朱貴冬，徐偉強，劉 鵬，馬偉鋒，郭浩雄

(廣州海格星航信息科技有限公司，廣東 廣州 510663)

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基于穿戴型北斗終端的人員安全管理軟件設(shè)計

朱貴冬，徐偉強，劉 鵬，馬偉鋒，郭浩雄

(廣州海格星航信息科技有限公司，廣東 廣州 510663)

針對野外人員定位和通信不便的問題，設(shè)計了一種在手機安卓系統(tǒng)上運行的人員安全管理軟件。通過藍牙應用層協(xié)議，實現(xiàn)與穿戴型北斗終端的人機交互，可監(jiān)控終端工作狀態(tài)和調(diào)整工作參數(shù)；通過接收終端的位置信息，實現(xiàn)北斗/GPS雙模定位、電子/衛(wèi)星地圖導航、軌跡回放；利用終端的通信功能，實現(xiàn)基于北斗短報文的險情上報和應急指揮。應用結(jié)果表明，軟件可滿足艱險地區(qū)野外工作安全管理需要。

北斗衛(wèi)星系統(tǒng)；藍牙；定位；通信；地圖導航；人員安全管理

0 引言

北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)由我國自行研制，擁有完全自主知識產(chǎn)權(quán)，具有快速定位、雙向通信和精密授時三大功能。短報文通信是北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)所特有的功能[1-3]。北斗短報文通信具有全天候、無盲區(qū)的特點，能夠彌補傳統(tǒng)通信方式的不足，特別適合于開展態(tài)勢監(jiān)控、應急指揮、數(shù)據(jù)傳輸?shù)葢肹4-5]。近年來，初步形成了基于北斗的野外位置服務需求[6]，特別是在車輛監(jiān)控管理方面[7-8]。

為加強野外工作安全，國家相關(guān)部門出臺了一系列措施，并配備了電臺、海事衛(wèi)星電話等設(shè)備，但艱險地區(qū)事故發(fā)生率依然很高，其主要原因是沒有較為低廉輕便的通信設(shè)備進行日常的安全管理。本文設(shè)計的人員安全管理軟件能夠通過藍牙應用層協(xié)議實現(xiàn)與穿戴型北斗終端的人機交互，為野外工作人員提供基于北斗和GPS的定位手段，提供基于電子、衛(wèi)星地圖的導航手段，并支持基于北斗短報文的險情上報和應急指揮。軟件已應用于國內(nèi)邊疆地區(qū)的野外地質(zhì)調(diào)查、地質(zhì)災害應急救援、軍事地質(zhì)調(diào)查測量工作。

1 軟件結(jié)構(gòu)

軟件由數(shù)據(jù)層、支撐層、應用層組成，如圖1所示。

圖1 4串鋰電池充放電均衡電壓曲線

數(shù)據(jù)層實現(xiàn)業(yè)務數(shù)據(jù)和地圖數(shù)據(jù)的存儲和管理。業(yè)務數(shù)據(jù)包括配置信息、軌跡、通信報文、通信錄等數(shù)據(jù)，存入安卓操作系統(tǒng)自帶的SQLite數(shù)據(jù)庫。地圖數(shù)據(jù)按索引組織，單獨存放于手機存儲卡指定文件夾內(nèi)。

支撐層包括數(shù)據(jù)接收與處理、地圖導航引擎等模塊。數(shù)據(jù)接收與處理模塊提供定位與通信數(shù)據(jù)的接收與發(fā)送功能，通過標準的安卓消息處理機制與應用層通信。地圖導航引擎模塊為實現(xiàn)界面、地圖顯示、路徑規(guī)劃、興趣點查詢等功能提供底層支持。

應用層提供人機交互界面，實現(xiàn)導航、定位、通信、設(shè)置等功能。

2 軟件實現(xiàn)

2.1 數(shù)據(jù)層

地圖數(shù)據(jù)量增長很快，同時需要將多種地圖要素進行處理和顯示，比如道路、興趣點、水系、建筑物模型等。采用以下技術(shù)減少軟件響應時間，提升用戶體驗。

(1)地圖快速顯示與存儲技術(shù)

將地圖的顯示要素按照重要性的不同分層，最基礎(chǔ)的要素為最底層，如地形、水系等；越高層的顯示要素越詳細，如興趣點，道路等。當需要顯示地圖時，系統(tǒng)首先獲取地圖的顯示比例尺和顯示范圍，再根據(jù)比例尺的大小判斷需要的顯示要素，根據(jù)顯示范圍從一層網(wǎng)格索引到二層網(wǎng)格，能快速地索引到所需數(shù)據(jù)，再將所需網(wǎng)格的數(shù)據(jù)解壓縮，讀取相應的顯示要素并顯示；把數(shù)據(jù)存儲到顯示緩存里。當再次需要顯示地圖時，直接從顯示緩存里調(diào)用。

