基于北斗的勘察救助系統(tǒng)設(shè)計

作者 王志辰 中鐵工程設(shè)計咨詢集團太原設(shè)計院(山西太原030009)

      摘要：針對設(shè)計人員野外勘察工作所面臨的地形復(fù)雜，信號差等不利條件，為了保證鐵路線路勘測人員的安全，可以更加直觀的了解勘察人員的工作狀態(tài)情況，本文設(shè)計了一款基于北斗衛(wèi)星技術(shù)平臺，勘察人員定位救助系統(tǒng)，系統(tǒng)分為監(jiān)測硬件和監(jiān)測平臺兩部分，監(jiān)測硬件采用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。系統(tǒng)平臺是基于LabWindows/CVI技術(shù)平臺設(shè)計，采用雙線程技術(shù)進行數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)存儲是利用數(shù)據(jù)庫SQL技術(shù)來將采集到的數(shù)據(jù)存儲在數(shù)據(jù)庫中。試驗是通過將監(jiān)測終端攜帶在勘察人員身上，當衛(wèi)星信號連接穩(wěn)定后，監(jiān)測終端開始采集勘察人員的經(jīng)緯度和速度等信息，利用壓力傳感器來將心臟跳動產(chǎn)生的壓力進行采集并轉(zhuǎn)換為電平信號，通過無線傳輸模塊將勘察人員的狀態(tài)信息上傳到監(jiān)測系統(tǒng)平臺數(shù)據(jù)庫中存儲。最后調(diào)用數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)至系統(tǒng)平臺，指揮中心可以直觀的實時查看勘察人員的經(jīng)緯度信息和速度以及心率，通過地圖匹配技術(shù)可以將工作人員的經(jīng)緯度信息匹配到百度API地圖上，方便指揮中心對勘察人員的管理，實踐測試結(jié)果表明該系統(tǒng)運行穩(wěn)定、監(jiān)測硬件方便攜帶、發(fā)展前景廣闊。

      關(guān)鍵詞：定位系統(tǒng);LabWindows/CVI;數(shù)據(jù)庫存儲;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)用在不斷擴大，針對于鐵路工程設(shè)計人員來說，現(xiàn)場勘查地形是一項重要的工作，目前城市軌道交通逐漸發(fā)展完善，越來越多的設(shè)計工程的現(xiàn)場在不斷像野外擴展，安全生產(chǎn)教育是每個單位必不可少的培訓(xùn)內(nèi)容，對于勘查人員的管理往往還處在安全意識教育等一些基本層面，本文設(shè)計了基于北斗的野外勘查人員定位系統(tǒng)，通過科學化的方法與現(xiàn)有的人員管理措施結(jié)合，使得對于勘查人員野外勘查作業(yè)管理更加的科學規(guī)范，衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)是國家戰(zhàn)略信息發(fā)展的核心^[1]。國外定位導(dǎo)航技術(shù)主要有美國的GPS、俄羅斯的衛(wèi)星無線電全球?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，有利于打破國外等發(fā)達國家衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)壟斷的局面，使我國的國防戰(zhàn)略更加的主動[3]。本文主要是監(jiān)測勘查人員的狀態(tài)信息，將勘查路線、勘查人員心率和速度等有效數(shù)據(jù)，可以直觀的反饋在監(jiān)測系統(tǒng)中，使得指揮中心可以實時清楚的了解工作人員的工作狀態(tài)，當勘查作業(yè)遇到險情時，可以及時安排救援人員到現(xiàn)場進行救援^[4]。本文將北斗衛(wèi)星技術(shù)與鐵路勘查人員管理相結(jié)合算是對北斗技術(shù)進行擴展，與其他國內(nèi)監(jiān)測系統(tǒng)相比本系統(tǒng)在監(jiān)測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)依然可以準確定位，并且監(jiān)測終端功耗低、重量輕便于攜帶與安裝^[5]?？梢暬谋O(jiān)控平臺可以隨時監(jiān)測勘查人員的速度，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)測系統(tǒng)主要分為勘查人員狀態(tài)信息采集終端和上位機監(jiān)測平臺兩部分^[7]。系統(tǒng)總體框架如圖1所示其中勘查人員監(jiān)測終端由單片機微處理器來作為控制中樞，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。單片機選擇的是ATxmega32E5芯片及外圍配置電路組成。該單片機具有更寬的工作電壓1.6V-3.6V，有2個串口其中一個與監(jiān)測終端相連，用于配置北斗/GPS定位模塊和接收勘查人員狀態(tài)信息。另一個串口與MC8618無線通信模塊串口連接。通過AT指令來控制數(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以內(nèi))，測速度精度為0.1m/s，封裝尺寸小等優(yōu)點^[8]。心率監(jiān)測模塊主要是采用MPX2100壓力傳感器，對心臟跳動產(chǎn)生的壓力進行采集^[9]，它能夠把感應(yīng)到的電壓轉(zhuǎn)換成豪伏級的差摸電壓信號，在通過放大器AD623將輸出電壓方大到3.3V以便讓單片機可以直接監(jiān)測到隨著心跳而產(chǎn)生的電壓信號^[10]。試驗時單片機首先完成各個功能模塊的配置當衛(wèi)星信號穩(wěn)定后，經(jīng)過處理得到監(jiān)測人員的地理位置坐標和時間信息，然后攜帶監(jiān)測終端行走一段軌跡，將采集到的數(shù)據(jù)存儲在數(shù)據(jù)庫中并可以通過監(jiān)測平臺查看數(shù)據(jù)信息。方便指揮中心對于勘查人員的位置及工作情況有了直觀的了解^[11]。

