基于Android平臺的定位終端軟件設計

趙 淵, 李 哲, 林艷青, 裴俊藝, 付一達

(1.貴州省電網(wǎng)有限責任公司 貴安供電局, 貴州 貴陽 550000;2.哈爾濱工業(yè)大學 電氣工程及自動化學院, 黑龍江 哈爾濱 150001)

0 引 言

隨著智能電網(wǎng)的發(fā)展,貴州電網(wǎng)公司對計量自動化終端和SIM卡的智能管理勢在必行[1-3],但是其受制于計量自動化終端覆蓋率及位置信息、SIM卡位置信息。計量自動化系統(tǒng)的自動定位無法實現(xiàn),僅能人為輸入“行政區(qū)碼”和“終端地址”來對每個用電信息管理裝置進行標記。伴隨著移動通信技術的發(fā)展,如何利用目前便捷的、廉價的通信設施和定位服務,更好地服務于計量自動化終端的實時監(jiān)測[4],成為電力工作人員要解決的問題。

目前在低壓電力系統(tǒng)中,對終端的智能管理可以采用物聯(lián)網(wǎng)智能管理和人工錄入兩種方式[5-6]。目前的物聯(lián)網(wǎng)技術發(fā)展迅速,但由于變電站終端數(shù)量大;若采用全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GPS),其定位成本高,且GPS信號在終端密度大、建筑物密集的場所實用性差;若采用基站定位技術,則定位精度不足,定位的參考價值小。因此,現(xiàn)階段宜采用基于以上兩種定位技術的自動化終端與人工定位終端結合的方法對終端設備進行管理,成本相對小,而可靠性高。在計量自動化終端上采用混合定位方式為未來電力行業(yè)實現(xiàn)萬物互聯(lián)的智能監(jiān)測奠定了基礎。

1 系統(tǒng)總體設計

系統(tǒng)主要由控制主站、云端服務器和定位終端組成。在控制主站安全接入?yún)^(qū)架設接口服務,通過隔離裝置與計量自動化主站Ⅲ區(qū)進行通信;現(xiàn)場的Android手持終端用于錄入終端地址、行政區(qū)劃、終端位置信息、信號強度,通過4G無線專網(wǎng)上傳到安全接入?yún)^(qū)接口服務器;再經(jīng)現(xiàn)場人員在計量自動化主站確認后與主站檔案進行關聯(lián)。系統(tǒng)架構圖如圖1所示。

變電站自動化系統(tǒng)對通信方式有信息實時傳輸以及信息的可靠性、安全性優(yōu)先級和開放性等要求。此外,終端設備的位置信息具有保密性,電力系統(tǒng)中的網(wǎng)絡通信一般在專網(wǎng)中進行[7];但是采用專網(wǎng)基站對設備進行定位具有很大局限性?；谝陨峡紤],定位終端使用雙卡4G設計,在保留專網(wǎng)通信的基礎上使用基于透明傳輸技術的公網(wǎng)通信。使用這種組合既保證了重要信息的安全可靠,又擁有了通信速率高、穩(wěn)定可靠和易于拓展等優(yōu)點,為未來進行基于人工智能的大規(guī)模管理打下了堅實的基礎。

終端使用GPS定位和基站定位結合的定位方法。在定位過程中,專網(wǎng)SIM卡周期性地自動獲取附近基站的位置區(qū)碼(LAC)、基站號(CID)等信息,公網(wǎng)SIM卡將基站信息發(fā)送給云端服務器;云端服務器計算出基站的坐標,再通過4G信號發(fā)送回定位終端。為了實現(xiàn)終端的小型化和移動化,定位終端運行基于Android的軟件程序,將現(xiàn)場信息整合后通過4G通信發(fā)送給控制主站。

2 系統(tǒng)硬件設計

定位終端使用基于ARM Cortex-A9架構的三星S5P4418處理器,采用28 nm 制作工藝,主頻為1.4 GHz。內存為1 GB DDR3,搭配8 GB的eMMC存儲器。運行Android 4.0.3操作系統(tǒng),外部連接觸摸液晶顯示器、公網(wǎng)4G模塊、專網(wǎng)4G模塊、GPS模塊和電源模塊等[8]。其中公網(wǎng)4G模塊支持LTE-TDD、LTE-FDD、TD-SCDMA、WCDMA、GSM 5種通信制式,對物聯(lián)網(wǎng)SIM卡有較好的兼容性。硬件結構如圖2所示。

3 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)軟件設計主要分為3個部分:終端獲取GPS通信信息或附近基站信息;分析坐標,并顯示終端地址、行政區(qū)劃、直接采集到的終端位置信息、信號強度等終端信息;終端將信息通過4G專網(wǎng)上傳至控制總站。

根據(jù)終端定位信息整合關聯(lián)終端、SIM卡、用戶/臺區(qū)、變壓器檔案,可以使計量設備的運行狀態(tài)脈絡更加清晰。將收集到的終端信息自動上傳到控制主站,實現(xiàn)終端/SIM卡在線狀態(tài)實時監(jiān)測、運營商信號強度熱力圖顯示;與現(xiàn)場作業(yè)系統(tǒng)貫通,計量裝置巡檢、快速停復電系統(tǒng)搶修可獲取終端坐標信息,幫助運維人員及時到達現(xiàn)場進行操作,從而提高了對現(xiàn)場用電信息管理裝置的管理水平。

