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，本文設計了一款基于北斗衛(wèi)星技術平臺，勘察人員定位救助系統，系統分為監(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，具有重量輕，功耗低等特點。系統平臺是基于LabWindows/CVI技術平臺設計，采用雙線程技術進行數據傳輸，數據存儲是利用數據庫SQL技術來將采集到的數據存儲在數據庫中。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緯度和速度等信息，利用壓力傳感器來將心臟跳動產生的壓力進行采集并轉換為電平信號，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，指揮中心可以直觀的實時查看勘察人員的經緯度信息和速度以及心率，通過地圖匹配技術可以將工作人員的經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，實踐測試結果表明該系統運行穩(wěn)定、監(jiān)測硬件方便攜帶、發(fā)展前景廣闊。

      關鍵詞：定位系統;LabWindows/CVI;數據庫存儲;北斗技術

　　0引言

　　隨著現代化快速發(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)的應用在不斷擴大，針對于鐵路工程設計人員來說，現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，越來越多的設計工程的現場在不斷像野外擴展，安全生產教育是每個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，通過科學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)管理更加的科學規(guī)范，衛(wèi)星導航定位技術是國家戰(zhàn)略信息發(fā)展的核心^[1]。國外定位導航技術主要有美國的GPS、俄羅斯的衛(wèi)星無線電全球導航系統、以及歐盟研制的伽利略衛(wèi)星導航系統^[2]，我國自行研發(fā)的北斗衛(wèi)星導航系統致力于建成技術優(yōu)越、擁有完全的知識產權、穩(wěn)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(wèi)星導航技術壟斷的局面，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據，可以直觀的反饋在監(jiān)測系統中，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場進行救援^[4]。本文將北斗衛(wèi)星技術與鐵路勘查人員管理相結合算是對北斗技術進行擴展，與其他國內監(jiān)測系統相比本系統在監(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]。可視化的監(jiān)控平臺可以隨時監(jiān)測勘查人員的速度，經緯度、心率、歷史軌跡等狀態(tài)信息^[6]。

　　1系統原理

　　本定位監(jiān)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(jiān)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(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以內)，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，對心臟跳動產生的壓力進行采集^[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，將采集到的數據存儲在數據庫中并可以通過監(jiān)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的了解^[11]。

　　2硬件監(jiān)測終端設計及實現

　　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)測終端系統工作原理

　　監(jiān)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議上傳到監(jiān)測平臺數據庫中心，監(jiān)測終端框架圖如圖2所示。

　　2.2監(jiān)測系統平臺設計

　　本系統平臺設計時，利用虛擬儀器技術來實現，通過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，操作簡便。監(jiān)測中心是根據上位機反饋的數據來直觀的了解勘查人員的狀態(tài)，監(jiān)測系統平臺的實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(jiān)測系統平臺框架圖如下圖3所示

　　3系統測試

　　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、時間等有效數據，通過串口調試助手對硬件終端來進行檢驗測試，測試結果如圖4所示，圖中顯示的是北斗衛(wèi)星標準通信協議語句NMEA-0183^[13]。心率采集模塊是利用數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)測系統平臺測試

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