嚴(yán)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(shè)計(jì)

如今已經(jīng)邁入了工業(yè)4.0 和物聯(lián)網(wǎng)（Internet of things，IoT）時(shí)代，隨著指揮精細(xì)化的要求，各行各業(yè)對(duì)可視化移動(dòng)指揮應(yīng)用場(chǎng)景需求量激增，例如實(shí)時(shí)監(jiān)控、視頻對(duì)講，尤其是處置沖突、巡查、調(diào)度、數(shù)據(jù)查詢等場(chǎng)景，對(duì)實(shí)時(shí)視頻及移動(dòng)指揮的需求十分強(qiáng)烈。與此同時(shí)，移動(dòng)指揮將從以往的語(yǔ)音指揮逐步延伸為可視化視頻通信指揮。

本研究設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)一款便攜式移動(dòng)指揮箱，其具有4G 移動(dòng)通信和1.4G 專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò)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(nèi)置北斗/GPS 模塊，具有語(yǔ)音對(duì)講功能。

1.1 系統(tǒng)介紹及框圖

本研究研發(fā)的便攜式移動(dòng)指揮箱的典型應(yīng)用拓?fù)鋱D如圖1 所示。典型應(yīng)用為C/S 架構(gòu)，由用戶側(cè)和中心側(cè)組成應(yīng)用系統(tǒng)，用戶側(cè)通常為移動(dòng)指揮箱、聯(lián)網(wǎng)計(jì)算機(jī)、移動(dòng)終端等，中心側(cè)為網(wǎng)管、應(yīng)用服務(wù)器等。用戶在網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域使用指揮箱，可以與其他移動(dòng)指揮箱、聯(lián)網(wǎng)計(jì)算機(jī)、移動(dòng)終端等用戶，以及中心站點(diǎn)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通，組成聯(lián)網(wǎng)通信，進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控、視頻會(huì)議、指揮調(diào)度、數(shù)據(jù)查詢等云端業(yè)務(wù)。

圖1 指揮箱應(yīng)用拓?fù)鋱D

便攜式移動(dòng)指揮箱的通信功能，主要是依托現(xiàn)有運(yùn)營(yíng)商的3G/4G 無(wú)線寬帶網(wǎng)絡(luò)，以及1.4 GHz 無(wú)線寬帶專(zhuān)網(wǎng)，運(yùn)用雙網(wǎng)雙待、網(wǎng)絡(luò)優(yōu)選、雙路通信聚合等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)寬帶數(shù)據(jù)傳輸。

1.2 設(shè)備組成

便攜式移動(dòng)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(jī)接口、電源主板組成，如圖3 所示。

圖3 便攜式移動(dòng)指揮箱組成框圖

便攜式移動(dòng)指揮箱的整機(jī)性能指標(biāo)參數(shù)，如表1 所示。

表1 整機(jī)參數(shù)表

2 主要技術(shù)特點(diǎn)

本研究設(shè)計(jì)的便攜式移動(dòng)指揮箱主要技術(shù)特點(diǎn)包括：寬帶無(wú)線通信、電源管理電路設(shè)計(jì)和專(zhuān)業(yè)的網(wǎng)絡(luò)視頻指揮調(diào)度系統(tǒng)。

2.1 寬帶無(wú)線通信

（1）3G/4G 無(wú)線寬帶通信網(wǎng)絡(luò)。支持三大運(yùn)營(yíng)商的4G無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)，包括4G 的FDD-LTE、TDD-LTE 網(wǎng)絡(luò)等，理論下行數(shù)率峰值150Mbps，上行50 Mbps。并且支持4G 全頻段的通信模塊，實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)通通信。在4G 網(wǎng)絡(luò)信號(hào)覆蓋良好的區(qū)域，進(jìn)行了三大運(yùn)營(yíng)商速率專(zhuān)項(xiàng)測(cè)試，測(cè)試數(shù)據(jù)如表2 所示。

