馬 帥，鮑愛達(dá)，馬游春，朱志斌

(1.中北大學(xué) 電子測(cè)試技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原 030051；2.中北大學(xué) 儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原 030051)

0 引言

在叢林、沙漠、戈壁等處往往荒無(wú)人煙，這些地區(qū)一般沒有網(wǎng)絡(luò)信號(hào)或者信號(hào)很差。而野外工作人員一旦在上述地區(qū)迷失了方向很容易陷入危險(xiǎn)之中，這時(shí)如果沒有移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)信號(hào)就會(huì)使搜尋救援工作變的異常困難。同時(shí)，由于沒有信號(hào)，救援隊(duì)往往會(huì)采取大量人員地毯式搜尋或者直升機(jī)上肉眼定位的方式對(duì)遇險(xiǎn)人員進(jìn)行搜救，這樣的搜救方式效率較低，不能在第一時(shí)間確定遇險(xiǎn)人員的位置，從而貽誤救援時(shí)間。

衛(wèi)星定位系統(tǒng)可以用于荒野等環(huán)境惡劣條件下工作人員的遇險(xiǎn)定位。ATK-S1216F8-BD GPS/北斗模塊自身性能非常優(yōu)異，該雙模定位模塊兼具GPS模塊和北斗模塊的優(yōu)點(diǎn)。使用該模塊可以將定位信息實(shí)現(xiàn)GPS系統(tǒng)和北斗系統(tǒng)的完美融合，不但提高了定位的精準(zhǔn)度，同時(shí)還使定位的可靠性得到了加強(qiáng)，這樣就具有了獨(dú)特的定位優(yōu)勢(shì)[1]。

本文基于GPS/北斗雙模定位系統(tǒng)和數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸技術(shù)，設(shè)計(jì)了一款適合于荒野等環(huán)境惡劣條件下外出工作人員的小型報(bào)警定位裝置，該裝置體積小，便于攜帶，同時(shí)，改變基站上接收天線的增益和無(wú)線傳輸裝置的空中速率的大小，可有效改變報(bào)警信息的傳輸距離，這為野外工作人員的安全提供了強(qiáng)有力的救助保障。

1 GPS/北斗雙模定位算法研究

下面介紹GPS/北斗雙模定位導(dǎo)航系統(tǒng)的定位原理與用戶位置的解算過(guò)程。

設(shè)用戶空間為(xu,yu,zu)，用戶時(shí)鐘同系統(tǒng)時(shí)鐘偏差的未知量為tu，將單一的偽距方程表示為:

f(xu,yu,zu,tu)

(1)

式(1)中，ρj是偽距觀測(cè)值，j=1,2,3,4。將式(1)進(jìn)行展開并化簡(jiǎn)掉不需要的高次項(xiàng)[2]，可以得到方程組如下：

(2)

方程組(2)中的axi,ayi,azi表示由近似位置指向第i顆衛(wèi)星的單位矢量的方向余弦，其中i=1,2,3,4。

可以解得:

Δx=H-1Δρ

(3)

由式(1)～(3)可得：

y=Hx+ε

(4)

y表示(m×1)維的向量，H表示觀測(cè)矩陣，ε表示測(cè)量的誤差向量，x表示用戶此時(shí)的狀態(tài)向量。由此可以寫出GPS/北斗系統(tǒng)的觀測(cè)方程：

yBD=HBDxBD+εBD

(5)

yGPS=HGPSxGPS+εGPS

(6)

整理后可得：

(7)

得到解為：

Δx=(HTH)-1HTΔρ

(8)

要獲得更高精度的解，需要用加權(quán)最小二乘法對(duì)上述數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，故增加一個(gè)正定對(duì)稱矩陣W，此為權(quán)系矩陣[3]，將式(8)整理后可以得到：

Δx=(HTWH)-1HTWΔρ

(9)

