)代化快速發(fā)展，通信行業(yè)在不斷的發(fā)展和完善，衛(wèi)星定位在各行各業(yè)的應(yīng)用在不斷擴(kuò)大，針對(duì)于鐵路工程設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)，現(xiàn)場(chǎng)勘查地形是一項(xiàng)重要的工作，目前城市軌道交通逐漸發(fā)展完善，越來(lái)越多的設(shè)計(jì)工程的現(xiàn)場(chǎng)在不斷像野外擴(kuò)展，安全生產(chǎn)教育是每個(gè)單位必不可少的培訓(xùn)內(nèi)容，對(duì)于勘查人員的管理往往還處在安全意識(shí)教育等一些基本層面，本文設(shè)計(jì)了基于北斗的野外勘查人員定位系統(tǒng)，通過(guò)科學(xué)化的方法與現(xiàn)有的人員管理措施結(jié)合，使得對(duì)于勘查人員野外勘查作業(yè)管理更加的科學(xué)規(guī)范，衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)是國(guó)家戰(zhàn)略信息發(fā)展的核心^[1]。國(guó)外定位導(dǎo)航技術(shù)主要有美國(guó)的GPS、俄羅斯的衛(wèi)星無(wú)線(xiàn)電全球?qū)Ш较到y(tǒng)、以及歐盟研制的伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)^[2]，我國(guó)自行研發(fā)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)致力于建成技術(shù)優(yōu)越、擁有完全的知識(shí)產(chǎn)權(quán)、穩(wěn)定可靠的全球?qū)Ш较到y(tǒng)，與GPS相比應(yīng)用范圍大致相同，功能基本一樣，有利于打破國(guó)外等發(fā)達(dá)國(guó)家衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)壟斷的局面，使我國(guó)的國(guó)防戰(zhàn)略更加的主動(dòng)[3]。本文主要是監(jiān)測(cè)勘查人員的狀態(tài)信息，將勘查路線(xiàn)、勘查人員心率和速度等有效數(shù)據(jù)，可以直觀(guān)的反饋在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，使得指揮中心可以實(shí)時(shí)清楚的了解工作人員的工作狀態(tài)，當(dāng)勘查作業(yè)遇到險(xiǎn)情時(shí)，可以及時(shí)安排救援人員到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行救援^[4]。本文將北斗衛(wèi)星技術(shù)與鐵路勘查人員管理相結(jié)合算是對(duì)北斗技術(shù)進(jìn)行擴(kuò)展，與其他國(guó)內(nèi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)相比本系統(tǒng)在監(jiān)測(cè)終端中加入了慣性器件MPU6050以保證在外界環(huán)境不理想的野外山區(qū)依然可以準(zhǔn)確定位，并且監(jiān)測(cè)終端功耗低、重量輕便于攜帶與安裝^[5]?？梢暬谋O(jiān)控平臺(tái)可以隨時(shí)監(jiān)測(cè)勘查人員的速度，經(jīng)緯度、心率、歷史軌跡等狀態(tài)信息^[6]。

　　1系統(tǒng)原理

　　本定位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要分為勘查人員狀態(tài)信息采集終端和上位機(jī)監(jiān)測(cè)平臺(tái)兩部分^[7]。系統(tǒng)總體框架如圖1所示其中勘查人員監(jiān)測(cè)終端由單片機(jī)微處理器來(lái)作為控制中樞，功能包括勘查人員狀態(tài)信息采集包括速度、經(jīng)緯度、心率等。單片機(jī)選擇的是ATxmega32E5芯片及外圍配置電路組成。該單片機(jī)具有更寬的工作電壓1.6V-3.6V，有2個(gè)串口其中一個(gè)與監(jiān)測(cè)終端相連，用于配置北斗/GPS定位模塊和接收勘查人員狀態(tài)信息。另一個(gè)串口與MC8618無(wú)線(xiàn)通信模塊串口連接。通過(guò)AT指令來(lái)控制數(shù)據(jù)通信，北斗定位模塊采用高性能的U-blox NEO-M8N模塊，它具有高定位精度(3m以?xún)?nèi))，測(cè)速度精度為0.1m/s，封裝尺寸小等優(yōu)點(diǎn)^[8]。心率監(jiān)測(cè)模塊主要是采用MPX2100壓力傳感器，對(duì)心臟跳動(dòng)產(chǎn)生的壓力進(jìn)行采集^[9]，它能夠把感應(yīng)到的電壓轉(zhuǎn)換成豪伏級(jí)的差摸電壓信號(hào)，在通過(guò)放大器AD623將輸出電壓方大到3.3V以便讓單片機(jī)可以直接監(jiān)測(cè)到隨著心跳而產(chǎn)生的電壓信號(hào)^[10]。試驗(yàn)時(shí)單片機(jī)首先完成各個(gè)功能模塊的配置當(dāng)衛(wèi)星信號(hào)穩(wěn)定后，經(jīng)過(guò)處理得到監(jiān)測(cè)人員的地理位置坐標(biāo)和時(shí)間信息，然后攜帶監(jiān)測(cè)終端行走一段軌跡，將采集到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中并可以通過(guò)監(jiān)測(cè)平臺(tái)查看數(shù)據(jù)信息。方便指揮中心對(duì)于勘查人員的位置及工作情況有了直觀(guān)的了解^[11]。