表2 三大運(yùn)營(yíng)商4G 網(wǎng)絡(luò)平均網(wǎng)速測(cè)試表

（2）1.4 GHz 無(wú)線寬帶專(zhuān)網(wǎng)。指揮箱內(nèi)置1.4G 專(zhuān)網(wǎng)的無(wú)線通信模塊，支持1.4GHz 無(wú)線寬帶專(zhuān)網(wǎng)，其高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)上行峰值速率可達(dá)50 Mbps，下行峰值速率可達(dá)150 Mbps。1.4 GHz 無(wú)線寬帶專(zhuān)網(wǎng)是承載政府業(yè)務(wù)和應(yīng)用，為政府機(jī)關(guān)、公安、交管等政府部門(mén)提供無(wú)線寬帶數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)傳輸，是提升政務(wù)管理信息化、加快智慧城市建設(shè)的有力手段。

無(wú)線通信設(shè)計(jì)內(nèi)置2 個(gè)無(wú)線通信模塊，分別為3G/4G 無(wú)線通信模塊、1.4G 無(wú)線通信模塊，上述兩類(lèi)無(wú)線通信模塊都采用標(biāo)準(zhǔn)化mini-PCIE 板卡，各自通過(guò)USB 通信接口連接到通信路由平臺(tái)。

通信路由平臺(tái)采用高性能SoC 方案，本設(shè)計(jì)的SoC 采用了一個(gè)主頻528 M Cortex A7 處理器，包含了2 個(gè)USB 2.0 接口，外圍輔以256 MB Nor Flash，以及256 MB DDR3 SDRAM，這樣就構(gòu)成了一個(gè)通信硬件平臺(tái)。平臺(tái)軟件采用Linux 操作系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)4G/3G 模塊自動(dòng)識(shí)別、自動(dòng)撥號(hào)與斷線重?fù)?、自?dòng)無(wú)線建鏈與路由，實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)、免配置、即插即用的功能；具有自適應(yīng)、小型化、低功耗的特點(diǎn)，體現(xiàn)移動(dòng)便攜的終端應(yīng)用需要。

本研究設(shè)計(jì)的移動(dòng)指揮箱集成上述無(wú)線通信體制，其優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊密，但是內(nèi)部諸多無(wú)線通信子系統(tǒng)同時(shí)工作時(shí)，存在互相影響、互相干擾的問(wèn)題。因此采取多模天線CAD 預(yù)仿真及效率評(píng)估，優(yōu)化布局及優(yōu)化天線參數(shù)設(shè)計(jì)，并在硬件電路設(shè)計(jì)中采用模塊分割及模塊屏蔽措施，電路采用抗EMI（Electromagnetic Interference）設(shè)計(jì)，使其在多模兼容工作時(shí)達(dá)到互相影響最小，解決多模融合下的電磁兼容性問(wèn)題。

2.2 電源管理電路設(shè)計(jì)

電源設(shè)計(jì)需要考慮三點(diǎn)：（1）續(xù)航8 小時(shí)，電池匹配容量足夠大；（2）電源動(dòng)態(tài)范圍大，指揮箱工作功耗35W，充電功耗110W，電源動(dòng)態(tài)范圍動(dòng)態(tài)可達(dá)145W；（3）使用windows 操作系統(tǒng)主板，需要延時(shí)安全關(guān)機(jī)，且關(guān)機(jī)后進(jìn)入低功耗待機(jī)。

設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)多達(dá)4 節(jié)鋰電池單元充電放電管理；考慮續(xù)航8 小時(shí)，內(nèi)置20AH 大容量鋰電池；考慮大電流充電7A 電流，充電循環(huán)3 小時(shí)。（2）設(shè)計(jì)采用比較器檢測(cè)電池電壓，用以實(shí)現(xiàn)電池低壓告警。（3）設(shè)計(jì)電池低壓告警，觸發(fā)延時(shí)電路，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)保護(hù)關(guān)機(jī)設(shè)計(jì)。（4）關(guān)機(jī)“零”功耗設(shè)計(jì)。通過(guò)增加一個(gè)關(guān)機(jī)微功耗（毫瓦級(jí)功耗）待機(jī)電路，使設(shè)備關(guān)機(jī)后除微功耗待機(jī)電路外，其他電路工作電源為零電壓，實(shí)現(xiàn)關(guān)機(jī)“零”功耗（毫瓦級(jí)功耗）。