此時(shí)，式(9)得到的Δx便為GPS/北斗雙模導(dǎo)航定位系統(tǒng)得到的最終定位結(jié)果。

2 報(bào)警終端硬件構(gòu)成

報(bào)警終端主要完成工作人員定位信息監(jiān)測(cè)、無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸、遇險(xiǎn)報(bào)警、定時(shí)傳輸數(shù)據(jù)等功能。手持終端設(shè)置了紅色報(bào)警按鈕和綠色平安按鈕，一旦遇到野外危險(xiǎn)，或者遭遇了走失情況，荒野工作人員可以迅速按下紅色報(bào)警按鈕，此時(shí)GPS/北斗雙模定位模塊開始定位，并將定位信息通過(guò)LoRa無(wú)線傳輸模塊將信息發(fā)送至附近的基站或者基站車上，基站的工作人員便可以通過(guò)手持終端發(fā)送的定位信息準(zhǔn)確定位荒野遇險(xiǎn)人員的位置信息，從而能迅速啟動(dòng)救援措施，保障荒野工作人員的生命安全。

同時(shí)，手持終端還設(shè)置了定時(shí)數(shù)據(jù)傳輸功能，具體實(shí)現(xiàn)步驟為預(yù)先啟動(dòng)數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸模塊的定時(shí)功能，將時(shí)間設(shè)置為半小時(shí)或者一小時(shí)等合適時(shí)間，荒野工作人員如果在設(shè)置時(shí)間到達(dá)時(shí)因?yàn)樵庥隽怂矔r(shí)的緊急情況沒有及時(shí)按下綠色平安按鈕，定位模塊會(huì)迅速的自啟動(dòng)，完成信息的定位并通過(guò)LoRa模塊發(fā)送至附近的基站或者基站車上，基站的工作人員同樣會(huì)啟動(dòng)救援措施，這樣更加可靠地保障了荒野工作人員的生命安全。

報(bào)警終端在硬件結(jié)構(gòu)上主要由STM32F407、LoRa無(wú)線傳輸模塊、GPS/北斗雙模定位模塊、LED(Light Emitting Diode)狀態(tài)指示燈模塊、功率放大器模塊以及電源模塊等重要模塊[4]組成，整個(gè)系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 報(bào)警終端原理圖

2.1 主控制器核心

報(bào)警終端的主控制器核心是STM32F407。STM32F407本身采用的先進(jìn)的Cortex-M4內(nèi)核具有超強(qiáng)的浮點(diǎn)運(yùn)算能力，其單精度浮點(diǎn)運(yùn)算單元兼容IEEE754標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)，Cortex-M4內(nèi)核的DSP(Digital Signal Processing)處理指令進(jìn)一步增強(qiáng)，對(duì)于16位DSP功能：相對(duì)CM3(Cortex-M3)，CM4(Cortex-M4)只需30%～70%的指令周期；對(duì)于32位DSP功能：相對(duì)CM3，CM4只需25%～60%的指令周期。STM32F407具有196K字節(jié)的內(nèi)嵌SRAM(Static Random Access Memory)的優(yōu)點(diǎn)[5]，同時(shí)它還有靈活的外部存儲(chǔ)器借口：FSMC(Flexible Static Memory Controller)。FSMC連接到D-Bus，可以快速的獲取數(shù)據(jù)。而連接到I-Bus，可以快速獲取指令。當(dāng)FSMC連接到S-Bus時(shí)，STM32F407可以同時(shí)訪問(wèn)三條總線，顯著提高了總線訪問(wèn)的性能。

STM32F407具有極致的運(yùn)行速度，它以168 MHz高速運(yùn)行時(shí)可達(dá)到210DMIPS(Dhrystone Million Instructions executed Per Second)的處理能力。STM32F407具有更高級(jí)的外設(shè)，它新增了USB(Universal Serial BUS)高速OTG(On-The-Go)接口，并增強(qiáng)了通信接口速率，具備了更高的采樣率[6]。

單片機(jī)和GPS/北斗雙模定位模塊、LoRa無(wú)線傳輸模塊的連接如圖2所示。

圖2 單片機(jī)與各模塊連接圖

2.2 GPS/北斗雙模定位模塊

ATK-S1216F8-BD GPS/北斗模塊本身性能非常優(yōu)異，它不但體積小巧，便于攜帶，同時(shí)該模塊的定位精度很高，而且我們還可以通過(guò)串口對(duì)該模塊進(jìn)行實(shí)驗(yàn)參數(shù)的設(shè)置便于進(jìn)行不同參數(shù)的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，使用起來(lái)很方便[7]。

