高精度定位數(shù)據(jù)移動采集系統(tǒng)設(shè)計

羅磊，陶庭葉，賀祎侃，方嘉浩，趙琳鈺

(合肥工業(yè)大學 土木與水利工程學院，安徽 合肥 230009)

1 引 言

北斗導航系統(tǒng)是我國自主研發(fā)、獨立運行的全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)，現(xiàn)正從亞太地區(qū)的區(qū)域化服務(wù)逐步走向全球性導航服務(wù)。在國內(nèi)，隨著北斗導航系統(tǒng)部署逐步完善，北斗軟硬件應(yīng)用市場進一步擴大，北斗導航系統(tǒng)將向開放化、自主化、通用化和網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展[1]，智能北斗終端的研究將逐步成為熱點[2]。

隨著安卓移動端的廣泛使用，安卓系統(tǒng)已經(jīng)占有移動終端的大部分市場份額，其具有的開放性使移動端在安裝相應(yīng)的APP后便可以實現(xiàn)各種功能的擴展。安卓系統(tǒng)基于個性化的設(shè)置以及開放化的應(yīng)用開發(fā)環(huán)境，在未來移動市場中將會獲得較為長遠的發(fā)展[3]。

現(xiàn)在國內(nèi)對北斗應(yīng)用的研究不斷與我們的生活貼近，有研究設(shè)計定位追蹤系統(tǒng)為老人和兒童等弱勢群體提供保護[4]；有研究提出將北斗應(yīng)用于可穿戴設(shè)備[5]；有研究提出基于WiFi的北斗通訊網(wǎng)關(guān)及通訊系統(tǒng)[8]等。為實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠程監(jiān)控記錄，本文基于安卓，設(shè)計并實現(xiàn)了一套具有藍牙、WiFi、GPRS多種數(shù)據(jù)傳輸方式的北斗導航定位軟硬件系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)介紹

2.1 總體設(shè)計

系統(tǒng)主要分為硬件模塊、服務(wù)器和移動控制端三部分。移動控制端使用安卓手機進行操控，擺脫了專用PDA的限制，攜帶更便捷，使用更方便。通訊部分采用藍牙、WiFi、4G網(wǎng)絡(luò)等無線通訊，實現(xiàn)不同距離的實時無線通訊、監(jiān)控、記錄。系統(tǒng)總體框架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總框架

2.2 硬件設(shè)計

硬件系統(tǒng)框架如圖2所示，由北斗接收器、藍牙、WiFi、GPRS、電源模塊等組成。北斗模塊負責接收、調(diào)解和處理衛(wèi)星發(fā)來的定位信息，通過Bluetooth、WiFi、GPRS等三種通訊進行數(shù)據(jù)傳輸。硬件自主設(shè)計制作，實現(xiàn)了衛(wèi)星接收機基本功能，拓展傳統(tǒng)儀器的通訊方式，如圖3所示。

圖2 硬件系統(tǒng)框架

圖3 硬件實體圖

(1)北斗模塊

北斗接收器采用北天BD/GPS雙模的BN-280模塊，芯片為u-blox U8，輸出數(shù)據(jù)格式遵循NMEA-0183協(xié)議。北斗模塊多頻段接收數(shù)據(jù)，通過使用BD/GPS雙模提高定位精度[6]。水平定位精度優(yōu)于 2 m。該模塊集北斗天線與處理模塊于一體，具有體積小，功耗低、支持熱啟動等特點。

(2)數(shù)據(jù)發(fā)送模塊

數(shù)據(jù)發(fā)送模塊，通過藍牙、WiFi、GPRS等方式將北斗模塊的定位數(shù)據(jù)實時發(fā)送，同時也可以接收外部指令來控制北斗硬件的工作方式。藍牙模塊使用HC05，實現(xiàn)短距離(10 m)無線通訊，藍牙通訊方式穩(wěn)定，傳輸效率高。WiFi采用USR-WiFi232-T模塊，實現(xiàn)短中距離(100 m以內(nèi))通訊，也可以通過無線路由上傳服務(wù)器?；赪iFi的北斗導航具有很高的應(yīng)用價值和廣闊的應(yīng)用前景[7～9]。GPRS模塊采用USR-GPRS232-7S3嵌入式GPRS模塊，具有4G數(shù)據(jù)透傳、短信透傳、基站定位等多種功能。GPRS模塊配合后臺服務(wù)器實現(xiàn)遠距離云端監(jiān)控，使數(shù)據(jù)監(jiān)控不受距離限制。

2.3 服務(wù)器端設(shè)計

(1)功能設(shè)計

系統(tǒng)使用4G網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)通訊時，需要使用服務(wù)器作為數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)，調(diào)控數(shù)據(jù)流向，進行數(shù)據(jù)監(jiān)控。本系統(tǒng)以Socket通訊為基礎(chǔ)，實現(xiàn)多用戶登錄、通訊通道搭建、數(shù)據(jù)存儲等功能。移動控制端與儀器通過服務(wù)器可以實現(xiàn)一對一、一對多、多對一等多種通訊。

(2)內(nèi)網(wǎng)透傳

當通過自動撥號或聯(lián)接路由器等常用方式上網(wǎng)時，IP地址不固定。而服務(wù)器需要使用固定IP進行長時間在線服務(wù)。針對此問題，本系統(tǒng)使用花生殼軟件，它具有內(nèi)網(wǎng)與公網(wǎng)雙向透傳，自動IP保持，端口映射等功能。該軟件可以實現(xiàn)對外域名和端口固定，且與內(nèi)網(wǎng)動態(tài)IP實時跟蹤透傳，從而實現(xiàn)我們的功能需求。

