基于Android平台的定位终端软件设计

赵 渊, 李 哲, 林艳青, 裴俊艺, 付一达

(1.贵州省电网有限责任公司 贵安供电局, 贵州 贵阳 550000;2.哈尔滨工业大学 电气工程及自动化学院, 黑龙江 哈尔滨 150001)

0 引 言

随着智能电网的发展,贵州电网公司对计量自动化终端和SIM卡的智能管理势在必行[1-3],但是其受制于计量自动化终端覆盖率及位置信息、SIM卡位置信息。计量自动化系统的自动定位无法实现,仅能人为输入“行政区码”和“终端地址”来对每个用电信息管理装置进行标记。伴随着移动通信技术的发展,如何利用目前便捷的、廉价的通信设施和定位服务,更好地服务于计量自动化终端的实时监测[4],成为电力工作人员要解决的问题。

目前在低压电力系统中,对终端的智能管理可以采用物联网智能管理和人工录入两种方式[5-6]。目前的物联网技术发展迅速,但由于变电站终端数量大;若采用全球卫星定位系统(GPS),其定位成本高,且GPS信号在终端密度大、建筑物密集的场所实用性差;若采用基站定位技术,则定位精度不足,定位的参考价值小。因此,现阶段宜采用基于以上两种定位技术的自动化终端与人工定位终端结合的方法对终端设备进行管理,成本相对小,而可靠性高。在计量自动化终端上采用混合定位方式为未来电力行业实现万物互联的智能监测奠定了基础。

1 系统总体设计

系统主要由控制主站、云端服务器和定位终端组成。在控制主站安全接入区架设接口服务,通过隔离装置与计量自动化主站Ⅲ区进行通信;现场的Android手持终端用于录入终端地址、行政区划、终端位置信息、信号强度,通过4G无线专网上传到安全接入区接口服务器;再经现场人员在计量自动化主站确认后与主站档案进行关联。系统架构图如图1所示。

变电站自动化系统对通信方式有信息实时传输以及信息的可靠性、安全性优先级和开放性等要求。此外,终端设备的位置信息具有保密性,电力系统中的网络通信一般在专网中进行[7];但是采用专网基站对设备进行定位具有很大局限性。基于以上考虑,定位终端使用双卡4G设计,在保留专网通信的基础上使用基于透明传输技术的公网通信。使用这种组合既保证了重要信息的安全可靠,又拥有了通信速率高、稳定可靠和易于拓展等优点,为未来进行基于人工智能的大规模管理打下了坚实的基础。

终端使用GPS定位和基站定位结合的定位方法。在定位过程中,专网SIM卡周期性地自动获取附近基站的位置区码(LAC)、基站号(CID)等信息,公网SIM卡将基站信息发送给云端服务器;云端服务器计算出基站的坐标,再通过4G信号发送回定位终端。为了实现终端的小型化和移动化,定位终端运行基于Android的软件程序,将现场信息整合后通过4G通信发送给控制主站。

2 系统硬件设计

定位终端使用基于ARM Cortex-A9架构的三星S5P4418处理器,采用28 nm 制作工艺,主频为1.4 GHz。内存为1 GB DDR3,搭配8 GB的eMMC存储器。运行Android 4.0.3操作系统,外部连接触摸液晶显示器、公网4G模块、专网4G模块、GPS模块和电源模块等[8]。其中公网4G模块支持LTE-TDD、LTE-FDD、TD-SCDMA、WCDMA、GSM 5种通信制式,对物联网SIM卡有较好的兼容性。硬件结构如图2所示。

3 系统软件设计

系统软件设计主要分为3个部分:终端获取GPS通信信息或附近基站信息;分析坐标,并显示终端地址、行政区划、直接采集到的终端位置信息、信号强度等终端信息;终端将信息通过4G专网上传至控制总站。

根据终端定位信息整合关联终端、SIM卡、用户/台区、变压器档案,可以使计量设备的运行状态脉络更加清晰。将收集到的终端信息自动上传到控制主站,实现终端/SIM卡在线状态实时监测、运营商信号强度热力图显示;与现场作业系统贯通,计量装置巡检、快速停复电系统抢修可获取终端坐标信息,帮助运维人员及时到达现场进行操作,从而提高了对现场用电信息管理装置的管理水平。