(2)基于權(quán)重的內(nèi)存優(yōu)化技術(shù)

通過制定信息權(quán)重規(guī)則(網(wǎng)格層次、比例尺大小等)對導航信息篩選整理，并利用無損壓縮儲存技術(shù)對地圖信息處理儲存，讀取時可快速讀取和高效顯示所需的地圖信息內(nèi)容，實現(xiàn)低內(nèi)存占用和快速響應。

2.2 支撐層

支撐層包括數(shù)據(jù)接收和處理、地圖導航引擎2個模塊。

(1)數(shù)據(jù)接收和處理模塊

數(shù)據(jù)接收和處理模塊包含藍牙連接、數(shù)據(jù)收發(fā)、數(shù)據(jù)解析等3個子模塊，采用獨立于應用層模塊的線程，收發(fā)藍牙通信數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行協(xié)議解析，解析完畢后進行存儲和分發(fā)。

藍牙連接模塊利用手機的藍牙設(shè)備連接穿戴型北斗終端的藍牙設(shè)備。藍牙連接模塊先搜索附近藍牙設(shè)備，用手機藍牙設(shè)備與其配對。配對成功后，開始連接。連接成功后，初始化數(shù)據(jù)收發(fā)模塊。

數(shù)據(jù)收發(fā)模塊監(jiān)聽藍牙通信事件，將接收到的數(shù)據(jù)進行存儲，并調(diào)用數(shù)據(jù)解析模塊進行處理。在未檢測到退出事件時，循環(huán)檢測是否接收到新的數(shù)據(jù)。接收到新的數(shù)據(jù)后，判別是否收到有效數(shù)據(jù)，當接收到新的有效數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)存入解析緩沖區(qū)，并調(diào)用數(shù)據(jù)解析模塊解析數(shù)據(jù)。與此同時，循環(huán)檢測是否有需要發(fā)送的數(shù)據(jù)。當有新的數(shù)據(jù)需要發(fā)送時，取出數(shù)據(jù)進行發(fā)送。當檢測到退出事件時，關(guān)閉藍牙連接，退出線程。

數(shù)據(jù)解析模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)的解包和打包。接收到新數(shù)據(jù)時，數(shù)據(jù)解析模塊先尋找?guī)瑯酥竞蛶^，將數(shù)據(jù)放入處理緩沖區(qū)，繼續(xù)接收數(shù)據(jù)直至形成完整幀，之后逐字段解析；解析完成后再進入尋找新幀的流程。數(shù)據(jù)解析模塊處理流程如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)解析模塊流程圖

(2)地圖導航引擎模塊

地圖導航引擎包括地圖顯示、導航、路徑規(guī)劃、興趣點查詢、地圖標繪5個模塊。

地圖顯示模塊主要包括地圖的放大、縮小、漫游、旋轉(zhuǎn)、圖層控制等功能，顯示的數(shù)據(jù)種類主要包括衛(wèi)星地圖、導航電子地圖，支持地圖的放大、縮小、漫游、圖層控制等功能。

導航模塊根據(jù)指定的起始點、終止點、必經(jīng)點等參數(shù)，自動進行路徑規(guī)劃，并可以進行道路導航。

路徑規(guī)劃模塊根據(jù)用戶輸入起始點、終止點、必經(jīng)點和規(guī)避點自動進行路徑規(guī)劃，并進行導航，當行駛線路與規(guī)劃線路出現(xiàn)偏差時，自動進行重新規(guī)劃。通過設(shè)計快速路徑規(guī)劃算法，以道路合并、雙向升層等方法規(guī)劃導航路徑，結(jié)合實時路況信息以及系統(tǒng)緩存技術(shù)，能滿足實時路況的快速計算以及個性規(guī)劃最佳路徑的需求。

興趣點查詢模塊根據(jù)用戶輸入的查詢條件和關(guān)鍵字，搜索目標，并可以直接定位到指定位置。

地圖標繪模塊提供地圖上的繪點、線、面等繪制功能。

2.3 應用層

應用層包括通信、通信錄、地圖、設(shè)置4個模塊。

(1) 通信模塊

通信模塊實現(xiàn)短報文收發(fā)、報文查詢等功能。對已接收和保存的短報文信息，用戶可按保存順序、時間、發(fā)信地址等方式進行調(diào)閱。通信模塊通過藍牙通信從終端讀取用戶北斗通信等級和服務頻度，確定用戶報文的最大長度，利用先進先出隊列進行服務頻度管理。