圖4 服務(wù)器軟件

2.4 安卓移動端設(shè)計

本系統(tǒng)監(jiān)控控制軟件基于安卓系統(tǒng)開發(fā)，用戶可直接使用自己的安卓移動設(shè)備(手機、平板等)進行監(jiān)控，避免了傳統(tǒng)測繪儀器需要購買專用PDA的弊端。并且可以根據(jù)不同應(yīng)用場景需求，進行軟件程序開發(fā)，使系統(tǒng)具有較強的可拓展性。

移動控制軟件分為：基礎(chǔ)模塊，民用模塊和工程應(yīng)用模塊三部分?；A(chǔ)模塊分為數(shù)據(jù)通訊、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)管理和存儲等功能，實現(xiàn)基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)管理。民用模塊利用百度地圖API進行地圖顯示、路徑規(guī)劃等應(yīng)用，滿足日常場景需求。工程應(yīng)用模塊主要面向一般精度測量工作，分為工程管理、單點采集、差分放樣、數(shù)據(jù)管理等模塊，解決一些測量儀器高端低用的現(xiàn)狀。框架模型如圖5所示。

圖5 Android移動端軟件框架

(1)數(shù)據(jù)通訊

數(shù)據(jù)通訊模塊是整個軟件的基石，用于傳輸基礎(chǔ)定位數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)通訊分為三種方式：藍牙通訊、WiFi通訊和GPRS通訊。兩臺設(shè)備建立藍牙通訊，必須滿足服務(wù)器端和客戶端的機制。服務(wù)器端打開Server Socket，客戶端發(fā)起鏈接請求，當兩端在同一個RFCOMM信道上時，才可建立通訊通道，每個設(shè)備可獲得一個輸入輸出流進行數(shù)據(jù)傳輸。WiFi通訊有兩種工作模式：AP和STA。AP模式即無線接入點，做無線網(wǎng)絡(luò)的中心節(jié)點。STA模式即無線站點，是一個無線網(wǎng)絡(luò)的終端。GPRS通訊需要服務(wù)器的域名(或IP)和端口，進行通訊連接。以上三種方式同是基于Socket進行通訊，Android系統(tǒng)提供豐富的接口函數(shù)，使用比較方便。

在進行差分定位時，一般采用GPRS通訊方式。通過服務(wù)器，將移動控制端與儀器建立一對一或一對多的多種通訊通道，將定位信息進行儀器編碼標識，標定不同儀器定位數(shù)據(jù)。在移動控制端通過數(shù)據(jù)解碼解析區(qū)分不同儀器，設(shè)定基準站和流動站，進而進行差分定位。

(2)數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)通訊獲取的定位數(shù)據(jù)遵循NMEA-0183格式，是導航設(shè)備統(tǒng)一的RTCM標準協(xié)議。其采用ASCII編碼，語句標識符有BD(北斗)、GP(GPS)、GN(GNSS)等，輸出語句的格式符有定位信息(GGA)、PRN數(shù)據(jù)(GSA)、衛(wèi)星狀態(tài)信息(GSV)、速度信息(VTG)、坐標信息(GLL)、運輸定位數(shù)據(jù)(RMC)等多種信息，以滿足不同場景需求[10]。

許多有關(guān)測量工程實踐中，經(jīng)常要用到各種坐標系轉(zhuǎn)換，坐標系轉(zhuǎn)換匹配是測量工作進行的前提。本系統(tǒng)中設(shè)計實現(xiàn)了同一橢球下大地經(jīng)緯度和空間直角坐標系的相互轉(zhuǎn)換，不同橢球下大地經(jīng)緯度之間的相互轉(zhuǎn)換以及常用的投影算法——高斯正反算。系統(tǒng)使用的橢球包含了4種常用的橢球，克拉索夫斯基橢球、1975國際橢球、WGS84橢球、CGCS2000橢球。同時，程序設(shè)計具有較強的可拓展性，可以很方便地加入新橢球，滿足不同工程應(yīng)用的需求。

(3)地圖顯示

本文采用百度地圖的在線地圖作為基礎(chǔ)底圖，并使用百度地圖API接口，進行導航、路徑規(guī)劃等功能應(yīng)用實現(xiàn)，滿足日常生活需求。使用百度地圖進行開發(fā)，首先在百度地圖API網(wǎng)站申請密鑰(KEY)，并下載相應(yīng)的SDK導入到應(yīng)用中，然后在應(yīng)用中進行配置相關(guān)密鑰，進行權(quán)限申請等工作。

3 結(jié) 語

本文設(shè)計并實現(xiàn)了一種基于安卓的北斗導航定位系統(tǒng)，輔以藍牙、WiFi、GPRS等多種通訊方式，實現(xiàn)實時監(jiān)控的功能，使得定位與監(jiān)控擺脫了空間的束縛。在硬件上，本系統(tǒng)使用的安卓移動端設(shè)備進行監(jiān)控，提供了更加靈活的測量手段，具有成本低、實用性強、便攜等優(yōu)點。經(jīng)測試，本系統(tǒng)可以精確定位，實時監(jiān)控，各項性能表現(xiàn)良好，可以廣泛應(yīng)用于民用導航定位和一般精度的測量工作。在未來的研究中，將研究利用高精度定位硬件與本系統(tǒng)硬件相連接，使本系統(tǒng)也可以進行高精度的遠程監(jiān)控測量工作。

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