雙模定位模塊相比于單模定位模塊，其優(yōu)點(diǎn)在于將兩個(gè)系統(tǒng)精妙地融合了起來(lái)，它可以利用衛(wèi)星之間的冗余信息，對(duì)兩個(gè)系統(tǒng)的算法進(jìn)一步改進(jìn)。一方面它的精度高、容錯(cuò)性能更好。另一方面定位位置信息的可用性、可靠性都得到顯著提升，所以選用ATK-S1216F8-BD GPS/北斗模塊比之于選用單一的GPS模塊或者北斗模塊能更好地滿足本文設(shè)計(jì)的報(bào)警終端的定位要求。

使用時(shí)，將GPS/北斗模塊的串口連接在STM32F407開發(fā)板的串口3上面，此時(shí)需要用跳線帽短接P10的PB11(RX)和GBC_TX以及PB10(TX)和GBC_RX，并且GPS的PPS信號(hào)接在GBC_KEY信號(hào)上面。同時(shí)，我們可以通過(guò)USMART工具，設(shè)置GPS/北斗模塊的刷新速率(最大支持20 Hz刷新)和時(shí)鐘脈沖寬度的配置。

2.3 無(wú)線模塊

E22-230T30S是全新一代的LoRa無(wú)線模塊，基于SEMTECH公司SX1262射頻芯片的無(wú)線串口模塊(UART)，具有多種傳輸方式，工作在(220.125～236.125 MHz)頻段(默認(rèn)230.125 MHz)，LoRa擴(kuò)頻技術(shù)，TTL電平輸出，兼容3.3 V與5 V的I/O口電壓。LoRa無(wú)線模塊的抗干擾能力強(qiáng)，功耗更低。同時(shí)LoRa無(wú)線模塊工作參數(shù)可根據(jù)環(huán)境需要進(jìn)行自主設(shè)置，滿足了不同條件下的傳輸需求。

該模塊開發(fā)了全新的LoRa擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)，帶來(lái)了更遠(yuǎn)的通訊距離，一般情況下有效距離可達(dá)5 km以上，比典型的射頻傳輸模塊CC1101的有效傳輸距離多了幾倍甚至于十幾倍，模塊支持230 MHz電力頻段，穿透繞射能力強(qiáng)于433 MHz，并且還支持自動(dòng)中繼組網(wǎng)功能，多級(jí)中繼適用于超遠(yuǎn)距離通信，這為進(jìn)一步擴(kuò)大模塊傳輸距離提供了思路[8]。所以選用LoRa無(wú)線傳輸模塊比之于之前的射頻傳輸模塊能更好地滿足本文設(shè)計(jì)的報(bào)警終端對(duì)傳輸距離的要求。除此之外，無(wú)線模塊本身具有高效的看門狗設(shè)計(jì)，一旦發(fā)生異常，模塊將自動(dòng)重啟，且能繼續(xù)按照先前的參數(shù)設(shè)置繼續(xù)工作。LoRa無(wú)線模塊的電路原理如圖3所示。

圖3 LoRa無(wú)線模塊的電路原理圖

2.4 功率放大器模塊

在無(wú)線通信中，功率放大器的作用非常重要，提高了功率放大器件的輸出功率與效率，才能保證穩(wěn)定高效地輸出無(wú)線信號(hào)。

本文設(shè)計(jì)的報(bào)警終端選用Toshiba公司的2SK3078A功率晶體管作為無(wú)線傳輸模塊的功率放大器芯片[9]，在調(diào)制器產(chǎn)生無(wú)線信號(hào)后，接下來(lái)就由功率放大器將信號(hào)放大到足夠功率，經(jīng)過(guò)匹配網(wǎng)絡(luò)，再由LoRa無(wú)線傳輸模塊將信號(hào)發(fā)射出去。功率放大器電路如圖4所示。

