北斗在移动资产定位系统中的应用

郭秋梅，张秋云，曾 闵，石繁荣，罗 颖

(1.西南科技大学信息工程学院，四川 绵阳 621010；2.特殊环境机器人技术四川省重点实验室，四川 绵阳 621010)

北斗在移动资产定位系统中的应用

郭秋梅1,2，张秋云1,2，曾 闵1,2，石繁荣1,2，罗 颖1,2

(1.西南科技大学信息工程学院，四川 绵阳 621010；2.特殊环境机器人技术四川省重点实验室，四川 绵阳 621010)

针对人们日常生活和工作中移动资产存在的安全风险问题，设计了一套基于北斗定位和安卓技术的定位系统，以实现移动资产定位追踪和位置信息上报。系统包括资产定位硬件终端和人机交互手机客户端两部分。硬件终端以低功耗微处理器MSP430为核心实现信息处理与交互，由北斗和GSM模块为移动资产提供定位信息。在卫星信号较好的室外，直接通过北斗进行定位；而在室内卫星信号较弱或卫星信号丢失时由GSM辅助定位，从而最大限度地保障移动资产位置信息不丢失。资产位置信息由GSM模块通过移动通信网络发送至客户端。手机客户端采用JAVA语言进行开发，具备资产位置查询、移动路径显示等功能，方便用户对资产进行实时定位追踪。试验测试结果表明，该系统运行稳定、可靠，能够在室内、外等多种环境中准确定位追踪移动资产，为移动资产的安全提供有力保障，同时也为北斗技术在工农业领域的应用提供参考。

北斗; 定位系统； 移动通信； 安卓； GSM； MSP430； 低功耗； 追踪

0 引言

目前，全球卫星导航系统已渗透至社会发展的各个领域。定位技术是实现监控的关键，其在较长时间内被全球定位系统(global positioning system,GPS)垄断。我国每年用于GPS卫星导航终端设备的采购、运营及管理成本都较高。因此，加快对我国自主研发的北斗卫星导航系统所提供的导航、定位、授时服务的应用研究具有重要意义[1-2]。

北斗定位系统具有测试、定位、双向授时及短信通信功能，其安全可靠稳定、覆盖范围大、架设及维护简单，可作为远程数据传输的理想通信系统。为尽可能降低车辆、名贵宠物、仪器设备等移动资产存在的安全风险[3-4]，本文设计了一种基于北斗和Android的移动资产定位系统。用户可通过手机客户端及时定位自己的移动资产，获取其位置状态信息。该系统在宠物定位、车辆防盗及老人走失等方面具有广泛应用价值。

1 系统设计

本系统基于北斗定位系统实现对移动资产的位置管理，主要包括资产端定位模块和远程手机客户端两部分。系统结构如图1所示。

图1 系统结构示意图

资产端定位模块用于实时定位资产位置信息，并根据远程客户端请求发送位置信息；远程手机客户端为资产所有者提供一个可视化界面，实现对可移动资产位置信息的显示。

2 资产定位终端

2.1 硬件设计

资产定位终端采用模块化结构设计，其硬件结构如图2所示，主要由北斗信号接收模块、MCU模块以及GSM模块组成。

图2 定位终端硬件结构图

该终端模块通过天线接收北斗卫星信号，由接收模块解码后得到资产经纬度信息。单片机获取该经纬度信息后，一方面通过GSM模块将其发送至远程手机客户端，另一方面对其进行本地存储。GSM模块实现与手机远程客户端之间的信息交互，同时在卫星信号丢失的情况下根据资产与当前周围通信基站的相对位置获取资产大致定位信息。

北斗信号接收模块采用瑞士u-blox公司MAX-M8Q定位模块。该模块尺寸小(9.7 mm×10.1 mm×2.5 mm)、功耗低(持续工作23 mA@3 V，省电模式5.4 mA@3 V)，支持北斗、GPS、GLONASS、Galileo这4种全球定位系统，位置更新速率可达18 Hz，定位精度为2.5 m，冷启动时间为26 s，冷启动灵敏度为-148 dBm，跟踪灵敏度为-167 dBm，可满足不同形式和不同移动速率资产定位要求[5]。

