基于高分卫星接收技术的北斗3G/4G视频防雷终端的制作方法

本实用新型涉及卫星技术，特别是一种基于高分卫星接收技术的北斗3G/4G视频防雷终端。

背景技术：

随着网络技术、识别技术、微电子技术、编解码技术等技术成熟的发展，以及我国第二代北斗卫星导航产业的迅速崛起，社会各行业对北斗视频采集终端的需求日益增加，目前在全国各地已成功应用于智慧交通、两客一危及重型货车、智慧航运、智慧城市、数字森林防火、现代农业等领域。

目前我国普遍应用的北斗视频车载终端基本上都是采用三大运营商的3G或4G网络传输定位数据与视频图像，实现了对客车、校车、公交车、出租车等交通工具的实时视频监控，从一定程度上规范了司机的行为，并保障了司机的行车安全及乘客的财产安全，随着我国北斗卫星导航的进一步发展，以及人们对公共安全日益增加的需求，此类终端的应用将会越来越广泛，前景良好。

但是，现有的北斗视频终端的功能单一，已无法满足人们对于北斗视频终端使用要求的日益增加，不利于北斗卫星导航应用产业的发展。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种基于高分卫星接收技术的北斗3G/4G视频防雷终端。

本实用新型的目的是通过如下途径实现的：一种基于高分卫星接收技术的北斗3G/4G视频防雷终端，它是由ARM处理器分别连接电源管理模块、速度传感器模块、高分卫星接收模块、电话模块、扩展模块、防雷模块、3G/4G通讯模块、地磁场/北斗定位模块及图像处理模块构成；

所述的高分卫星接收模块是射频芯片分别连接指令接收单元、图像输出单元、信号接收单元、图像处理单元及信号转换单元，其中的信号接收单元无线连接有源天线，图像输出单元与ARM处理器中的显控单元连接。

作为本方案的进一步优化，所述的ARM处理器采用STM32F103VCT6芯片。

本实用新型基于高分卫星接收技术的北斗3G/4G视频防雷终端，采用地磁场定位技术与北斗定位技术融合开发的地磁场/北斗定位模块，在北斗定位信号较差的情况下（如：山区、隧道、室内、车库、地下停车场等），自动选择定位模块中地磁场传感器单元，大幅度提高定位精度；内置高分卫星接收模块，可接收附近1公里内的视频图像以及大气环境指数、灾害发生指数，大幅度地提高了执法车辆的效率，更大程度上保证了社会的稳定，为智慧城市的建设提供了技术支撑；在防雷方面，主要采用氧化锌电阻片、ESD保护二极管等材料开发的新型防雷模块，从更大程度上保护视频终端，可适用于智慧森林防火等对防雷要求较高的相关领域；在地磁导航技术基础上，采用虚拟重力场测高技术，解决室内定位楼层的精准估计问题，为室内定位提供了重要的技术支撑。

与现有技术比较，本实用新型具有如下优点：

1、目前我国现有技术的北斗3G/4G视频终端，一般采用的北斗卫星定位模块，在终端处于山区、隧道、室内、车库、地下停车场等很难实现定位，而本实用新型的基于高分卫星接收技术的北斗3G/4G视频防雷终端主要优点是采用地磁场定位技术与北斗定位技术融合开发的新型定位模块，在北斗定位信号较差的情况下（如：山区、隧道、室内、车库、地下停车场等），自动选择定位模块中地磁场传感器单元，大幅度提高定位精度与定位范围，实现定位无盲区的目标。

2、现有的北斗3G/4G视频终端，目前只能通过连接于终端的摄像机，进行实时视频监控，而本实用新型的视频终端在现有技术基础上，增加了内置的高分卫星接收模块，可由信号接收单元外接的GFNS有源天线接收高分5号卫星发射的工作频点MHZ，带宽MHZ的G5数字信号，经模块内部各单元及处理器的转换并处理，可在终端显示屏上观看附近1公里内的视频图像，大幅度地增加了视频监控的范围，并提高了执法车辆的效率，更大程度上保证了社会的稳定，为智慧城市的建设提供了重要的技术支撑。

3、本实用新型的视频终端在防雷方面，主要采用氧化锌电阻片、ESD保护二极管等材料开发的新型防雷模块，适用于控制信号、数据通讯、计算机网络等为一体的过电压精确防护，同时带有不同电压等级的信号电源防雷保护作用，具备通流容量大、传输速率高、无漏流、反应迅速、工作可靠等特点。从更大程度上保护视频终端电路，可适用于智慧森林防火等对防雷要求较高的相关领域。