圖4 基于2SK3078A的功率放大器電路

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件是整個(gè)系統(tǒng)極其重要的組成部分。設(shè)計(jì)手持終端和基站以及基站車上接收部分的硬件結(jié)構(gòu)后，就要根據(jù)系統(tǒng)的功能進(jìn)行相應(yīng)的軟件部分的設(shè)計(jì)。編寫程序時(shí)主要根據(jù)C語(yǔ)言進(jìn)行編寫，C語(yǔ)言容易閱讀并且和頁(yè)面的交互性較強(qiáng)，故程序語(yǔ)言選擇C語(yǔ)言。

野外的工作人員在迷失方向等危險(xiǎn)情況下可以按下按鍵報(bào)警，或者遇到緊急情況由無(wú)線模塊的定時(shí)功能自啟動(dòng)報(bào)警，在上述情況下電源開始供電，GPS/北斗雙模定位模塊、STM32F407、LoRa無(wú)線模塊、功率放大模塊同時(shí)開始工作，GPS/北斗雙模定位模塊迅速定位工作人員的位置信息，在STM32F407的控制下將定位信息通過(guò)LoRa無(wú)線模塊傳輸?shù)交净蛘呋拒嚿?。基站或者基站車上的人員通過(guò)大功率的接收天線接收?qǐng)?bào)警終端的位置信息，并在上位機(jī)上用串口助手解析出來(lái)，顯示在屏幕上。用C語(yǔ)言將上述功能進(jìn)行細(xì)分，并逐步地編寫每一條指令，手持終端軟件工作流程如圖5所示。

圖5 手持終端軟件工作流程

編寫GPS/北斗雙模定位模塊內(nèi)部代碼是軟件設(shè)計(jì)部分的核心，而實(shí)現(xiàn)上述代碼的關(guān)鍵是用C語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)SkyTraF8-BD模組常用的3個(gè)配置：串口波特率配置、PPS輸出脈沖寬度設(shè)置、輸出頻率設(shè)置。串口波特率設(shè)置，通過(guò)函數(shù)SkyTra_Cfg_Prt實(shí)現(xiàn)，該函數(shù)可以設(shè)置模塊的波特率。PPS輸出脈沖寬度設(shè)置，通過(guò)函數(shù)SkyTra_Cfg_Tp實(shí)現(xiàn)，可以設(shè)置脈沖寬度(1 μs～100 ms)。輸出頻率設(shè)置，通過(guò)函數(shù)SkyTraq_Cfg_Rate實(shí)現(xiàn)，該函數(shù)可以設(shè)置模塊的測(cè)量輸出頻率，最快可以達(dá)到20 Hz的測(cè)量輸出頻率。最后SkyTraq_Send_Date函數(shù)，用于發(fā)送一批設(shè)置好的數(shù)據(jù)給串口3，完成對(duì)GPS模塊的配置。

將這3個(gè)函數(shù)都加入U(xiǎn)SMART控制，方便開發(fā)和測(cè)試。需要注意的是，main函數(shù)初始化硬件之后，通過(guò)SkyTraq_Cfg_Rate函數(shù)判斷模塊是否在位，如果不在位，就要嘗試去設(shè)置合適的模塊波特率，直到檢測(cè)到模塊在位為止[10]。最后，等待串口3接收GPS/北斗數(shù)據(jù)。每次接收到GPS/北斗模塊發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)，就將數(shù)據(jù)通過(guò)串口1發(fā)送給LoRa無(wú)線模塊。至此，手持終端軟件設(shè)計(jì)部分的GPS/北斗雙模定位模塊內(nèi)部代碼的編寫原則和設(shè)計(jì)流程介紹完畢。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

手持報(bào)警終端的硬件和軟件程序配置完成后，就需要實(shí)地驗(yàn)證其功能。為了更貼近荒野工作的環(huán)境，我們安排兩名測(cè)試人員拿著手持終端在中北大學(xué)二龍山里面進(jìn)行走動(dòng)，同時(shí)，再安排兩名測(cè)試人員駕駛基站車行駛在中北大學(xué)到太原南站的公路上。

基站車上的接收天線有兩根，一根為全向玻璃鋼天線，其增益為8.5 dBi；另一根為定向天線，其增益為15.5 dBi。圖6和圖7分別為組裝好的全向玻璃鋼天線和定向天線。