實(shí)現(xiàn)“零”功耗待機(jī)的工控機(jī)控制電路，是通過(guò)增加“電源檢測(cè)控制”電路，來(lái)實(shí)現(xiàn)“零”功耗待機(jī)的，其電路框圖如圖4 所示。圖中虛框部分為電源檢測(cè)控制及狀態(tài)信號(hào)、使能信號(hào)、on/off 信號(hào)，為實(shí)現(xiàn)“零”功耗控制功能關(guān)鍵電路。

圖4 實(shí)現(xiàn)“零”功耗待機(jī)的電路框圖

2.3 視頻指揮調(diào)度系統(tǒng)

便攜式移動(dòng)指揮箱接入視頻指揮調(diào)度系統(tǒng)，該系統(tǒng)包含應(yīng)急指揮調(diào)度平臺(tái)和視頻會(huì)商平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)從傳統(tǒng)的商務(wù)通訊模式，到集視頻、音頻、數(shù)據(jù)、流媒體為一體的網(wǎng)絡(luò)視頻會(huì)議新商務(wù)模式，依托該軟件系統(tǒng)可以大規(guī)模為客戶提供網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程集中監(jiān)視、控制、存儲(chǔ)、報(bào)警聯(lián)動(dòng)、視頻會(huì)議等功能。

（1）應(yīng)急指揮調(diào)度平臺(tái)

如圖5 所示，該應(yīng)急指揮調(diào)度平臺(tái)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(fā)布功能、視頻上墻功能、系統(tǒng)日志功能、報(bào)警功能、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)對(duì)講功能、副屏播放功能等。

圖5 應(yīng)急指揮調(diào)度平臺(tái)

在郊外、山區(qū)等特殊復(fù)雜環(huán)境下執(zhí)行任務(wù)時(shí)，終端用戶使用便攜移動(dòng)指揮箱通過(guò)應(yīng)急指揮調(diào)度平臺(tái)進(jìn)行視頻采集現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)情況，并通過(guò)4G/1.4G 網(wǎng)絡(luò)傳輸給調(diào)度中心，調(diào)度中心可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行指揮調(diào)度。

（2）視頻會(huì)商平臺(tái)

如圖6 所示，紅色方框區(qū)域1 為會(huì)議控制區(qū)域，區(qū)域2 為程序管理區(qū)域，區(qū)域3 為視頻播放區(qū)域，區(qū)域4 為音視頻信息區(qū)域。會(huì)議開(kāi)始后，組會(huì)用戶可以點(diǎn)擊加入發(fā)言按鈕進(jìn)行發(fā)言，參會(huì)用戶將會(huì)聽(tīng)到組會(huì)人的發(fā)言。發(fā)言狀態(tài)下，點(diǎn)擊退出發(fā)言按鈕即可退出發(fā)言。

圖6 視頻會(huì)商平臺(tái)

3 結(jié)束語(yǔ)

本研究設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)一款便攜式移動(dòng)指揮箱，使用模塊型Intel 核心處理器，設(shè)計(jì)和集成接口處理器、顯示屏、4G/1.4G無(wú)線通信、GPS/北斗雙模定位、視頻信號(hào)傳輸?shù)?，并依?jù)便攜性特點(diǎn)，進(jìn)行一體化工業(yè)設(shè)計(jì)，并結(jié)合目前Windows 系統(tǒng)、GIS 地理信息系統(tǒng)、應(yīng)急指揮調(diào)度應(yīng)用系統(tǒng)等，能在便攜式移動(dòng)指揮箱上進(jìn)行實(shí)時(shí)多媒體信息處理，是集移動(dòng)通信、導(dǎo)航、視頻監(jiān)控和調(diào)度指揮于一體的移動(dòng)多媒體終端。通過(guò)4G/1.4G寬帶網(wǎng)絡(luò)通信可與各個(gè)終端互聯(lián)互通，與中心互聯(lián)互通，實(shí)現(xiàn)全域的信息化、自動(dòng)化、可視化指揮調(diào)度。此外，利用雙模塊，運(yùn)用雙路通信聚合技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)寬帶倍增的無(wú)線數(shù)據(jù)通信能力；稍加改進(jìn)，即可平滑升級(jí)支持5G 網(wǎng)絡(luò)。本設(shè)計(jì)綜合考慮未來(lái)技術(shù)與發(fā)展方向，具有一定的升級(jí)能力和后向兼容性。