基于NB-IoT的地鐵列車定位系統(tǒng)設(shè)計

鄧建芳，李志明，楊森，丁云杰

（南京鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇南京，210031）

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

地鐵列車絕大多數(shù)時候行使在地面以下的隧道中，衛(wèi)星信號衰落較大，美國GPS和中國北斗等衛(wèi)星定位方式均無用武之地。本文提出利用地鐵已建成的公共4G蜂窩移動網(wǎng)絡(luò)上部署的窄帶物聯(lián)網(wǎng)（Narrow Band Internet of Things, NBIoT）， 設(shè)計出一套基于NB-IoT的地鐵列車定位系統(tǒng)，滿足以下需求：

（1）獨(dú)立于CBTC系統(tǒng)，為地鐵列車的安全運(yùn)行提供了一種冗余的安全監(jiān)測手段。

（2）行車調(diào)度員可準(zhǔn)確地觀測列車位置，以便發(fā)出正確的調(diào)度指令。

（3）擁有獨(dú)立于現(xiàn)有地鐵運(yùn)營系統(tǒng)的供電模塊，供電方式簡單，功耗低。

該定位系統(tǒng)由定位終端、控制中心設(shè)備和NB-IoT云服務(wù)器三部分組成，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 地鐵列車定位系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

定位終端安裝于地鐵列車上，接收控制中心設(shè)備發(fā)送的控制指令信號，利用4G基站采集列車地理位置信息，通過NB-IoT無線通信網(wǎng)絡(luò)將列車當(dāng)前位置信息送給控制中心設(shè)備。控制中心設(shè)備放置于地鐵線路的調(diào)度中心，對地鐵列車運(yùn)行動態(tài)進(jìn)行遠(yuǎn)程實時監(jiān)測。在控制中心設(shè)備的液晶顯示模塊上，行車調(diào)度員可以準(zhǔn)確快速地了解到地鐵列車運(yùn)行狀況。NB-IoT云服務(wù)器實現(xiàn)定位終端與控制中心設(shè)備之間的雙向通信。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 定位終端硬件電路

定位終端由MSP430F169控制模塊、SIM7600CE通信模塊以及電源模塊組成，按照設(shè)定周期不斷更新列車的實時坐標(biāo)數(shù)據(jù)。

MSP430F169控制模塊具有超低功耗、獨(dú)立電源供電、運(yùn)算速度較快、超長待機(jī)、系統(tǒng)工作穩(wěn)定等優(yōu)勢，在整個定位終端設(shè)備有控制的作用?？刂颇K與SIM7600CE通信模塊之間使用串口通信，可以實現(xiàn)對SIM7600CE通信模塊的控制與數(shù)據(jù)處理。發(fā)送的控制命令可以控制SIM7600CE通信模塊使其查詢地鐵列車周圍基站信息，將定位碼發(fā)送給控制模塊分析和處理，處理后的定位數(shù)據(jù)通過SIM7600CE通信模塊以無線方式傳送給NB-IoT云服務(wù)器，轉(zhuǎn)發(fā)給控制中心設(shè)備。

SIM7600CE通信模塊內(nèi)置4G模塊和NB-IoT模塊，具有低功耗特點。本系統(tǒng)使用SIM7600CE作為定位終端的通信模塊，一方面接收控制中心設(shè)備發(fā)來的控制命令，利用4G基站定位原理采集周圍基站的定位信息，實現(xiàn)地鐵列車的位置信息采集。另一方面通過外置天線與NB-IoT云服務(wù)器進(jìn)行無線通信，負(fù)責(zé)定位終端與控制中心設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸。

電源模塊由9V直流電池與LM2596降壓模塊組成，外圍器件很少，具有電路簡單、體積小等特點。終端設(shè)備使用環(huán)保9V堿性電池直流供電，通過降壓模塊LM2596轉(zhuǎn)化為控制模塊和通信模塊所需的5V電壓。可見，定位終端采用獨(dú)立供電方式，不依賴于地鐵專用供電系統(tǒng)。若地鐵供電系統(tǒng)突發(fā)故障，該定位系統(tǒng)仍可以正常使用。