3.1 定位方法

目前移動設備主要使用兩種定位系統(tǒng):全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GPS)和移動位置基站系統(tǒng)(LBS)。GPS定位具有定位精確的優(yōu)點,目前民用定位精度平均達到10 m級,但是GPS定位受天氣和地理位置的影響較大;基站定位方便快捷,不受天氣和附近建筑物遮擋的影響,但缺點是定位精度很差,而且大規(guī)模使用會產(chǎn)生較高的運營商費用。除了這兩種常見的定位技術,還有一種新型的A-GPS技術,結合了基站信息和GPS信息對設備定位,獲取GPS信號快、定位精度更高,但是仍受限于GPS技術的缺點[9]。

基于以上分析,采用了GPS定位和基站定位的方案,其中GPS定位具有更高的優(yōu)先級:終端優(yōu)先使用GPS定位方式,在該模式下設備將收到全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)發(fā)送的消息。如果GPS模塊收不到或無法解析GNSS消息,則使用基站定位方式。

GPS定位方式下,由GPS模塊獲取至少4個衛(wèi)星的GNSS消息。收到消息后,從中解析出衛(wèi)星的坐標,再利用坐標以及請求和接收消息的時間差計算終端的位置。GPS定位的原理圖如圖3所示。

假設終端的時鐘和衛(wèi)星時鐘同步,就能得到終端和衛(wèi)星之間距離的關系式:

(1)

式中:R——終端和衛(wèi)星之間的距離;

(x1,y1,z1)——衛(wèi)星1的空間坐標;

(x,y,z)——終端的空間坐標。

其中衛(wèi)星1的空間坐標為已知量,其他為未知量?？紤]到終端和衛(wèi)星的時鐘一般存在差距,設其為Δt,因此這個關系式左右會相差一定值,稱其為偽距。得到的方程如式(2)所示:

(2)

式中:c——電磁波的傳輸速度。

現(xiàn)在方程有4個未知量,根據(jù)4個衛(wèi)星的位置即可聯(lián)立方程求解終端的空間坐標?；径ㄎ环绞絻?yōu)先使用專網(wǎng)基站,專網(wǎng)SIM卡連接附近的基站,獲取基站的LAC、CID信息以及到達時間(TOA),再使用公網(wǎng)SIM卡將這些信息發(fā)送到云端服務器;云端服務器計算出經(jīng)緯度信息后將其發(fā)送回終端。定位流程圖如圖4所示。

3.2 終端軟件設計

考慮到現(xiàn)場運維人員的工作要求,終端設備要具有可移動性,終端應用要具有良好的圖形操作界面,所以采用Android操作系統(tǒng)。Android是基于Linux的開源操作系統(tǒng)[10],被廣泛應用于移動設備。軟件開發(fā)使用的IDE為Android Studio。采用Java運行環(huán)境,并且與Android SDK和Android NDK建立連接[11]。

設計基于Android的軟件實現(xiàn):用戶登錄;自動或手動獲取實時信息;將信息顯示出來并提供修改;將信息自動或手動上傳至控制主站。

用戶的角色分為3種,分別是檢查人員、運維人員和管理人員。檢查人員可以查看到終端設備的信息,了解終端的運行狀況;運維人員是現(xiàn)場工作人員,在具有檢查人員權限的基礎上,還可以對終端信息進行編輯或者修正,再將編輯后的信息保存并上傳;管理人員具有全部的權限,包括可以對其他用戶授權或者刪除非管理人員的權限。用戶操作流程如圖5所示。

該軟件可以通過識別登錄者并為其分配不同的角色,不同的角色擁有部分或者全部權限。通過配置用戶的角色使得工作人員可以完成自己的工作而不會接觸到不需要的功能,避免了濫用權限的情況,實現(xiàn)了對工作人員的智能化管理。登錄界面如圖6所示。管理員界面如圖7所示。

管理員可以實時查看附近自動化設備的狀態(tài),包括節(jié)點電壓、經(jīng)緯度、地址等。管理員可以查詢設備信息并對其進行人工修改,確?？刂浦髡精@得信息的準確性。當設備運行異常時,Android系統(tǒng)通知欄會收到推送來的警告信息,提醒工作人員對設備信息進行查看,并進行后續(xù)的故障處理。設備運行過程中產(chǎn)生的所有信息都會儲存到云端服務器中,可以隨時查看設備信息的歷史紀錄,實現(xiàn)對所有設備實時可控的智能化管理。

4 結 語

通過設計基于Android的軟件,結合GPS定位和基站定位方法,對變電站自動化終端進行智能化管理,實現(xiàn)了遠程實時獲取終端信息,提升了電網(wǎng)的信息管理能力。該系統(tǒng)使用GPS定位可以對設備進行高精度定位,為電網(wǎng)智能化提供了一種具有高可靠性的方案,為后續(xù)終端定位技術大規(guī)模推廣應用的可行性提供依據(jù)和實施途徑。