胡 昊，賀 喜，聶桂根

(武漢大學(xué)衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)研究中心，湖北 武漢 430079)

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采用NFC通信的RTK GNSS接收機(jī)及Android終端軟件設(shè)計(jì)

胡 昊，賀 喜，聶桂根

(武漢大學(xué)衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)研究中心，湖北 武漢 430079)

現(xiàn)代RTK接收機(jī)在野外傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，會(huì)采用藍(lán)牙傳輸方式。手持終端設(shè)備采集多部接收機(jī)時(shí)，有易混淆藍(lán)牙名稱、操作復(fù)雜、耗時(shí)長的問題。本文設(shè)計(jì)了基于NFC技術(shù)的RTK接收機(jī)及Android終端軟件，Android終端只需觸碰接收機(jī)NFC標(biāo)簽，便可以與接收機(jī)迅速建立藍(lán)牙連接，并且顯示接收機(jī)編號(hào)、搜星數(shù)目、定位精度、電池耗電等基本信息。試驗(yàn)結(jié)果表明，使用NFC技術(shù)的RTK接收機(jī)藍(lán)牙配對(duì)時(shí)間不足1 s，Android終端可以方便地控制接收機(jī)的工作方式，并且數(shù)據(jù)接收穩(wěn)定。

NFC；RTK；接收機(jī)；藍(lán)牙；Android

一、引 言

現(xiàn)代RTK接收機(jī)都配有藍(lán)牙功能[1]，解決了傳統(tǒng)串口傳輸操作不便、設(shè)備易損壞、維護(hù)成本高等問題[2]。藍(lán)牙連接時(shí)間大約為6 s，再加上搜索及輸入密碼的程序，連接過程需要20～30 s，而且當(dāng)一個(gè)手持終端需要采集多個(gè)接收機(jī)數(shù)據(jù)或多個(gè)手持終端要隨機(jī)采集不同接收機(jī)數(shù)據(jù)時(shí)，易混淆數(shù)據(jù)內(nèi)容。

目前與接收機(jī)配套的終端控制系統(tǒng)大多采用Windows CE或Windows Mobile系統(tǒng)[3]，需要搭載于專用的硬件平臺(tái)上，價(jià)格十分高昂。與此同時(shí)，Android終端所配置的處理器速度越來越快，集成著4G、近場(chǎng)通信(near field communication，NFC)、藍(lán)牙、WiFi等多種通信方式[4]。相比于iOS和Windows CE系統(tǒng)，Android作為開源操作系統(tǒng)，對(duì)開發(fā)人員更有吸引力，Android終端正逐步擴(kuò)大著自己的市場(chǎng)，可以預(yù)見，未來Android設(shè)備將擔(dān)當(dāng)手持終端設(shè)備與RTK接收機(jī)交互使用。

NFC允許電子設(shè)備通過簡單觸碰的方式完成信息交換與服務(wù)的訪問，NFC標(biāo)簽是集成了NFC芯片的非接觸式IC標(biāo)簽[5]，NFC可以用于輔助藍(lán)牙設(shè)備連接。

本文首次提出并設(shè)計(jì)了一款基于NFC的RTK GNSS接收機(jī)及配套的Android軟件。用戶只需使用Android設(shè)備的NFC功能掃描RTK接收機(jī)的NFC標(biāo)簽，便可以獲取接收機(jī)的定位衛(wèi)星數(shù)、電池電量、定位精度等信息，并且在不到1 s時(shí)間內(nèi)就能建立藍(lán)牙連接，可以實(shí)現(xiàn)單個(gè)終端快速切換不同的接收機(jī)。

二、NFC概述

NFC最早是由Nokia和NXP發(fā)起的，目前由NFC論壇(NFC Forum)負(fù)責(zé)制定技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，NFC Forum涵蓋了芯片開發(fā)商、手機(jī)制造商、電視制造商及國際金融組織等。NFC起源于RFID，是一種工作頻率為13.5 MHz、通信距離為0～20 cm(實(shí)際產(chǎn)品大部分都在10 cm以內(nèi))的近距離無線通信技術(shù)，目前可選擇106 kbit/s、212 kbit/s、424 kbit/s中的一種作為傳輸速率[6]。NFC有主動(dòng)通信和被動(dòng)通信兩種通信模式。在主動(dòng)通信模式下，每臺(tái)NFC設(shè)備向其他NFC設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，必須產(chǎn)生自己的射頻場(chǎng)。在被動(dòng)通信模式下，NFC發(fā)起設(shè)備即主動(dòng)啟動(dòng)NFC通信的設(shè)備在整個(gè)通信過程中提供射頻場(chǎng)。