2.2 控制中心設(shè)備硬件電路

控制中心設(shè)備由MSP430F169控制模塊、SIM7020C通信模塊、液晶顯示模塊、按鍵模塊以及電源模塊組成。控制中心設(shè)備的電源模塊與定位終端完全相同。

控制中心設(shè)備的MSP430F169控制模塊是整個定位系統(tǒng)的控制核心，完成絕大部分的數(shù)據(jù)分析和處理。正常情況下，MSP430F169控制模塊接收SIM7020C通信模塊從定位終端獲取到的列車定位信息，進(jìn)行定位計算和數(shù)據(jù)分析處理，轉(zhuǎn)換成列車位置信息，在液晶顯示模塊上實時顯示出來，供調(diào)度員實時查看。緊急情況發(fā)生時，調(diào)度員可以通過按鍵向列車定位系統(tǒng)發(fā)出控制命令，控制模塊檢測識別和確認(rèn)后，通過SIM7020C通信模塊向定位終端下發(fā)列車位置查詢命令。

控制中心設(shè)備的通信模塊采用SIM7020C實現(xiàn)。SIM7020C通信模塊與MSP430F169控制模塊之間通過串行接口相連，其外置天線與NB-IoT云服務(wù)器進(jìn)行無線連接，實現(xiàn)控制中心設(shè)備與定位終端的通信。SIM7020C通信模塊一方面將控制中心設(shè)備的控制命令傳送給終端設(shè)備，另一方面接收定位終端采集到得位置信息，以串口通信的方式發(fā)送給MSP430F169控制模塊處理。

本設(shè)計選用的LCD12864液晶顯示模塊具有低電壓、低功耗特點，它還具有靈活的接口方式和簡單、方便的操作指令，可構(gòu)成全中文人機(jī)交互圖形界面，完全可以滿足列車所在的車站或子區(qū)間信息顯示需求。

按鍵模塊采用獨(dú)立的機(jī)械按鍵，完成以下功能：按下電源按鍵后，接通控制中心的控制模塊、通信模塊、顯示模塊的電源，各模塊正常工作；按下復(fù)位按鍵后，控制中心設(shè)備處于復(fù)位狀態(tài)，控制模塊、通信模塊、顯示模塊的RAM數(shù)據(jù)清空；按下暫停按鍵后，控制中心設(shè)備處于暫停狀態(tài)，控制模塊、通信模塊、顯示模塊的數(shù)據(jù)暫存于RAM中。一旦有緊急情況發(fā)生，調(diào)度員可以通過控制中心設(shè)備的查詢按鍵向定位系統(tǒng)發(fā)出查詢命令，通過增加和減少鍵更改定位采集周期。

2.3 NB-IoT云服務(wù)器

NB-IoT云服務(wù)器租用阿里云服務(wù)器的存儲空間，以NBIoT無線方式完成定位終端的SIM7600CE通信模塊和控制中心設(shè)備的SIM7020C通信模塊之間的信息傳輸，實現(xiàn)控制中心設(shè)備與定位終端的雙向通信。NB-IoT無線傳輸采用開銷小、占用帶寬低的MQTT（Message Queuing Telemetry Transport，消息隊列遙測傳輸）協(xié)議。MQTT協(xié)議基于客戶端-服務(wù)器發(fā)布或訂閱消息，我們將成定位終端的SIM7600CE通信模塊和控制中心設(shè)備的SIM7020C通信模塊設(shè)置為客戶端，是消息的發(fā)布者和訂閱者，NB-IoT云服務(wù)器完成消息代理。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 定位終端主程序設(shè)計

定位終端通過MSP430F169單片機(jī)控制SIM7600CE通信模塊與云服務(wù)器建立連接，主程序流程如圖2所示。SIM7600CE通信模塊以信息訂閱者的身份，通過MQTT協(xié)議訂閱查詢位置為主題的信息。若接收到查詢位置的主題信息，就以串口通信的方式對SIM7600CE通信模塊下達(dá)更改位置查詢周期的信息。否則接受來自通信模塊采集到的所有基站LAC和CID碼，選取信號最強(qiáng)的3個基站，通過Chan定位算法分析得出當(dāng)前列車所處位置的經(jīng)度和維度信息，并且控制SIM7600CE通信模塊將定位信息以消息發(fā)布者的身份發(fā)布到云服務(wù)器，繼而傳送給控制設(shè)備。

