一種便攜式綜合指揮箱設計

嚴緯華 莊東曙 丁 寧

南京熊貓通信科技有限公司

0 引言

1 整體設計

如今已經邁入了工業4.0 和物聯網（Internet of things，IoT）時代，隨著指揮精細化的要求，各行各業對可視化移動指揮應用場景需求量激增，例如實時監控、視頻對講，尤其是處置沖突、巡查、調度、數據查詢等場景，對實時視頻及移動指揮的需求十分強烈。與此同時，移動指揮將從以往的語音指揮逐步延伸為可視化視頻通信指揮。

本研究設計并開發一款便攜式移動指揮箱，其具有4G 移動通信和1.4G 專用網絡通信功能，支持H.264 /H.265 編碼，具有1080p/720p/D1 視頻分辨率，支持模擬視頻AV（Audio &Video）/AHD 輸入。內置北斗/GPS 模塊，具有語音對講功能。

1.1 系統介紹及框圖

本研究研發的便攜式移動指揮箱的典型應用拓撲圖如圖1 所示。典型應用為C/S 架構，由用戶側和中心側組成應用系統，用戶側通常為移動指揮箱、聯網計算機、移動終端等，中心側為網管、應用服務器等。用戶在網絡覆蓋區域使用指揮箱，可以與其他移動指揮箱、聯網計算機、移動終端等用戶，以及中心站點實現互聯互通，組成聯網通信，進行實時監控、視頻會議、指揮調度、數據查詢等云端業務。

圖1 指揮箱應用拓撲圖

便攜式移動指揮箱的通信功能，主要是依托現有運營商的3G/4G 無線寬帶網絡，以及1.4 GHz 無線寬帶專網，運用雙網雙待、網絡優選、雙路通信聚合等技術，實現最優寬帶數據傳輸。

1.2 設備組成

便攜式移動指揮箱為一款野外便攜電腦，外觀如圖2所示。

圖2 指揮箱外觀圖

指揮箱由處理器CPU 主板、通信主板、顯示屏、人機接口、電源主板組成，如圖3 所示。

圖3 便攜式移動指揮箱組成框圖

便攜式移動指揮箱的整機性能指標參數，如表1 所示。

表1 整機參數表

2 主要技術特點

本研究設計的便攜式移動指揮箱主要技術特點包括：寬帶無線通信、電源管理電路設計和專業的網絡視頻指揮調度系統。

2.1 寬帶無線通信

（1）3G/4G 無線寬帶通信網絡。支持三大運營商的4G無線通信網絡，包括4G 的FDD-LTE、TDD-LTE 網絡等，理論下行數率峰值150Mbps，上行50 Mbps。并且支持4G 全頻段的通信模塊，實現全網通通信。在4G 網絡信號覆蓋良好的區域，進行了三大運營商速率專項測試，測試數據如表2 所示。

表2 三大運營商4G 網絡平均網速測試表

（2）1.4 GHz 無線寬帶專網。指揮箱內置1.4G 專網的無線通信模塊，支持1.4GHz 無線寬帶專網，其高速數據業務上行峰值速率可達50 Mbps，下行峰值速率可達150 Mbps。1.4 GHz 無線寬帶專網是承載政府業務和應用，為政府機關、公安、交管等政府部門提供無線寬帶數據業務傳輸，是提升政務管理信息化、加快智慧城市建設的有力手段。

無線通信設計內置2 個無線通信模塊，分別為3G/4G 無線通信模塊、1.4G 無線通信模塊，上述兩類無線通信模塊都采用標準化mini-PCIE 板卡，各自通過USB 通信接口連接到通信路由平臺。

通信路由平臺采用高性能SoC 方案，本設計的SoC 采用了一個主頻528 M Cortex A7 處理器，包含了2 個USB 2.0 接口，外圍輔以256 MB Nor Flash，以及256 MB DDR3 SDRAM，這樣就構成了一個通信硬件平臺。平臺軟件采用Linux 操作系統，實現4G/3G 模塊自動識別、自動撥號與斷線重撥、自動無線建鏈與路由，實現自適應、免配置、即插即用的功能；具有自適應、小型化、低功耗的特點，體現移動便攜的終端應用需要。

