基于北斗的勘察救助系统设计

作者 王志辰 中铁工程设计咨询集团太原设计院(山西太原030009)

      摘要：针对设计人员野外勘察工作所面临的地形复杂，信号差等不利条件，为了保证铁路线路勘测人员的安全，可以更加直观的了解勘察人员的工作状态情况，本文设计了一款基于北斗卫星技术平台，勘察人员定位救助系统，系统分为监测硬件和监测平台两部分，监测硬件采用ATxmega32E5为主控核心，采用小型化的集成技术，具有重量轻，功耗低等特点。系统平台是基于LabWindows/CVI技术平台设计，采用双线程技术进行数据传输，数据存储是利用数据库SQL技术来将采集到的数据存储在数据库中。试验是通过将监测终端携带在勘察人员身上，当卫星信号连接稳定后，监测终端开始采集勘察人员的经纬度和速度等信息，利用压力传感器来将心脏跳动产生的压力进行采集并转换为电平信号，通过无线传输模块将勘察人员的状态信息上传到监测系统平台数据库中存储。最后调用数据库中的数据至系统平台，指挥中心可以直观的实时查看勘察人员的经纬度信息和速度以及心率，通过地图匹配技术可以将工作人员的经纬度信息匹配到百度API地图上，方便指挥中心对勘察人员的管理，实践测试结果表明该系统运行稳定、监测硬件方便携带、发展前景广阔。

      关键词：定位系统;LabWindows/CVI;数据库存储;北斗技术

　　0引言

　　随着现代化快速发展，通信行业在不断的发展和完善，卫星定位在各行各业的应用在不断扩大，针对于铁路工程设计人员来说，现场勘查地形是一项重要的工作，目前城市轨道交通逐渐发展完善，越来越多的设计工程的现场在不断像野外扩展，安全生产教育是每个单位必不可少的培训内容，对于勘查人员的管理往往还处在安全意识教育等一些基本层面，本文设计了基于北斗的野外勘查人员定位系统，通过科学化的方法与现有的人员管理措施结合，使得对于勘查人员野外勘查作业管理更加的科学规范，卫星导航定位技术是国家战略信息发展的核心^[1]。国外定位导航技术主要有美国的GPS、俄罗斯的卫星无线电全球导航系统、以及欧盟研制的伽利略卫星导航系统^[2]，我国自行研发的北斗卫星导航系统致力于建成技术优越、拥有完全的知识产权、稳定可靠的全球导航系统，与GPS相比应用范围大致相同，功能基本一样，有利于打破国外等发达国家卫星导航技术垄断的局面，使我国的国防战略更加的主动[3]。本文主要是监测勘查人员的状态信息，将勘查路线、勘查人员心率和速度等有效数据，可以直观的反馈在监测系统中，使得指挥中心可以实时清楚的了解工作人员的工作状态，当勘查作业遇到险情时，可以及时安排救援人员到现场进行救援^[4]。本文将北斗卫星技术与铁路勘查人员管理相结合算是对北斗技术进行扩展，与其他国内监测系统相比本系统在监测终端中加入了惯性器件MPU6050以保证在外界环境不理想的野外山区依然可以准确定位，并且监测终端功耗低、重量轻便于携带与安装^[5]。可视化的监控平台可以随时监测勘查人员的速度，经纬度、心率、历史轨迹等状态信息^[6]。

　　1系统原理

　　本定位监测系统主要分为勘查人员状态信息采集终端和上位机监测平台两部分^[7]。系统总体框架如图1所示其中勘查人员监测终端由单片机微处理器来作为控制中枢，功能包括勘查人员状态信息采集包括速度、经纬度、心率等。单片机选择的是ATxmega32E5芯片及外围配置电路组成。该单片机具有更宽的工作电压1.6V-3.6V，有2个串口其中一个与监测终端相连，用于配置北斗/GPS定位模块和接收勘查人员状态信息。另一个串口与MC8618无线通信模块串口连接。通过AT指令来控制数据通信，北斗定位模块采用高性能的U-blox NEO-M8N模块，它具有高定位精度(3m以内)，测速度精度为0.1m/s，封装尺寸小等优点^[8]。心率监测模块主要是采用MPX2100压力传感器，对心脏跳动产生的压力进行采集^[9]，它能够把感应到的电压转换成豪伏级的差摸电压信号，在通过放大器AD623将输出电压方大到3.3V以便让单片机可以直接监测到随着心跳而产生的电压信号^[10]。试验时单片机首先完成各个功能模块的配置当卫星信号稳定后，经过处理得到监测人员的地理位置坐标和时间信息，然后携带监测终端行走一段轨迹，将采集到的数据存储在数据库中并可以通过监测平台查看数据信息。方便指挥中心对于勘查人员的位置及工作情况有了直观的了解^[11]。

　　2硬件监测终端设计及实现

　　硬件监测终端主要包含5个模块分别是：MCU控制模块、北斗定位模块、心率采集模块、无线通信模块、电源模块。

　　2.1硬件监测终端系统工作原理

　　监测系统的工作原理为，首先将勘查人员的北斗定位信息解码，将解析出的人员地理位置坐标、时间、速度以及采集到的心率等信息进行上传，单片机负责将有效信息汇总处理^[12]，然后将处理后的信息按照自定义协议上传到监测平台数据库中心，监测终端框架图如图2所示。

　　2.2监测系统平台设计

　　本系统平台设计时，利用虚拟仪器技术来实现，通过电脑建立对硬件终端的上位机控制、数据解析、结果显示等功能。这些应用程序可以移植在不同的平台上，易于入门，操作简便。监测中心是根据上位机反馈的数据来直观的了解勘查人员的状态，监测系统平台的实现主要包括参数设置、远程配置、状态显示和连接情况四部分组成，监测系统平台框架图如下图3所示

　　3系统测试

　　3.1监测终端测试

　　监测终端采集了勘查人员位置、速度、心率、时间等有效数据，通过串口调试助手对硬件终端来进行检验测试，测试结果如图4所示，图中显示的是北斗卫星标准通信协议语句NMEA-0183^[13]。心率采集模块是利用数字电路试验箱和示波器来进行试验，测试如图5和6所示。

　　3.2监测系统平台测试

　　监测系统要和监测硬件建立信息交互需要两者的IP端口号相对应^[14]，试验中利用内网端口映射软件nat123来生成一组对应的内外网通信IP地址，在调试AVR主控程序时，将调试地址改成与nat123外网端口号一致的IP地址，然后将监测系统端口号设置成与nat123相对应的内网IP地址，最后将数据库中存储的信息与监测系统平台存储信息的位置要对应^[15]，这样才能保证监测系统数据显示正确，在监测系统页面中本次将加速度和电压值设定成固定值，为下一步监测系统功能拓展预留下空间，监测系统平台界面图如图7所示，