考虑到资产形式及定位终端供电方式的不同，为了满足不同资产的应用需求，本系统采用TI公司超低功耗单片机MSP430F169作为处理器。MSP430F169单片机工作电压为1.8～3.6 V，RAM数据保持工作模式下仅需0.1 μA的电流，活动模式下耗电250 μA/MIPS(每秒百万条指令书)，I/O输入端口漏电流最大为50 nA[6]。单片机通过串口UART1与上述定位模块进行通信，实现对定位模块的配置和位置信息的获取，并通过串口UART2与GSM模块进行信息交互。

资产所处环境决定了卫星信号的强弱，当资产位于楼栋内或地理环境复杂的山区时，无法通过卫星信号进行定位。为了解决这一问题，本系统的GSM模块采用可利用基站进行定位的SIM900A。当卫星信号丢失时，通过AT指令获取基站的经纬度信息以确定资产位置[7]。

2.2 软件设计

为了降低终端整体功耗，程序设计过程中使MCU间歇性工作，每次获取位置信息后进入休眠模式，当休眠时间到或者出现数据请求时唤醒。资产定位终端程序采用C语言编写，包含资产位置信息获取与信息发送两部分。程序流程如图3所示。

图3 程序流程图

资产定位终端每隔一定时间进行一次位置信息采集并保存，远程客户端发出数据请求时，将本地存储的位置信息通过GSM发送出去。

由于资产的可移动性，使得其位置信息会不断发生变化。因此，根据卫星相对位置的变化，可定期对卫星星历进行更新并装载到卫星信号接收模块，使得在一些特殊情况(如资产遗失或被盗)下能够迅速获取资产位置信息。此外，为了防止因卫星信号丢失而出现的无法定位问题，程序中增加GSM定位功能，通过获取当前资产与周围移动通信基站的相对位置，得到资产大致的定位信息。

3 手机客户端

智能手机已成为人们日常生活的必需品，目前基于Android操作系统的智能手机占有我国手机市场的80%以上[8]。Android手机平台是一个开放性的平台，可以根据用户不同的需求对平台进行扩展开发，且无需支付任何费用[9]。本文基于Android智能手机开发手机客户端软件，嵌入百度地图作为资产位置可视化界面，方便用户随时随地对资产位置进行查看。

3.1 客户端功能

根据对资产位置信息的分析，Android手机客户端主要功能模块如下。

①系统短信获取。本系统设计采用短信方式发送资产位置信息，客户端软件需获取由资产终端发回的短信，以便进行位置分析与显示。

②参数设定。移动资产的种类形式不同，对位置信息的实时性要求也不同。为满足不同类型资产的需求，用户可通过手机客户端对资产定位终端获取位置的时间间隔进行设置，同时也可根据实际情况进行资产定位终端目标短信电话号码的设置。

③资产位置查询。在资产遗失或被盗的情况下，为及时获悉资产当前位置信息，用户可利用客户端软件向资产定位终端发送位置查询命令。

④资产位置显示。由于资产定位终端向客户端软件返回的位置信息是经纬度信息，为了更直观地向用户展示资产当前位置，客户端软件嵌入百度地图，通过解析经纬度数据，在地图上显示位置信息。

3.2 客户端界面

客户端界面以地图显示为主，增加电话号码设置、位置信息获取等按键。用户通过设置按键进行移动资产电话号码添加，当需要对资产位置进行查询时操作位置信息获取按键，手机将自动向被监控资产发送指令。移动资产收到手机客户端位置信息请求命令后，回复当前最新位置以及最近1 h的位置信息，手机客户端接收数据后标注资产最后位置与最近1 h的移动轨迹。

为了验证本系统的有效性，分别进行室外和室内测试，模拟卫星和移动通信基站定位的场景。测试结果如图4所示。

图4 测试结果

在室外测试时，通过人为移动模拟资产移动情况，其测试结果如图4(a)所示，图中黑色线条表示资产在最近1 h内的移动轨迹，标记点A为当前的位置。在室内测试时，始终将资产固定放置于测试房间中，其测试结果如图4(b)所示。

