衛星應用綜合實訓平臺設計與實現

唐建清 鄒國霞

摘? 要：針對市場上缺乏衛星定位應用開發體系的教學實訓平臺，設計了一套集軟件和硬件于一體的綜合實訓平臺。基于工作過程方法，將平臺分為前端應用部分、衛星定位硬件部分和衛星數據采集后臺部分，前端應用部分主要請求后臺定位數據及其他信息并進行定位操作和其他狀態的顯示;衛星定位硬件部分主要進行衛星定位信息及其他信息的采集、解析、顯示、遠程發送;衛星數據采集后臺部分主要存儲定位信息及其他信息。通過實踐教學證明該平臺成本低，操作簡單，易學易用，能夠綜合應用學生所學知識并激發學生創新創業激情。

關鍵詞：衛星定位;單片機;GPRS

Abstract：For the lack of teaching and training platform in satellite positioning application development system，a comprehensive training platform integrating software and hardware is designed. Based on the working process method，the platform is divided into front-end application part，satellite positioning hardware part and satellite data acquisition background part. Front-end application part mainly requests background location data and other information and displays location operation and other status. The hardware part of satellite positioning mainly collects，parses，displays and transmits satellite positioning information and other information remotely. The background part of satellite data acquisition mainly stores positioning information and other information. Through practical teaching，it is proved that the platform is low cost，simple to operate，easy to learn and use，and can comprehensively apply the knowledge learned by students and stimulate their passion for innovation and entrepreneurship.

Keywords：satellite positioning;single chip;general packet radio service

0? 引? 言

衛星應用產業已經成為促進國民經濟發展的重要領域之一。文獻[1]指出，北斗衛星導航系統是我國自主研制的GNSS系統，它是國家重要的戰略資源，在國防和國民經濟建設中發揮著重要效益。文獻[2]指出，衛星及應用產業是國家戰略性高技術產業，是我國戰略性新興產業高端裝備制造業的重點發展方向。文獻[3]指出，北斗系統建設應用被確定為國家“十三五”4大重點工作和12項優先行動之一，文獻[4]指出，鼓勵廣東省內高等學校調整專業學科設置，滿足衛星導航產業發展人才需求。文獻[5-8]指出，衛星應用需要人才非常廣泛，可以從事產品研發、系統開發、運營服務。基于衛星應用行業人才的需要，2017年開設了“軟件技術專業（衛星應用）”方向，而且該方向列入校級創新強校工程。2018年“軟件技術專業（衛星應用）”人才培養模式研究獲得了“2019年度國家工業和信息化職業教育教學科研課題”立項。

1? 衛星定位應用綜合實訓平臺整體設計

文獻[9-11]指出，實踐教學是高等學校培養大學生創新意識和創新能力的關鍵環節，結合專業特色，開展相應的實踐教學環節具有重要作用。如文獻[12]提到的情況一樣，目前針對衛星定位的實踐教學平臺很少，而且市場上的衛星定位教學實驗箱或實驗裝置教學內容主要是將企業的一些實際項目移植過來，這些設備除了費用較高以外，內容也比較復雜。實驗箱或實驗裝置是集成好的或者封裝好的，學習者沒有更直觀的認識。

廣東理工職業學院工程技術學院偏向硬件電子類，廣東理工職業學院人工智能學院偏向軟件開發類，學硬件的學生不懂應用軟件開發，學軟件的學生對硬件了解較少，而在實際工作中需要學軟件的學生懂得一點硬件基本知識，學硬件的學生也要知道應用軟件是如何開發的。基于這個目的，廣東理工職業學院工程技術學院和人工智能學院從學生熟悉的生活環境出發，將大家熟悉的共享單車進行簡化，由工程技術系設計硬件部分，由人工智能學院設計應用軟件部分，最后形成一個由軟硬件結合的綜合實訓平臺。

本文設計的實訓平臺完全是零散的模塊，每個模塊具有特定的功能，通過整個實訓的設計過程，將一個一個模塊連接起來，最后形成一個完整的應用系統模型，能夠實現學生對衛星定位應用的綜合訓練的需要，提高學生的衛星定位綜合應用技能。該衛星定位應用綜合實訓平臺整體設計如圖1所示。

對于衛星定位前端的開發需要涉及硬件部分，這一部分主要是用來遠程控制事件的觸發和響應，如圖1右邊所示，圖1右邊硬件部分最終是根據特點的功能研制成的產品，如ofo的車鎖部分、山洪檢測器等。圖1左邊是遠程接收圖1右邊硬件產品信息的軟件，衛星定位應用只有軟硬件結合使用才有現實意義。一般情況軟件部分的作用主要是遠程監控硬件產品。