NFC根據(jù)應(yīng)用的不同可采取3種工作模式：讀寫模式、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)模式、卡模擬模式。讀寫模式下NFC終端可以讀寫外部非接觸式卡片信息；點(diǎn)對(duì)點(diǎn)模式下NFC終端之間可以進(jìn)行數(shù)據(jù)交換；卡模擬模式下NFC終端可以作為一張非接觸式卡與讀卡器進(jìn)行交互?；谝陨?種工作模式，NFC廣泛應(yīng)用于手機(jī)支付、智能海報(bào)、數(shù)據(jù)傳輸、門禁等領(lǐng)域[7]。

智能手機(jī)逐漸走入大眾的生活，人們使用手機(jī)打電話、上網(wǎng)搜尋信息、導(dǎo)航、娛樂等。越來越多的手機(jī)集成了NFC功能，主流廠商如蘋果、三星、華為、中興、聯(lián)想、htc、黑莓等都生產(chǎn)了配置有NFC功能的手機(jī)[8]。

NFC相比于藍(lán)牙連接速度更快，但是傳輸速度不及藍(lán)牙[9]。如果將NFC與藍(lán)牙結(jié)合，發(fā)揮彼此的優(yōu)勢(shì)，可以免去藍(lán)牙復(fù)雜的配對(duì)過程，減少操作時(shí)間。

三、基于NFC的RTK接收機(jī)設(shè)計(jì)

1.RTK接收機(jī)組成

本文設(shè)計(jì)的RTK接收機(jī)由微型處理器、NFC模塊、藍(lán)牙模塊、GNSS模塊、串口模塊、電源模塊及存儲(chǔ)模塊等構(gòu)成。微型處理器作為控制器接收GNSS模塊的數(shù)據(jù)，并對(duì)接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，同時(shí)與其他各個(gè)模塊通信。接收機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 接收機(jī)結(jié)構(gòu)

微型處理器選擇ST公司的 STM32F407VGT6，它配置了單周期DSP指令系統(tǒng)和FPU功能，并且處理器主頻達(dá)到了168 MHz，擁有高性能處理數(shù)字信號(hào)的能力。通信接口包括3個(gè)I2C接口、6個(gè)通用同步異步串口、3個(gè)SPI接口和1個(gè)SDIO接口等。

GNSS模塊選用UB370 ，該板卡支持北斗B1/B2/B3、GPS L1/L2及GLONASS L1/L2，提供毫米級(jí)載波相位觀測(cè)值和厘米級(jí)高精度RTK 定位，擁有優(yōu)于0.2°的定向精度。

藍(lán)牙模塊選用藍(lán)牙4.0模塊，最高速率高達(dá)18 kbit/s，空曠距離傳輸距離為80 m。

sd卡為存儲(chǔ)設(shè)備，擁有4 GB容量，可以存儲(chǔ)5 s采樣率約12個(gè)月的雙頻GNSS數(shù)據(jù)。

串口模塊將TTL電平或CMOS電平轉(zhuǎn)換為RS-232電平，便于PC端使用串口進(jìn)行調(diào)試。

NFC模塊采用PN532芯片，在讀寫器模式下支持ISO/IEC 1443A/MIFARE、FeliCa、ISO/IEC 1443B機(jī)制。在卡模擬模式下支持ISO 14443A/MIFRRE、FeliCa機(jī)制。通信接口為UART，工作電壓為3.3 V或5 V。

2.NFC通信

NFC Forum定義了NFC協(xié)議，由物理層到應(yīng)用層分別由Analog、Digital/Activity、工作模式協(xié)議層及應(yīng)用層共4部分組成。在工作模式協(xié)議層定義了點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信、卡模擬、讀寫模式3種通信模式；在讀寫模式中定義了4種類型的標(biāo)簽：type1、type2、type3、type4。