圖6 全向玻璃鋼天線 圖7 定向天線

設(shè)置LoRa無(wú)線模塊不同的空中速率，可以取6個(gè)空中速率，分別為15.6 kbps、9.6 kbps、4.8 kbps、2.4 kbps、1.2 kbps和0.3 kbps。在無(wú)線模塊不同空中速率的情況下，基站車上的兩根天線接收手持終端報(bào)警信息的距離如表1所示。

表1 不同空中速率下兩根天線的接收距離

由表1可知，在無(wú)線模塊的空中速率一定的情況下，增益較大的定向天線接收?qǐng)?bào)警信息的距離要比全向天線的要遠(yuǎn)。而在無(wú)線模塊的空中速率由大變小的過(guò)程中，不論是全向天線還是定向天線，它們接收?qǐng)?bào)警信息的距離均逐漸變遠(yuǎn)。雖然需要更遠(yuǎn)的接收距離，但是LoRa無(wú)線模塊空中速率的大小與報(bào)警信息的時(shí)間延遲成反比，也就是說(shuō)空中速率越大，基站車天線接收?qǐng)?bào)警信息的距離越近，它接收信息的時(shí)間延遲越?。欢罩兴俾试叫?，基站車天線接收?qǐng)?bào)警信息的距離越遠(yuǎn)，它接收信息的時(shí)間延遲則越大。所以工作人員在荒野進(jìn)行作業(yè)的情況下，需要根據(jù)實(shí)際情況來(lái)設(shè)置LoRa無(wú)線模塊的空中速率，以及選擇合適增益的接收天線，從而確保手持終端和基站或者基站車之間的精準(zhǔn)通信。

通過(guò)測(cè)試可得手持終端工作電壓是3.3～5.0 V，可工作于-40～+85℃，LoRa無(wú)線模塊收發(fā)頻段是220.125/236.125 MHz，首次定位時(shí)間溫啟動(dòng)下是27 s，熱啟動(dòng)是1 s，冷啟動(dòng)則是29 s，定位精度小于2.5米，導(dǎo)航數(shù)據(jù)格式是NMEA0183。

山林中的測(cè)試人員發(fā)出報(bào)警信息后，基站車上的測(cè)試人員接收到的報(bào)警信息包含了人員位置信息，需要對(duì)GPS/北斗雙模系統(tǒng)中的衛(wèi)星消息進(jìn)行解析。以“GNGGA，095528.000，2318.1133，N，11319.7210，E”消息為例，可以知道野外遇險(xiǎn)人員，地理位置為“北緯23.181133°東經(jīng)113.197210°”，UTC(universal time coordinated)時(shí)間為9時(shí)55分28秒，如要換算成北京時(shí)間需加8小時(shí)。中北大學(xué)二龍山測(cè)試人員位置信息解析后的結(jié)果顯示如圖8所示。

圖8 手持終端定位結(jié)果

5 結(jié)束語(yǔ)

利用GPS/北斗雙模定位模塊、LoRa無(wú)線模塊和STM32F407，設(shè)計(jì)了一種實(shí)用性強(qiáng)、可靠性高的荒野工作人員遇險(xiǎn)報(bào)警系統(tǒng)，并設(shè)計(jì)了手持終端和基站或者基站車上的天線接收系統(tǒng)，當(dāng)荒野工作人員在野外迷失或者遇險(xiǎn)時(shí)，利用手持終端能夠及時(shí)通知基站或者基站車上的搜救人員，搜救人員依靠上位機(jī)顯示的定位信息迅速作出響應(yīng)，能夠立刻對(duì)荒野工作人員進(jìn)行救援。

測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理、定位精準(zhǔn)、操作方便，同時(shí)，還可以通過(guò)改變手持終端的無(wú)線模塊上空中速率的大小，以及選擇不同增益的接收天線，可以有效改變報(bào)警信息到基站或者基站車上的距離?？傊?，本文設(shè)計(jì)的荒野工作人員遇險(xiǎn)報(bào)警系統(tǒng)能夠有效降低野外工作人員的失蹤風(fēng)險(xiǎn)，確保一定距離內(nèi)荒野工作人員的生命財(cái)產(chǎn)安全。