　　2硬件監(jiān)測終端設(shè)計及實現(xiàn)

　　硬件監(jiān)測終端主要包含5個模塊分別是：MCU控制模塊、北斗定位模塊、心率采集模塊、無線通信模塊、電源模塊。

　　2.1硬件監(jiān)測終端系統(tǒng)工作原理

　　監(jiān)測系統(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、時間、速度以及采集到的心率等信息進行上傳，單片機負責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)測平臺數(shù)據(jù)庫中心，監(jiān)測終端框架圖如圖2所示。

　　2.2監(jiān)測系統(tǒng)平臺設(shè)計

　　本系統(tǒng)平臺設(shè)計時，利用虛擬儀器技術(shù)來實現(xiàn)，通過電腦建立對硬件終端的上位機控制、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上，易于入門，操作簡便。監(jiān)測中心是根據(jù)上位機反饋的數(shù)據(jù)來直觀的了解勘查人員的狀態(tài)，監(jiān)測系統(tǒng)平臺的實現(xiàn)主要包括參數(shù)設(shè)置、遠程配置、狀態(tài)顯示和連接情況四部分組成，監(jiān)測系統(tǒng)平臺框架圖如下圖3所示

　　3系統(tǒng)測試

　　3.1監(jiān)測終端測試

　　監(jiān)測終端采集了勘查人員位置、速度、心率、時間等有效數(shù)據(jù)，通過串口調(diào)試助手對硬件終端來進行檢驗測試，測試結(jié)果如圖4所示，圖中顯示的是北斗衛(wèi)星標準通信協(xié)議語句NMEA-0183^[13]。心率采集模塊是利用數(shù)字電路試驗箱和示波器來進行試驗，測試如圖5和6所示。

　　3.2監(jiān)測系統(tǒng)平臺測試

　　監(jiān)測系統(tǒng)要和監(jiān)測硬件建立信息交互需要兩者的IP端口號相對應(yīng)^[14]，試驗中利用內(nèi)網(wǎng)端口映射軟件nat123來生成一組對應(yīng)的內(nèi)外網(wǎng)通信IP地址，在調(diào)試AVR主控程序時，將調(diào)試地址改成與nat123外網(wǎng)端口號一致的IP地址，然后將監(jiān)測系統(tǒng)端口號設(shè)置成與nat123相對應(yīng)的內(nèi)網(wǎng)IP地址，最后將數(shù)據(jù)庫中存儲的信息與監(jiān)測系統(tǒng)平臺存儲信息的位置要對應(yīng)^[15]，這樣才能保證監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)顯示正確，在監(jiān)測系統(tǒng)頁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)測系統(tǒng)功能拓展預(yù)留下空間，監(jiān)測系統(tǒng)平臺界面圖如圖7所示，