設(shè)定NFC模塊為卡模擬工作方式，Android終端為讀寫模式，這樣不僅滿足數(shù)據(jù)由NFC模塊向Android終端單向傳遞的需要，而且相比于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信可以降低接收機(jī)的功耗。NFC模塊模擬type2標(biāo)簽，標(biāo)簽2協(xié)議基礎(chǔ)為ISO/IEC 14443 TypeA，存儲(chǔ)容量為2 KB，傳輸速度為106 kbit/s。將符合NFC數(shù)據(jù)交換格式(NFC data exchange format，NDEF)規(guī)范的數(shù)據(jù)按既定指令寫入模塊就能完成卡模擬。

自定義傳輸數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)見表1，它包含了接收機(jī)的基本信息及藍(lán)牙連接的信息。

表1 傳輸數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

需要說明的是：①定位方式設(shè)定0表示無定位，1表示單點(diǎn)定位，2代表偽距差分，3代表RTK固定解，4代表RTK浮動(dòng)解。②測(cè)量狀態(tài)高4位表示測(cè)量模式，0001b表示點(diǎn)測(cè)量，0010b表示線測(cè)量；低4位表示當(dāng)前狀態(tài)，0000b代表正常測(cè)量，0001b代表坐標(biāo)超差重新測(cè)量中，0010b代表測(cè)量完成。

自定義傳輸數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)通過Base64算法編碼后生成84字節(jié)的ASCII字符串，再打包成NFC支持的NDEF消息。

NDEF消息由一個(gè)或多個(gè)Record組成，不同的Record可以封裝不同類型的負(fù)載。Record的格式見表2，Record的首字節(jié)的含義及設(shè)置說明見表3。

表2 Record結(jié)構(gòu)

表3 Record首字節(jié)含義及設(shè)置說明

所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包為ASCII字符串，僅用一個(gè)Record就可完成傳輸，故該Record既是首記錄也是尾記錄。負(fù)載長度為84 B即0×54，用一個(gè)字節(jié)就可以表示。因此Record首字節(jié)設(shè)置為11010001B即0×D1。

記錄類型定義(Record type definition，RTD)規(guī)范定義了Record負(fù)載的編碼格式。NFC Forum定義了文本RTD、URI RTD、智能海報(bào)RTD、通用控制RTD、簽名RTD。接收機(jī)需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)都是ASKII碼表示，屬于RTD_TEXT(即文本記錄類型)，它用來存儲(chǔ)Tag中的文本信息。RTD_TEXT由狀態(tài)標(biāo)志位(1個(gè)字節(jié))、語言碼(ISO/IANA語言碼，如“fi”、“en-US”、“jp”等，編碼為US-ASCII)、實(shí)際文本信息(編碼為UTF-8或UTF-16，取決于狀態(tài)標(biāo)志位)3部分組成。文本信息為UTF-8編碼，IANA語言碼長度為2，設(shè)置狀態(tài)標(biāo)志位為0×02。編碼為US-ASCII碼(即“en”)，故本系統(tǒng)中設(shè)置ISO/IANA語言碼為0×65 0×6E。實(shí)際文本信息為打包的84字節(jié)ASCII數(shù)據(jù)。

綜上，NDEF可以設(shè)置為純RTD_TEXT類型Hex串：D1 01 54 54 02 65 6E+“接收機(jī)數(shù)據(jù)包”。微處理器按照給定的串口命令將NDEF信息寫入NFC模塊，便完成了接收機(jī)NFC的卡模擬。

3.接收機(jī)NFC工作流程

微處理器需要依次初始化GNSS模塊、藍(lán)牙模塊、NFC模塊及其他功能模塊，設(shè)置NFC模塊為卡模擬工作方式，將解碼的GNSS信息及藍(lán)牙信息傳輸給NFC模塊，具體步驟如下：

1) 初始化GNSS模塊。GNSS模塊通過串口與STM32處理器進(jìn)行通信，設(shè)置串口波特率設(shè)置為115 200 bit/s。GNSS采樣率為1 Hz。

2) 初始化藍(lán)牙模塊。藍(lán)牙模塊通過串口與微處理器進(jìn)行通信。設(shè)置串口波特率為115 200 bit/s。藍(lán)牙采用從模式(Slave)偵聽外部藍(lán)牙設(shè)備配對(duì)及連接請(qǐng)求。

3) 初始化NFC模塊工作模式。NFC模塊通過串口與微處理器通信，PN532設(shè)置為卡模擬工作方式，采用NFC Forum制定的標(biāo)簽2規(guī)范。

4) 處理器接收GNSS數(shù)據(jù)、解碼GNSS數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)為RINEX格式存儲(chǔ)。