3.1 定位方法

目前移动设备主要使用两种定位系统:全球卫星定位系统(GPS)和移动位置基站系统(LBS)。GPS定位具有定位精确的优点,目前民用定位精度平均达到10 m级,但是GPS定位受天气和地理位置的影响较大;基站定位方便快捷,不受天气和附近建筑物遮挡的影响,但缺点是定位精度很差,而且大规模使用会产生较高的运营商费用。除了这两种常见的定位技术,还有一种新型的A-GPS技术,结合了基站信息和GPS信息对设备定位,获取GPS信号快、定位精度更高,但是仍受限于GPS技术的缺点[9]。

基于以上分析,采用了GPS定位和基站定位的方案,其中GPS定位具有更高的优先级:终端优先使用GPS定位方式,在该模式下设备将收到全球导航卫星系统(GNSS)发送的消息。如果GPS模块收不到或无法解析GNSS消息,则使用基站定位方式。

GPS定位方式下,由GPS模块获取至少4个卫星的GNSS消息。收到消息后,从中解析出卫星的坐标,再利用坐标以及请求和接收消息的时间差计算终端的位置。GPS定位的原理图如图3所示。

假设终端的时钟和卫星时钟同步,就能得到终端和卫星之间距离的关系式:

(1)

式中:R——终端和卫星之间的距离;

(x1,y1,z1)——卫星1的空间坐标;

(x,y,z)——终端的空间坐标。

其中卫星1的空间坐标为已知量,其他为未知量。考虑到终端和卫星的时钟一般存在差距,设其为Δt,因此这个关系式左右会相差一定值,称其为伪距。得到的方程如式(2)所示:

(2)

式中:c——电磁波的传输速度。

现在方程有4个未知量,根据4个卫星的位置即可联立方程求解终端的空间坐标。基站定位方式优先使用专网基站,专网SIM卡连接附近的基站,获取基站的LAC、CID信息以及到达时间(TOA),再使用公网SIM卡将这些信息发送到云端服务器;云端服务器计算出经纬度信息后将其发送回终端。定位流程图如图4所示。

3.2 终端软件设计

考虑到现场运维人员的工作要求,终端设备要具有可移动性,终端应用要具有良好的图形操作界面,所以采用Android操作系统。Android是基于Linux的开源操作系统[10],被广泛应用于移动设备。软件开发使用的IDE为Android Studio。采用Java运行环境,并且与Android SDK和Android NDK建立连接[11]。

设计基于Android的软件实现:用户登录;自动或手动获取实时信息;将信息显示出来并提供修改;将信息自动或手动上传至控制主站。

用户的角色分为3种,分别是检查人员、运维人员和管理人员。检查人员可以查看到终端设备的信息,了解终端的运行状况;运维人员是现场工作人员,在具有检查人员权限的基础上,还可以对终端信息进行编辑或者修正,再将编辑后的信息保存并上传;管理人员具有全部的权限,包括可以对其他用户授权或者删除非管理人员的权限。用户操作流程如图5所示。

该软件可以通过识别登录者并为其分配不同的角色,不同的角色拥有部分或者全部权限。通过配置用户的角色使得工作人员可以完成自己的工作而不会接触到不需要的功能,避免了滥用权限的情况,实现了对工作人员的智能化管理。登录界面如图6所示。管理员界面如图7所示。

管理员可以实时查看附近自动化设备的状态,包括节点电压、经纬度、地址等。管理员可以查询设备信息并对其进行人工修改,确保控制主站获得信息的准确性。当设备运行异常时,Android系统通知栏会收到推送来的警告信息,提醒工作人员对设备信息进行查看,并进行后续的故障处理。设备运行过程中产生的所有信息都会储存到云端服务器中,可以随时查看设备信息的历史纪录,实现对所有设备实时可控的智能化管理。

4 结 语

通过设计基于Android的软件,结合GPS定位和基站定位方法,对变电站自动化终端进行智能化管理,实现了远程实时获取终端信息,提升了电网的信息管理能力。该系统使用GPS定位可以对设备进行高精度定位,为电网智能化提供了一种具有高可靠性的方案,为后续终端定位技术大规模推广应用的可行性提供依据和实施途径。