基于射頻技術的危化品矢量追蹤系統

童林

【關鍵詞】GPS 射頻技術 危化品運輸 軌跡獲取

危化品運輸是一種動態的潛在的危險源。危化品運輸車輛事故，則更易對社會和周圍生態環境尤其是水體造成嚴重危害和污染。為了減少事故的發生，在發生事故時提高救援處理的效率，本文設計了一套基于射頻技術的實時追蹤定位系統。射頻實質上是一種頻譜介于75kHz和3000GHz之間的射頻電波，當頻譜范圍介于20Hz和20kHz之間時，這種非常低的頻譜信號就難以直接用天線發射，而是要利用無線電技術先經過轉換、調制達到一定的高頻范圍，才可以借助無線電波傳播。其特點是可以隨時隨地、隨心所欲地實現長距離、長時間的通信。同時，射頻通信不受地形地貌的限制，克服了有線連接時布線不便并存在安全隱患的缺點。

1 系統總體設計方案

針對危化品運輸過程中的各種問題，提出并設計了一種基于射頻技術的危化品轉運軌跡獲取系統。本系統的總體設計方案如圖1所示，主要包括定位終端、矢量追蹤端兩個部分。

2 系統硬件開發與實現

2.1 定位終端

定位終端設計主要包括單片機C8051F040設計、定位GPS設計，發送射頻模塊設計。射頻模塊選用MaxStream公司的9XTend系列ISM 900MHz頻段產品XT09-SI。使用高增益天線時，輸出波特率為9600bps，其傳輸距離最高可達25km。本設計中，該模塊采用透傳技術進行通訊。GPS選取東方聯星公司的軍用GPS模塊CNS50-009，其具有數據包字節數固定便于處理，不受速度的限制，抗干擾能力強等優點。

定位終端主要完成運輸載體的各種不同狀態信息的采集與處理，并通過射頻模塊將危化品位置矢量信息，包括經度、緯度、高度等發送到終端系統。

2.2 矢量追蹤端

矢量追蹤端主要包括單片機C8051F040主控模塊、監測端定位GPS模塊，上位機軟件部分，Google Earth部分，射頻接收模塊。矢量追蹤端主要實現對跟蹤設備的簡單定位，選用瑞士U-BLOX 第6代GPS引擎MAX-6Q。射頻模塊信號與定位端等同，通過廠家自帶配置軟件配置成接收模塊。

矢量追蹤端完成接收定位終端發送過來的空間位置、時間等信息。通過射頻接收模塊接收GPS數據等定位信息，由UART0傳給單片機將其編幀，并將此串行數據轉成并行數據通過P4口給FT245，由USB口上傳給上位機。另外，跟蹤監測終端實現監測終端的定位，以同樣的方式上傳給上位機，上位機加載各種不同定位信息并做出最終判斷，畫出車/船載定位終端的實時運輸軌跡，PC再調用Google Earth并加載兩路GPS數據在Google地圖上畫出車定位終端和矢量追蹤端的運動軌跡。

3 系統軟件構架與實現

由于GPS發送的危化品定位信息數據量比較大，系統接收和處理數據的任務比較繁重，因此設計的程序要有很高的運行效率，而且該程序必須能夠通過射頻網絡將GPS定位信息實時的發送給服務器。而C#支持COM技術以及純API調用，所以選擇C#作為本系統開發語言。分為2個子系統：定位狀態數據管理與轉運軌跡獲取。

本系統主要用到Google最近向外界公布的一組接口，Google Earth COM API。設計軟件對Google Earth發送指令進行信息查詢與控制。由于Google Earth地圖瀏覽器中用于地理數據交換的文件格式KML文檔框架是基于XML格式的，選擇VS2005作為開發工具。VS2005提供了XML設計器，大大簡化了將GPS定位信息轉化為Google Earth識別的KML文檔的工作。

3.1 定位狀態數據管理

數據管理是本系統軟件設計的核心問題，主要包括危化品運輸設備空間位置等矢量信息、時間信息，基本的地圖等數據的提取，存儲，轉發等預處理，以及通過FT245模塊以并行數據的形式上傳給上位機，實現軌跡的獲取。

本系統GPS模塊接收到的定位信息為NMEA-0183格式，本系統所需要提取的GPS定位信息（經度、緯度、高程、時間等），全部保存在以“$GPGGA”字段開頭的那一行中，即GPGGA格式：$GPGGA，UTC時間，緯度，北緯/南緯，經度，東經/西經，質量因子，可使用的衛星數，水平精度因子，天線高程，大地橢球面相對海平面的高度，差分GPS數據年齡，差分基準站號，總和校驗域，總和校驗數。

3.2 轉運軌跡獲取

跟蹤監測終端GPS實現監測終端的核心程序之一是上位機加載地圖文件并繪制軌跡，上位機利用C++編寫。

Google Earth軟件為用戶提供2種擴展接口：一種是KML（keyhole markup language）文件形式，另一種是組件（COM）API形式。KML文件是基于XML語法格式的文件，是一種在Google地圖瀏覽器中用于交換地理數據的文件。它定義了一些規定地理數據的顯示方式。其用途主要有：

（1）指定地點的圖標和注記；

（2）為每一個地理特征創建不同的視角位置；

（3）在地球上疊放圖像；

（4）指定地理特征顯示的樣式；

（5）編寫地理特征的HTML描述，包括超鏈接和內嵌圖像；

（6）使用文件夾對地理特征進行群集；

（7）KML文件的動態獲取及修改；

（8）顯示三維地物。

本文首先根據以上KML格式利用XmlTextWriter類生成中北大學地標KML文件，然后通過調用Google Earth API函數不斷的將實時接收到的經度、緯度等GPS定位信息寫入KML文件“”標簽內，然后利IApplictionG類中的OpenKmlFile函數讀取生成的KML文件，將定位信息以及運行軌跡實時動態的顯示在地圖上。

4 實驗結果分析

圖2為GPS在中北大學校園內實時定位效果圖。圖3是定位終端于中北大學校園內定位軌跡顯示示意圖，圖左側為地圖文件中的軌跡顯示，當前位置處于中北大學校醫院附近。藍色五角星代表定位端，紅色五角星代表追蹤端，藍色線條為定位端所走過的軌跡，圖右側藍色字樣的GPS信息為定位終端定位信息，紅色字樣的GPS信息為追蹤端定位信息。由圖可知定位終端的位置信息：緯度38°00.87460`，經度112°26.71110`，海拔823.8953 km；矢量追蹤端的位置信息：緯度38°00.87322`，經度112°26.71560`，海拔826.9km。

5 總結

本監測系統詳細地闡述了面向危化品準確定位與追蹤系統的設計思想，并且所設計的定位監測系統被試驗驗證其可行。隨著研究的不斷深入和各項功能的完善，該監測系統將被廣泛應用于各種危化品集裝箱與運輸車上，從而減少和避免事故的發生，避免和降低事故危害。更進一步為人們的生命和財產安全帶來保障。

參考文獻

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