圖2 定位終端流程圖

3.2 控制中心設(shè)備主程序設(shè)計

控制中心設(shè)備主程序流程如圖3所示?？刂浦行脑O(shè)備檢測按鍵模塊是否有控制命令下發(fā)。若按鍵按下，則以串口通信的方式控制SIM7020C通信模塊，通知SIM7020C通信模塊以發(fā)布者的身份向定位終端發(fā)布控制命令。若無按鍵按下，通知SIM7020C通信模塊以訂閱者的身份訂閱以位置信息為主題的消息。在本系統(tǒng)中，主題為定位數(shù)據(jù)，表示所傳輸?shù)南㈩愋褪桥c定位有關(guān)的，消息訂閱者只要訂閱了這個主題之后，就可以收到關(guān)于這個主題的所有消息內(nèi)容。為了便于調(diào)度員直觀、準(zhǔn)確地觀測列車位置，控制中心設(shè)備在接收到服務(wù)器的響應(yīng)后，將列車經(jīng)度和緯度值以輪詢方式查閱已建立的列車經(jīng)緯度-線路公里標(biāo)數(shù)據(jù)庫，再將公里標(biāo)轉(zhuǎn)換成地鐵軌道線路的子區(qū)間編號。列車位置最終以車站名或子區(qū)間編號形式在液晶顯示屏上顯示，便于調(diào)度員快捷準(zhǔn)確地觀測。

圖3 控制中心設(shè)備流程圖

兩個地鐵車站之間形成一個列車運(yùn)行的閉塞區(qū)間，為了提高定位精度，將閉塞區(qū)間劃分為若干子區(qū)間，按序編號。相鄰子區(qū)間之間的距離越小，子區(qū)間數(shù)量越多，定位精度越精確。本系統(tǒng)采用子區(qū)間間隔為100米，相距1千米的兩個車站之間劃分為10個子區(qū)間。表1為地鐵軌道線路的公里標(biāo)與子區(qū)間關(guān)系示例，受篇幅限制，僅列出間隔約為500米的子區(qū)間劃分。

表1 地鐵軌道線路的公里標(biāo)與子區(qū)間關(guān)系示例

4 系統(tǒng)測試

為檢測本文所設(shè)計列車定位系統(tǒng)的有效性和穩(wěn)定性，將定位終端加上防震設(shè)施后隨列車運(yùn)行在4G網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域內(nèi)，調(diào)度員按下控制中心設(shè)備的增加或減少按鍵，啟動系統(tǒng)運(yùn)行。測試結(jié)果表明，定位終端根據(jù)設(shè)定周期進(jìn)行位置采集，列車位置信息通過NB-IoT云服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)后送至控制中心設(shè)備，調(diào)度員可實時觀測到列車的行駛方向，以及列車所處的車站名或子區(qū)間編號。通過與地鐵實際位置比對，本系統(tǒng)的列車定位精度誤差在100米左右，在列車安全運(yùn)行允許范圍內(nèi)。當(dāng)切斷地鐵運(yùn)營系統(tǒng)的供電模塊時，本定位系統(tǒng)依然正常運(yùn)行，達(dá)到了預(yù)期設(shè)計目標(biāo)。

5 結(jié)束語

本設(shè)計結(jié)合4G基站定位和NB-IoT技術(shù)，根據(jù)地鐵列車運(yùn)行安全的實際要求，開發(fā)設(shè)計了一種滿足了實現(xiàn)地鐵列車定位的裝置。該系統(tǒng)硬件簡單，大多數(shù)功能通過軟件實現(xiàn)，具有結(jié)構(gòu)簡單、低功耗、低成本、實用性強(qiáng)等優(yōu)點，為地鐵列車運(yùn)行提供了可靠的保障，降低地鐵列車事故的發(fā)生概率，為地鐵列車安全運(yùn)行提供冗余保護(hù)。