通信模塊的主要流程如圖3所示。

圖3 通信模塊流程圖

(2) 通信錄模塊

通信錄模塊可對通信地址進行添加、編輯和刪除操作，可編輯接收方的地址信息。

(3) 地圖模塊

地圖模塊主要包括地圖瀏覽、衛(wèi)星地圖與電子地圖切換、地圖定位、興趣點搜索、歷史軌跡查詢、路線規(guī)劃、導航等功能。地圖瀏覽調(diào)用地圖導航引擎顯示、操作地圖；地圖導航引擎的底圖可以在衛(wèi)星與電子地圖間切換；地圖定位支持調(diào)整終端的工作模式，通過藍牙接收終端位置信息，并匹配到電子地圖，存儲到數(shù)據(jù)庫；興趣點搜索調(diào)用地圖導航引擎的接口完成搜索；歷史軌跡查詢查詢地圖定位中存儲的位置信息，查看歷史位置，并在地圖上形成軌跡；路線規(guī)劃將規(guī)劃參數(shù)傳入地圖導航引擎，給出從出發(fā)地點到目的地點的路徑；導航模塊將參數(shù)傳入地圖導航引擎，給出導航提示。

(4) 設(shè)置模塊

設(shè)置模塊主要包括狀態(tài)顯示、連接斷開、自動重連、指揮中心卡號設(shè)置、查詢北斗信號狀態(tài)、連接北斗終端、提示音設(shè)置、轉(zhuǎn)換工作模式等功能。

2.4 交互協(xié)議

人員安全管理軟件采用藍牙通信模塊與穿戴型北斗終端進行交互，其協(xié)議格式如表1所示。

表1 與終端的交互協(xié)議格式

部分預置的交互指令如表2所示。

表2 與終端的部分預置交互指令

2.5 用戶界面

短報文通信和地圖導航界面是人員安全管理軟件的兩類主要界面，其效果如圖4、圖5所示。

圖4 短報文通信頁面程圖

圖5 地圖導航界面圖

3 結(jié)論

本文設(shè)計的人員安全管理軟件可在帶藍牙功能的安卓手機上運行，通過與穿戴型北斗終端進行人機交互，實現(xiàn)北斗/GPS雙模定位、北斗短報文通信、電子/衛(wèi)星地圖導航功能。該軟件已在西藏、新疆、青海、內(nèi)蒙古、黑龍江、云南等二十多個省市的野外工作中得到了應用，執(zhí)行了地質(zhì)調(diào)查、地質(zhì)災害應急救援、軍事地質(zhì)調(diào)查測量等多項任務，功能和性能指標滿足野外使用要求。

下一步將繼續(xù)豐富地圖導航特性，擴展業(yè)務功能，滿足不同地區(qū)、不同行業(yè)的應用需求。

[1] 譚述森. 北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的發(fā)展與思考[J]. 宇航學報, 2008, 29(2):391-396.

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Design of personnel safety management software based on wearable Beidou terminal

Zhu Guidong, Xu Weiqiang, Liu Peng, Ma Weifeng, Guo Haoxiong

(Guangzhou Haige Xinghang Information Technology Company, Guangzhou 510663, China)

Aiming at the problem of positioning and communication of field surveys, a personnel safety management software is designed. It communicates with wearable Beidou terminal by application layer Bluetooth protocols. It implements the functions of terminal monitoring and parameter adjustment. It also supports positioning, electronic/satellite map navigation, trajectory playback, emergency command and danger report by the terminal’s Beidou/GPS positioning and Beidou short message module. The application in field surveys indicates that it can fulfill the mission in the dangerous area.

Beidou satellite system; Bluetooth; positioning; communication; map navigation; personnel safety management

TP302.1

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.14.029

朱貴冬，徐偉強，劉鵬，等.基于穿戴型北斗終端的人員安全管理軟件設(shè)計[J].微型機與應用，2017,36(14)：95-97.

2010-12-27)

朱貴冬(1975-)，男，博士，主要研究方向：北斗導航和通信、軟件技術(shù)。

徐偉強(1984-)，男，本科，主要研究方向：嵌入式系統(tǒng)。

劉鵬(1985-)，男，本科，主要研究方向：地理信息系統(tǒng)。