基于北斗的勘察救助系統設計

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

      摘要：針對設計人員野外勘察工作所面臨的地形復雜，信號差等不利條件，為了保證鐵路線(xiàn)路勘測人員的安全，可以更加直觀(guān)的了解勘察人員的工作狀態(tài)情況，本文設計了一款基于北斗衛星技術(shù)平臺，勘察人員定位救助系統，系統分為監測硬件和監測平臺兩部分，監測硬件采用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(diǎn)。系統平臺是基于LabWindows/CVI技術(shù)平臺設計，采用雙線(xiàn)程技術(shù)進(jìn)行數據傳輸，數據存儲是利用數據庫SQL技術(shù)來(lái)將采集到的數據存儲在數據庫中。試驗是通過(guò)將監測終端攜帶在勘察人員身上，當衛星信號連接穩定后，監測終端開(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)行采集并轉換為電平信號，通過(guò)無(wú)線(xiàn)傳輸模塊將勘察人員的狀態(tài)信息上傳到監測系統平臺數據庫中存儲。最后調用數據庫中的數據至系統平臺，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，方便指揮中心對勘察人員的管理，實(shí)踐測試結果表明該系統運行穩定、監測硬件方便攜帶、發(fā)展前景廣闊。

      關(guān)鍵詞：定位系統;LabWindows/CVI;數據庫存儲;北斗技術(shù)

　　0引言

　　隨著(zhù)現代化快速發(fā)展，通信行業(yè)在不斷的發(fā)展和完善，衛星定位在各行各業(yè)的應用在不斷擴大，針對于鐵路工程設計人員來(lái)說(shuō)，現場(chǎng)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(lái)越多的設計工程的現場(chǎng)在不斷像野外擴展，安全生產(chǎn)教育是每個(gè)單位必不可少的培訓內容，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，本文設計了基于北斗的野外勘查人員定位系統，通過(guò)科學(xué)化的方法與現有的人員管理措施結合，使得對于勘查人員野外勘查作業(yè)管理更加的科學(xué)規范，衛星導航定位技術(shù)是國家戰略信息發(fā)展的核心^[1]。國外定位導航技術(shù)主要有美國的GPS、俄羅斯的衛星無(wú)線(xiàn)電全球導航系統、以及歐盟研制的伽利略衛星導航系統^[2]，我國自行研發(fā)的北斗衛星導航系統致力于建成技術(shù)優(yōu)越、擁有完全的知識產(chǎn)權、穩定可靠的全球導航系統，與GPS相比應用范圍大致相同，功能基本一樣，有利于打破國外等發(fā)達國家衛星導航技術(shù)壟斷的局面，使我國的國防戰略更加的主動(dòng)[3]。本文主要是監測勘查人員的狀態(tài)信息，將勘查路線(xiàn)、勘查人員心率和速度等有效數據，可以直觀(guān)的反饋在監測系統中，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)，當勘查作業(yè)遇到險情時(shí)，可以及時(shí)安排救援人員到現場(chǎng)進(jìn)行救援^[4]。本文將北斗衛星技術(shù)與鐵路勘查人員管理相結合算是對北斗技術(shù)進(jìn)行擴展，與其他國內監測系統相比本系統在監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依然可以準確定位，并且監測終端功耗低、重量輕便于攜帶與安裝^[5]?？梢暬谋O控平臺可以隨時(shí)監測勘查人員的速度，經(jīng)緯度、心率、歷史軌跡等狀態(tài)信息^[6]。

　　1系統原理

　　本定位監測系統主要分為勘查人員狀態(tài)信息采集終端和上位機監測平臺兩部分^[7]。系統總體框架如圖1所示其中勘查人員監測終端由單片機微處理器來(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(gè)串口其中一個(gè)與監測終端相連，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(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)控制數據通信，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)?，測速度精度為0.1m/s，封裝尺寸小等優(yōu)點(diǎn)^[8]。心率監測模塊主要是采用MPX2100壓力傳感器，對心臟跳動(dòng)產(chǎn)生的壓力進(jìn)行采集^[9]，它能夠把感應到的電壓轉換成豪伏級的差摸電壓信號，在通過(guò)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測到隨著(zhù)心跳而產(chǎn)生的電壓信號^[10]。試驗時(shí)單片機首先完成各個(gè)功能模塊的配置當衛星信號穩定后，經(jīng)過(guò)處理得到監測人員的地理位置坐標和時(shí)間信息，然后攜帶監測終端行走一段軌跡，將采集到的數據存儲在數據庫中并可以通過(guò)監測平臺查看數據信息。方便指揮中心對于勘查人員的位置及工作情況有了直觀(guān)的了解^[11]。

　　2硬件監測終端設計及實(shí)現

　　硬件監測終端主要包含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硬件監測終端系統工作原理

　　監測系統的工作原理為，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(shí)間、速度以及采集到的心率等信息進(jìn)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)議上傳到監測平臺數據庫中心，監測終端框架圖如圖2所示。

　　2.2監測系統平臺設計

　　本系統平臺設計時(shí)，利用虛擬儀器技術(shù)來(lái)實(shí)現，通過(guò)電腦建立對硬件終端的上位機控制、數據解析、結果顯示等功能。這些應用程序可以移植在不同的平臺上，易于入門(mén)，操作簡(jiǎn)便。監測中心是根據上位機反饋的數據來(lái)直觀(guān)的了解勘查人員的狀態(tài)，監測系統平臺的實(shí)現主要包括參數設置、遠程配置、狀態(tài)顯示和連接情況四部分組成，監測系統平臺框架圖如下圖3所示

　　3系統測試

　　3.1監測終端測試

　　監測終端采集了勘查人員位置、速度、心率、時(shí)間等有效數據，通過(guò)串口調試助手對硬件終端來(lái)進(jìn)行檢驗測試，測試結果如圖4所示，圖中顯示的是北斗衛星標準通信協(xié)議語(yǔ)句N(xiāo)MEA-0183^[13]。心率采集模塊是利用數字電路試驗箱和示波器來(lái)進(jìn)行試驗，測試如圖5和6所示。

　　3.2監測系統平臺測試

　　監測系統要和監測硬件建立信息交互需要兩者的IP端口號相對應^[14]，試驗中利用內網(wǎng)端口映射軟件nat123來(lái)生成一組對應的內外網(wǎng)通信IP地址，在調試AVR主控程序時(shí)，將調試地址改成與nat123外網(wǎng)端口號一致的IP地址，然后將監測系統端口號設置成與nat123相對應的內網(wǎng)IP地址，最后將數據庫中存儲的信息與監測系統平臺存儲信息的位置要對應^[15]，這樣才能保證監測系統數據顯示正確，在監測系統頁(yè)面中本次將加速度和電壓值設定成固定值，為下一步監測系統功能拓展預留下空間，監測系統平臺界面圖如圖7所示，