5) 微處理器將解碼GNSS數(shù)據(jù)、接收機(jī)運(yùn)行狀態(tài)及藍(lán)牙信息打包成NFC支持的NDEF數(shù)據(jù)，并發(fā)送給NFC模塊。

6) 重復(fù)步驟4)，直至確認(rèn)藍(lán)牙已連接。

7) Android終端通過藍(lán)牙向接收機(jī)傳輸信息或發(fā)送控制命令。

8) 如果藍(lán)牙連接斷開，則重復(fù)步驟4)。

4.硬件設(shè)計(jì)需要注意的問題

由于NFC模塊的天線覆蓋的面積直接決定著射頻發(fā)射的效果，因此在設(shè)計(jì)美觀、操作方便的RTK GNSS接收機(jī)時(shí)，結(jié)構(gòu)上需要避免天線部分由金屬固定。

四、Android終端軟件設(shè)計(jì)

1.軟件構(gòu)架

軟件實(shí)現(xiàn)了對(duì)接收機(jī)NFC Tag的讀操作，通過讀取Tag的信息建立藍(lán)牙連接并顯示接收機(jī)狀態(tài)的部分信息，建立藍(lán)牙后通過UI界面控制接收機(jī)測(cè)量及傳輸。軟件由文件管理、通信、邏輯連接及用戶界面4部分組成。軟件構(gòu)架如圖2所示。

圖2 Android終端軟件構(gòu)架

文件管理模塊對(duì)接收到的文件進(jìn)行處理，包含保存RINEX文件、NMEA-0183文件及其他工程文件，并對(duì)文件進(jìn)行導(dǎo)入/導(dǎo)出管理。

通信模塊完成Android終端與接收機(jī)之間NFC、藍(lán)牙、串口通信及互聯(lián)網(wǎng)NTRIP(networked transport of RTCM via Internet protocol，通過互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行RTCM網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)膮f(xié)議)等通信功能的實(shí)現(xiàn)。

邏輯連接模塊銜接其他模塊之間的工作：包括完成NFC輔助藍(lán)牙連接、GNSS解碼、工程管理及坐標(biāo)轉(zhuǎn)換等功能。NFC輔助藍(lán)牙連接就是將NFC模塊收到的信息進(jìn)行處理，完成藍(lán)牙快速連接及顯示接收機(jī)基本信息。GNSS解碼后以便存儲(chǔ)和信息讀取，并在用戶界面顯示。

UI模塊作為操作人員與終端的交互界面，包含文件操作、測(cè)量、設(shè)置及狀態(tài)4部分。文件操作實(shí)現(xiàn)打開文件、保存文件、導(dǎo)入文件、導(dǎo)出文件；測(cè)量功能利用靜態(tài)點(diǎn)測(cè)量、RTK、CORS等測(cè)量方式獲取數(shù)據(jù)；設(shè)置功能完成通信方式、接收機(jī)參數(shù)、文件管理等設(shè)置；狀態(tài)包含接收機(jī)、CORS、衛(wèi)星狀態(tài)的顯示。

2.Android NFC開發(fā)

Android提供了Android.NFC和Android.NFC.tech兩個(gè)包進(jìn)行NFC開發(fā)[10]。其中Android.NFC包提供了NFC設(shè)備對(duì)NFC Tag讀寫NDEF消息的函數(shù)及兩個(gè)NFC設(shè)備之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的函數(shù)。Android.NFC.tech包提供了對(duì)不同Tag的讀寫操作類。本文設(shè)計(jì)的接收機(jī)NFC模塊模擬Type2符合NDEF標(biāo)準(zhǔn)，使用Android.NFC便可以完成對(duì)Tag信息的處理。

Android提供intent完成不同activity之間的通信，NFC標(biāo)簽調(diào)度系統(tǒng)定義了3個(gè)intent對(duì)象，按照優(yōu)先級(jí)由高到低為ACTION_NDEF_DISCOVERED、ACTION_THCH_DISCOVERED、ACTION_TAB_DISCOVERED。其中ACTION_NDEF_DISCOVERED用于啟動(dòng)包含NDEF負(fù)載和已知類型標(biāo)簽的activity。