4、现有的北斗3G/4G视频终端，在室内的北斗卫星定位信号较差，而本实用新型的视频终端，在地磁导航技术基础上，采用虚拟重力场测高技术，解决室内定位楼层的精准估计问题，为室内定位提供了重要的技术支撑。

附图说明

下面结合附图对本实用新型作进一步详细说明：

图1为本实用新型结构示意图；

图2为本实用新型中高分卫星接收模块结构方框图；

图3为本实用新型中高分卫星接收模块电路图。

具体实施方式

如图1所示，本实用新型一种基于高分卫星接收技术的北斗3G/4G视频防雷终端，其特征在于：它是由ARM处理器1分别连接电源管理模块2、速度传感器模块3、高分卫星接收模块4、电话模块5、扩展模块6、防雷模块7、3G/4G通讯模块8、地磁场/北斗定位模块9及图像处理模块10构成；

所述的高分卫星接收模块4是射频芯片18分别连接指令接收单元11、图像输出单元13、信号接收单元14、图像处理单元16及信号转换单元17，其中的信号接收单元14无线连接有源天线12，图像输出单元13与ARM处理器1中的显控单元15连接。

本方案中的ARM处理器STM32F103VCT6芯片作为核心信号处理器，由制造商STMicroelectronics生产，该芯片大容量片内存储器，它采用3.3V电压供电，功耗低，宽电压范围。CPU与地磁场/北斗定位模块、高分卫星接收模块、3G/4G通讯模块之间采用串行通信。基于Cortex-M3内核的STM32F103系列芯片是新型的32位嵌入式微处理器，它是不需操作系统的ARM，其性能远高于51系列单片机；提供很高的代码效率，该系列微处理器工作频率为72MHz，内置高达128K字节的Flash存储器和20K字节的SRAM，具有丰富的通用I/O端口。

STM32F103系列微处理器主要资源和特点如下：

（1）多达51个快速I/O端口，所有I/O口均可以映像到16个外部中断，几乎所有端口都允许5V信号输入。每个端口都可以由软件配置成输出（推挽或开漏）、输入（带或不带上拉或下拉）或其它的外设功能口。

（2）2个12位模数转换器，多达16个外部输入通道，转换速率可达1MHz，转换范围为0~36V；具有双采样和保持功能；内部嵌入有温度传感器，可方便的测量处理器温度值。

（3）灵活的7路通用DMA可以管理存储器到存储器、设备到存储器和存储器到设备的数据传输，无须CPU任何干预。通过DMA可以使数据快速地移动，DMA控制器支持环形缓冲区的管理，避免了控制器传输到达缓冲区结尾时所产生的中断。它支持的外设包括：定时器、USART、SPI、ADC和I2C等。

（4）调试模式：支持标准的20脚JTAG仿真调试以及针对Cortex-M3内核的串行单线调试（SWD）功能。通常默认的调试接口是JTAG接口。

（5）含有丰富的通信接口：三个USART异步串行通信接口、两个12C接口、两个SPI接口、一个CAN接口和一个USB接口。

方案中的3G/4G通讯模块，采用华为技术有限公司生产的EM310无线通讯模块，负责终端和监控中心的双向通信，终端的状态信息即通过无线通讯模块发送到监控中心，因此，信息传输是否及时、可靠是北斗卫星视频终端监控系统性能的一个重要环节。3G/4G的移动通信网络，具有系统容量大、频谱利用率高、频率规划简单、不易掉线、抗干扰能力强的特点。终端摄像机采集到的视频图像，通过图像处理模块进行H.265编码等技术处理后，经当地3G/4G网络传输，上传至监控中心。同时，本系统采用GPRS短信息通讯方式，终端定位数据经过格式转换利用GPRS通信模块的短信息信道传到监控中心，监控中心亦通过GPRS短信息信道向终端发送指挥调度信令。GPRS短信息通讯方式，具备GPRS语音调制方式，覆盖范围广、容量大的优点，同时短信息业务具备传输速度快、不影响语音通话、价格便宜等优点，因此本系统即应用其SMS（短消息服务）作为通讯系统的首选方式。EM310无线通讯模块，它具有标准RS232串行接口，支持语音、数据以及短消息（SMS），并能适应较宽的电压范围，在系统的设计中主要使用其短消息发送接收功能。软件控制方面，使用AT指令对EM310模块进行控制。