　　2硬件監(jiān)測(cè)終端設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

　　硬件監(jiān)測(cè)終端主要包含5個(gè)模塊分別是：MCU控制模塊、北斗定位模塊、心率采集模塊、無(wú)線(xiàn)通信模塊、電源模塊。

　　2.1硬件監(jiān)測(cè)終端系統(tǒng)工作原理

　　監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的工作原理為，首先將勘查人員的北斗定位信息解碼，將解析出的人員地理位置坐標(biāo)、時(shí)間、速度以及采集到的心率等信息進(jìn)行上傳，單片機(jī)負(fù)責(zé)將有效信息匯總處理^[12]，然后將處理后的信息按照自定義協(xié)議上傳到監(jiān)測(cè)平臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)中心，監(jiān)測(cè)終端框架圖如圖2所示。

　　2.2監(jiān)測(cè)系統(tǒng)平臺(tái)設(shè)計(jì)

　　本系統(tǒng)平臺(tái)設(shè)計(jì)時(shí)，利用虛擬儀器技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，通過(guò)電腦建立對(duì)硬件終端的上位機(jī)控制、數(shù)據(jù)解析、結(jié)果顯示等功能。這些應(yīng)用程序可以移植在不同的平臺(tái)上，易于入門(mén)，操作簡(jiǎn)便。監(jiān)測(cè)中心是根據(jù)上位機(jī)反饋的數(shù)據(jù)來(lái)直觀(guān)的了解勘查人員的狀態(tài)，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)主要包括參數(shù)設(shè)置、遠(yuǎn)程配置、狀態(tài)顯示和連接情況四部分組成，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)平臺(tái)框架圖如下圖3所示

　　3系統(tǒng)測(cè)試

　　3.1監(jiān)測(cè)終端測(cè)試

　　監(jiān)測(cè)終端采集了勘查人員位置、速度、心率、時(shí)間等有效數(shù)據(jù)，通過(guò)串口調(diào)試助手對(duì)硬件終端來(lái)進(jìn)行檢驗(yàn)測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖4所示，圖中顯示的是北斗衛(wèi)星標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議語(yǔ)句N(xiāo)MEA-0183^[13]。心率采集模塊是利用數(shù)字電路試驗(yàn)箱和示波器來(lái)進(jìn)行試驗(yàn)，測(cè)試如圖5和6所示。

　　3.2監(jiān)測(cè)系統(tǒng)平臺(tái)測(cè)試

　　監(jiān)測(cè)系統(tǒng)要和監(jiān)測(cè)硬件建立信息交互需要兩者的IP端口號(hào)相對(duì)應(yīng)^[14]，試驗(yàn)中利用內(nèi)網(wǎng)端口映射軟件nat123來(lái)生成一組對(duì)應(yīng)的內(nèi)外網(wǎng)通信IP地址，在調(diào)試AVR主控程序時(shí)，將調(diào)試地址改成與nat123外網(wǎng)端口號(hào)一致的IP地址，然后將監(jiān)測(cè)系統(tǒng)端口號(hào)設(shè)置成與nat123相對(duì)應(yīng)的內(nèi)網(wǎng)IP地址，最后將數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)的信息與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)平臺(tái)存儲(chǔ)信息的位置要對(duì)應(yīng)^[15]，這樣才能保證監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)顯示正確，在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)頁(yè)面中本次將加速度和電壓值設(shè)定成固定值，為下一步監(jiān)測(cè)系統(tǒng)功能拓展預(yù)留下空間，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)平臺(tái)界面圖如圖7所示，