當(dāng)Android設(shè)備掃描到接收機(jī)的NFC Tag時(shí)，系統(tǒng)會(huì)讀取NdefMesage的第一條NdefRecord，獲取到TNF、Record類型、Id信息、負(fù)載信息等。NFC標(biāo)簽調(diào)度系統(tǒng)會(huì)使用TNF和RTD將MIME類型映射到NDEF消息中，會(huì)將這些信息跟實(shí)際的負(fù)載一起封裝到ACTION_NDEF_DISCOVERED類型的intent中。通過設(shè)置NFC Intent過濾器，該intent對(duì)象會(huì)啟動(dòng)NFC應(yīng)用程序。Android終端讀取模擬卡中的DNEF信息軟件編寫的步驟如下：

1) 在Android Manifest中添加NFC權(quán)限，使得軟件獲得使用Android NFC硬件的權(quán)限：

2) 通過NfcAdapter類的getDefaultAdapter()函數(shù)獲取Android終端默認(rèn)的適配器?？梢酝ㄟ^此適配器對(duì)Android終端是否支持NFC功能，以及是否已經(jīng)開啟NFC功能進(jìn)行檢測(cè)，同時(shí)在AndroidManifest.xml中聲明過濾器類型。

3) 定義Tag對(duì)象：

Tag tag=getIntent().getIntent()

.getParcelableExtra(NfcAction())

4) 通過NdefMessage類獲取NDEF格式數(shù)據(jù)。

5) NdefRecord類獲取Record信息。

6) 解析Record信息。getTnf()函數(shù)獲取tnf類型，get.payload()獲取負(fù)載數(shù)據(jù)并通過byte數(shù)組存儲(chǔ)。

7) Base64解碼負(fù)載數(shù)據(jù)得到自定義傳輸數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，彈出對(duì)話框顯示接收機(jī)狀態(tài)并提示用戶是否連接。

8) 建立藍(lán)牙連接，進(jìn)入常規(guī)作業(yè)。

五、測(cè)試與分析

將第三代小米手機(jī)作為Android終端進(jìn)行測(cè)試，首先在終端上安裝編寫的Android應(yīng)用程序，然后將Android終端在已運(yùn)行的接收機(jī)NFC標(biāo)簽上“貼一下”，界面會(huì)彈出圖3(a)界面，選擇“是”按鈕，進(jìn)入Android終端控制主界面。圖3(b)為主界面狀態(tài)欄，顯示了接收機(jī)、CORS及衛(wèi)星分布狀態(tài)。

圖3

使用NFC技術(shù)輔助接收機(jī)和Android終端進(jìn)行藍(lán)牙連接，避免了煩瑣的藍(lán)牙搜索、配對(duì)連接程序，使藍(lán)牙連接操作時(shí)間縮短至1 s內(nèi)。

六、結(jié)束語

本文研究了NFC傳輸協(xié)議在RTK GNSS接收機(jī)中的應(yīng)用及Android提供的NFC開發(fā)包與相應(yīng)函數(shù)的使用方法，將NFC技術(shù)運(yùn)用于RTK GNSS接收機(jī)與Android終端連接，Android終端可以迅速獲取接收機(jī)的基本信息和藍(lán)牙信息，在1 s內(nèi)便可與接收機(jī)進(jìn)行藍(lán)牙連接。利用NFC技術(shù)，Android終端用戶在野外獲取數(shù)據(jù)時(shí)避免了搜索接收機(jī)藍(lán)牙與配對(duì)的操作過程，節(jié)省了時(shí)間，并且避免了接收機(jī)數(shù)據(jù)采集易混淆的問題。使用NFC在提高工作效率的同時(shí)降低了手持終端成本，可以預(yù)見NFC將作為繼藍(lán)牙、WiFi之后又一個(gè)新的通信技術(shù)應(yīng)用于RTK GNSS接收機(jī)。

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Design of RTK GNSS Receiver and Android Application Based on NFC Technology

HU Hao，HE Xi，NIE Guigen

胡昊，賀喜，聶桂根.采用NFC通信的RTK GNSS接收機(jī)及Android終端軟件設(shè)計(jì)[J].測(cè)繪通報(bào)，2015(7)：89-93.

10.13474/j.cnki.11-2246.2015.0220

2015-02-05

國家自然科學(xué)基金(41074023)

胡 昊(1988—)，男，碩士生，研究方向?yàn)榍度胧介_發(fā)。E-mail：263993206@qq.com

P208

：B

：0494-0911(2015)07-0089-05