4 结束语

通过上述试验表明，本文所设计的移动资产定位系统能够有效地提高移动资产的安全性，可在资产遗失、被盗等情况下及时上报、获取资产位置信息，有助于寻找、追回移动资产，减少经济损失。此外，该系统采用小型模块化、低功耗设计，可安装在不同类型的资产上，如汽车、自行车、测量仪器设备，甚至是小孩和宠物身上，具有较好的应用前景。

[1] 李荣冰,于永军,刘建业,等.大气辅助的SINS/GPS组合导航系统研究[J].仪器仪表学报,2012,33(9)：1961-1966.

[2] 杨元喜.北斗卫星导航系统的进展、贡献与挑战[J].测绘学报,2010,39(1):1-6.

[3] 刘碧贞,黄华,祝诗平.北斗在远程人防警报系统中的应用[J].自动化仪表,2015,36(4):22-24.

[4] 张凡.基于北斗定位的车辆定位监控系统的设计[D].武汉：武汉理工大学，2014.

[5] VIGNESHWARAN K,SUMITHRA S,JANANI R. An intelligent tracking system based on GSM and GPS using smart phones[J]. International Journal of Advanced Research in Electrical Electronics and Instrumentation Engineering，2015,4(5):3897-3903.

[6] PHAM H D,DRIEBERG M,CHI C N. Development of vehicle tracking system using GPS and GSM modem[C]//Open Systems,2012:89-94.

[7] LI J R,LI F J,WU Y W. The design of mine safety monitoring system based on wireless sensor networks [J].Chinese Journal of Sensors and Actuators,2011，24(9):1336-1340.

[8] 杨林楠,郜鲁涛,林尔升,等.基于Android系统手机的甜玉米病虫害智能诊断系统[J].农业工程学报,2012,28(18)：163-167.

[9] 徐志江,庄壮,孟利民.一种基于Android智能手机的车载定位查询软件[J].浙江工业大学学报,2013,41(6):655-659.

Application of Beidou in Mobile Asset Positioning System

GUO Qiumei1,2，ZHANG Qiuyun1,2，ZENG Min1,2，SHI Fanrong1,2，LUO Ying1,2

(1.School of Information Engineering,Southwest University of Science and Technology,Mianyang 621010,China；2.Robot Technology Used for Special Environment Key Laboratory of Sichuan Province,Mianyang 621010,China)

Aiming at the security risks of mobile assets in human daily life and work,a set of positioning system based on Beidou positioning and Android technology has been designed for realizing functions of positioning tracking of mobile assets and location information reporting. The system is composed of the hardware terminal and the human machine interactive mobile phone client. In hardware terminal,the low power consumption microprocessor MSP430 is adopted as the core,to achieve information processing and interaction. The location information of mobile assets is provided by Beidou and GSM modules. In outdoor,when the satellite signals are better,the positioning is directly realized via Beidou,while in indoor,if the satellite signals are weak or lost,the positioning is realized with help of GSM,to ensure the location information of mobile assets not being lost. The location information of assets is sent to the client through mobile communication network. Mobile phone client uses JAVA language for developing functions including location query,path display,and real time position tracking,etc. The test results show that the system works stably and reliably,and it can guarantee the safety of mobile assets in a variety of indoor and outdoor environments. In addition,this system may offer inspiration to application of Beidou technology in industrial and agricultural fields.

Beidou; Positon system; Mobile communication; Android; GSM; MSP430; Low power consumption; Tracking

国家自然科学基金青年基金资助项目 (61601383 )

郭秋梅(1987—)，女，硕士，助教，主要从事智能检测与控制、图像处理技术的研究与应用。E-mail:guoqiumei_xx@163.com。 张秋云(通信作者)，男，硕士，讲师，主要从事智能检测与控制的研究与应用。E-mail:zhangqiuyun123@163.com 。

TH6;TP23

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201708009

修改稿收到日期:2017-04-18