本研究設計的移動指揮箱集成上述無線通信體制，其優點是系統結構緊密，但是內部諸多無線通信子系統同時工作時，存在互相影響、互相干擾的問題。因此采取多模天線CAD 預仿真及效率評估，優化布局及優化天線參數設計，并在硬件電路設計中采用模塊分割及模塊屏蔽措施，電路采用抗EMI（Electromagnetic Interference）設計，使其在多模兼容工作時達到互相影響最小，解決多模融合下的電磁兼容性問題。

2.2 電源管理電路設計

電源設計需要考慮三點：（1）續航8 小時，電池匹配容量足夠大；（2）電源動態范圍大，指揮箱工作功耗35W，充電功耗110W，電源動態范圍動態可達145W；（3）使用windows 操作系統主板，需要延時安全關機，且關機后進入低功耗待機。

設計方案：（1）電源及電池充電管理，采用鋰電池充電管理IC 電路設計，可以實現多達4 節鋰電池單元充電放電管理；考慮續航8 小時，內置20AH 大容量鋰電池；考慮大電流充電7A 電流，充電循環3 小時。（2）設計采用比較器檢測電池電壓，用以實現電池低壓告警。（3）設計電池低壓告警，觸發延時電路，實現自動保護關機設計。（4）關機“零”功耗設計。通過增加一個關機微功耗（毫瓦級功耗）待機電路，使設備關機后除微功耗待機電路外，其他電路工作電源為零電壓，實現關機“零”功耗（毫瓦級功耗）。

實現“零”功耗待機的工控機控制電路，是通過增加“電源檢測控制”電路，來實現“零”功耗待機的，其電路框圖如圖4 所示。圖中虛框部分為電源檢測控制及狀態信號、使能信號、on/off 信號，為實現“零”功耗控制功能關鍵電路。

圖4 實現“零”功耗待機的電路框圖

2.3 視頻指揮調度系統

便攜式移動指揮箱接入視頻指揮調度系統，該系統包含應急指揮調度平臺和視頻會商平臺，實現從傳統的商務通訊模式，到集視頻、音頻、數據、流媒體為一體的網絡視頻會議新商務模式，依托該軟件系統可以大規模為客戶提供網絡遠程集中監視、控制、存儲、報警聯動、視頻會議等功能。

（1）應急指揮調度平臺

如圖5 所示，該應急指揮調度平臺具備視頻播放及窗口功能、輪詢播放功能、錄像回放功能、信息發布功能、視頻上墻功能、系統日志功能、報警功能、點對點對講功能、副屏播放功能等。

圖5 應急指揮調度平臺

在郊外、山區等特殊復雜環境下執行任務時，終端用戶使用便攜移動指揮箱通過應急指揮調度平臺進行視頻采集現場實時情況，并通過4G/1.4G 網絡傳輸給調度中心，調度中心可根據現場實時數據進行指揮調度。

（2）視頻會商平臺

如圖6 所示，紅色方框區域1 為會議控制區域，區域2 為程序管理區域，區域3 為視頻播放區域，區域4 為音視頻信息區域。會議開始后，組會用戶可以點擊加入發言按鈕進行發言，參會用戶將會聽到組會人的發言。發言狀態下，點擊退出發言按鈕即可退出發言。

圖6 視頻會商平臺

3 結束語

本研究設計和開發一款便攜式移動指揮箱，使用模塊型Intel 核心處理器，設計和集成接口處理器、顯示屏、4G/1.4G無線通信、GPS/北斗雙模定位、視頻信號傳輸等，并依據便攜性特點，進行一體化工業設計，并結合目前Windows 系統、GIS 地理信息系統、應急指揮調度應用系統等，能在便攜式移動指揮箱上進行實時多媒體信息處理，是集移動通信、導航、視頻監控和調度指揮于一體的移動多媒體終端。通過4G/1.4G寬帶網絡通信可與各個終端互聯互通，與中心互聯互通，實現全域的信息化、自動化、可視化指揮調度。此外，利用雙模塊，運用雙路通信聚合技術，可實現寬帶倍增的無線數據通信能力；稍加改進，即可平滑升級支持5G 網絡。本設計綜合考慮未來技術與發展方向，具有一定的升級能力和后向兼容性。