羅磊，陶庭葉，賀祎侃，方嘉浩，趙琳鈺

(合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥 230009)

1 引 言

北斗導(dǎo)航系統(tǒng)是我國自主研發(fā)、獨立運(yùn)行的全球衛(wèi)星導(dǎo)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(dǎo)航服務(wù)。在國內(nèi)，隨著北斗導(dǎo)航系統(tǒng)部署逐步完善，北斗軟硬件應(yīng)用市場進(jìn)一步擴(kuò)大，北斗導(dǎo)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(kuò)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(yuǎn)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(hù)[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(yuǎn)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(lán)牙、WiFi、GPRS多種數(shù)據(jù)傳輸方式的北斗導(dǎo)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(jī)進(jìn)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(lán)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(lán)牙、WiFi、GPRS、電源模塊等組成。北斗模塊負(fù)責(zé)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(jìn)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(jī)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(lán)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(lán)牙模塊使用HC05，實現(xiàn)短距離(10 m)無線通訊，藍(lán)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(dǎo)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(yuǎn)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(jìn)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(jìn)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(dāng)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(jìn)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(jī)、平板等)進(jìn)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(jìn)行軟件程序開發(fā)，使系統(tǒng)具有較強(qiáng)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(jìn)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?？蚣苣Ｐ腿鐖D5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(lán)牙通訊、WiFi通訊和GPRS通訊。兩臺設(shè)備建立藍(lán)牙通訊，必須滿足服務(wù)器端和客戶端的機(jī)制。服務(wù)器端打開Server Socket，客戶端發(fā)起鏈接請求，當(dāng)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(jìn)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(jìn)行通訊連接。以上三種方式同是基于Socket進(jìn)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(jìn)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(jìn)行儀器編碼標(biāo)識，標(biāo)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(zhǔn)站和流動站，進(jìn)而進(jìn)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(dǎo)航設(shè)備統(tǒng)一的RTCM標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。其采用ASCII編碼，語句標(biāo)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(biāo)信息(GLL)、運(yùn)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(biāo)系轉(zhuǎn)換，坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換匹配是測量工作進(jìn)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(biāo)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(qiáng)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(jìn)行導(dǎo)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(jìn)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(dǎo)入到應(yīng)用中，然后在應(yīng)用中進(jìn)行配置相關(guān)密鑰，進(jìn)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(dǎo)航定位系統(tǒng)，輔以藍(lán)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(jìn)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(qiáng)、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(dǎo)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(jìn)行高精度的遠(yuǎn)程監(jiān)控測量工作。

[1] 陳洪卿. 北斗系統(tǒng)與中國PNT應(yīng)用平臺[J]. 電子測量與儀器學(xué)報，2010，24(12)：1075～1078.

[2] 路振民，繆峰，符慶森等. 基于AM335X和Android的北斗二代接收機(jī)設(shè)計[J]. 國外電子測量技術(shù)，2015(35)：82～86.

[3] 嚴(yán)偉中. 安卓系統(tǒng)手機(jī)應(yīng)用的趨勢研究[J]. 信息安全與技術(shù)，2014(5)：11～13.

[4] 張怡，李辰，王喜斌等. 基于安卓平臺的智能定位追蹤系統(tǒng)研究[J]. 電視技術(shù)，2016，40(4)：48～51.

[5] 吳麗淳，樊爽. 基于安卓平臺的手機(jī)定位軟件開發(fā)[J]. 計算機(jī)與現(xiàn)代化，2014(9)：95～98.

[6] 陳浩，許長輝，高井祥等. BDS、GPS及其組合系統(tǒng)偽距單點定位精度分析[J]. 山東科技大學(xué)學(xué)報，2015(2)：72～78.

[7] 陳巧萍，林長川. 基于WI-FI的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航客戶端關(guān)鍵技術(shù)[J]. 集美大學(xué)學(xué)報·自然科學(xué)版，2016，21(2)：115～119.

[8] 張毅. A Wi-Fi Compass based communication gateways and communication [P]. 中國，CN203675339. 2014-06-25.

[9] 李茂源，王直杰，馬琳等. 基于WiFi和北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的災(zāi)后應(yīng)急基站[J]. 電子科技，2014，27(12)：81～89.

[10] 韋江華，張晴，秦文東等. 基于飛思卡爾平臺的北斗GPS定位系統(tǒng)設(shè)計[J]. 中國市場，2016(6)：65～67.