本系統主要從最簡單的原理模型出發，讓學習者能以最快的速度和最少的精力掌握衛星定位應用開發，從而激發學習者的創新欲望，增加創新創業機會。

2? 衛星定位應用綜合實訓平臺軟件部分

衛星定位應用綜合實訓平臺軟件部分主要是采集數據和對采集的數據進行應用，作為實訓平臺應該盡量用簡單易理解的方式讓學習者明白理論知識，這樣才可以讓學習者更有興趣探索新的事物并進行創新。

2.1? 數據存儲TCP服務端

該服務端功能就是采集遠程SIM卡發送過來的數據，并將該衛星定位數據存儲到數據中，所使用的知識點是TCP Socket編程、數據庫操作以及GPRS的TCP傳輸模式。其數據流程如圖2所示。

遠程GPRS通過TCP命令，將采集到的數據發送給TCP服務器，TCP服務器將接收到的數據進行解析，并按照一定格式存儲到數據庫中，以便客戶端對數據進行處理。

2.2? 數據顯示Web客戶端

數據顯示Web客戶端是衛星定位信息的應用，通過Web服務器創建衛星定位應用系統，該系統獲取數據庫中的數據，并通過網頁的形式展示給用戶。從簡單出發可以利用Node.js和Vue.js來實現。其部署圖如圖3所示。

Web服務器部分主要運行Node.js服務端程序，讀取數據庫服務器中的衛星定位數據。

前端網頁主要采用Vue.js前端技術，對讀取的數據進行定位顯示或者路徑顯示。

3? 衛星定位應用綜合實訓平臺硬件部分

衛星定位應用綜合實訓平臺硬件部分主要是用來采集定位信息、解析定位信息、遠程傳輸定位信息到服務器。為此需要用到的功能模塊如圖4所示。

在圖4中，GPRS主要是通過SIM模塊來實現，該模塊可以借助GPRS網絡遠程與服務器進行交換數據;單片機主要是采集定位信息，分析定位信息，發送指令和定位信息給GPRS，使采集到的定位信息及時通過GPRS傳送到服務器;定位芯片主要是接收衛星定位信息;TFT顯示屏顯示單片機解析后的定位信息。

4? 實驗效果圖展示

4.1? 通過串口采集定位芯片信息

先通過串口采集定位芯片信息，這樣電腦可以很直觀地看到定位芯片接收到的衛星定位信息，信號的格式是由數據傳輸標準協會制定的NMEA0183數據格式。對輸出信息中各數據的位置作了具體的規定，以防止信息的混淆。常用的輸出格式有$GPRMC、$GPGGA、$GPGSV、$GPGSA、$GPGLL、$GPZDA、$GPVTG 等幀數據格式。根據收集到的數據對NMEA0183常用的數據格式進一步進行理解和掌握，實驗效果截圖如圖5所示。

常用的推薦定位信息數據格式為$XXRMC。

圖5結果中常用的定位信息為$GPRMC，GP表示GPS定位芯片。

上面數據采集的是靜態室外定位數據：

（1）091057.00：9+8=17，即下午5點，定位時間為17時10分57秒。

（2）A：定位有效。

（3-6）2231.05016，N，11323.85871，E：緯度北半球2231. 05016，東經11323.85871。

（7）0.156：地面數度0.156節。

（8）地面航向：0。

（9）261018：2018年10月26日。

（10）磁偏角：0。

（11）A：自主定位。

（12）*75：校驗和。

4.2? 通過單片機采集定位信息并解析

單片機通過串口與定位芯片連接，采集并解析$GPRMC定位信息，實驗效果如圖6所示。

4.3? 通過SIM卡遠程發送定位信息到服務器

單片機發送信息給GPRS模塊，讓GPRS模塊向服務器發送TCP連接請求，請求成功后，單片機將接收到的定位信息顯示到顯示屏上并發送給GPRS，GPRS再將接收到的定位信息發送給TCP服務器。實驗連接圖和實驗結果如圖7、圖8所示。

4.4? 前端應用部分顯示定位地圖

通過請求服務器采集的定位信息，通過vue-amap插件將定位信息顯示在地圖上，效果如圖9所示。

5? 結? 論

衛星定位綜合實訓平臺已經應用于教學之中，其中一套硬件系統各個模塊加起來目前市場價是150元左右，軟件系統開發可以應用于教學之中作為實訓案例完成，因此該衛星定位綜合實訓平臺整體性價比非常高，既可以提高學習者的動手能力、創新能力，又可以讓學習者明白衛星定位硬件產品創作原理和衛星定位應用系統開發過程，激發軟件開發者學習硬件的興趣或者激發硬件開發者學習軟件的興趣，從而解決軟件學習者見到硬件望而生畏，硬件學習者不了解軟件開發的問題，更有利于學習者提升空間。

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作者簡介：唐建清（1971—），男，漢族，湖南邵陽人，副教授，碩士，研究方向：物聯網技術及教育、區塊鏈技術。