方案中的地磁场/北斗定位模块，该模块是由杭州中科微电子有限公司生产的型号为ATGM330B的双模接收机模块与地磁场导航技术结合研制，支持GPS和BD2的单系统定位和双系统联合定位，在北斗及GPS无信号情况下，模块中基于地磁场传感器的定位单元工作，采用地磁匹配算法，计算出当地的地磁强度值，以获取当前位置信息。

方案中的图像处理模块，该模块采用的是上海富瀚(FULLHAN)公司生产的型号为FH8510 ISP处理芯片，把H.265编解码单元置入，具有强大的图像处理引擎，CMOS图像传感器接口，D/A转换器，8路摄像机串口，具有功耗低、分辨率高、配置灵活、定制化程度高等特点。

方案中的扩展模块，该模块采用的是德国西门子股份公司生产的型号为S7-EM239扩展模块，可采集电压、电流、毫伏、各种类型热电阻温度、各种类型热电偶温度，通道类型随意组合，使终端可接入各类传感器，适用于各行业车辆的不同需求。

方案中的电话模块，该模块采用的是广州唯创科技有限公司生产的型号为WT588D叠式封装语音芯片，内置13Bit/DA转换器，以及12Bit/PWM音频处理，确保高品质语音输出，PWM输出可直接推动0.5W/8Ω扬声器，推挽电流充沛，抗干扰性强。终端通话功能与语音播放皆由此模块实现。

方案中的速度传感器模块，该模块采用的是Bosch生产的型号为BMX055速度传感器，内置IMU-惯性测量单元，为终端提供非常精准的行驶速度。

方案中的电源管理模块，该模块采用的是Ricoh生产的型号为RN5T618电源管理芯片，该款芯片采用CMOS制造工艺，内部集成多达3路高效率降压型DC-DC和多达7路LDO电源，单路DC-DC输出电流最高可达3A。该模块集成电源控制逻辑电路、锂电池充电模块、电压检测模块、过温保护模块，同时可以为CPU的复位提供输入，其内部自带的看门狗定时器，极大的提高了电源系统应用的灵活性和稳定性。

方案中的防雷模块，该模块采用的是深圳市杰赛电子有限公司生产的JSX-POE型防雷模块，适用于控制信号、数据通讯、计算机网络等为一体的过电压精确防护，同时带有不同电压等级的信号电源防雷保护作用，具备通流容量大、传输速率高、无漏流、反应迅速、工作可靠等特点。以下为模块电路图。

方案中的高分卫星接收模块，如图2、图3所示，此模块为自行研制的GF-05-1G06X射频芯片，通过信号接收单元外接的GFNS有源天线接收高分5号卫星发射的工作频点 MHZ，带宽 MHZ的G5数字信号，经模块中信号转换单元转换为图像信息，再通过图像处理单元采用亮色分离、梳状滤波法、图像清晰度增强等技术处理后，由图像输出单元将图像发送到ARM处理器显控单元，在显示屏上可观看到高清图像画面，其中的指令接收单元主要用于接收监控中心下发的各在指令，再由GF-05-1G06X处理器进行相关的反应。

同时，监控中心对终端下发视频查看指令，模块TXA串口输出的视频数据由图像处理模块H.265编码技术处理后，发送至监控中心。H.265是ITU-T VCEG 继H.264之后所制定的新的视频编码标准。H.265标准围绕着现有的视频编码标准H.264，保留原来的某些技术，同时对一些相关的技术加以改进。新技术使用先进的技术用以改善码流、编码质量、延时和算法复杂度之间的关系，达到最优化设置。具体的研究内容包括：提高压缩效率、提高鲁棒性和错误恢复能力、减少实时的时延、减少信道获取时间和随机接入时延、降低复杂度等。H264由于算法优化，可以低于1Mbps的速度实现标清数字图像传送；H265则可以实现利用1~2Mbps的传输速度传送720P（分辨率1280*720）普通高清音视频传送。H.265的关键技术主要有四叉树编码结构、环路滤波、熵编码、细粒度slice分块边界，四叉树编码结构中HEVC的变换结构突破了原有的变换尺寸限制，提高了大尺寸编码单元的编码效率；环路滤波在H.264的去块滤波技术基础上，HM模型取消了对4*4块的去块滤波，降低了复杂度，SAO在编解码环路内，位于Deblock之后，通过对重建图像的分类，对每一类图像像素值加减一个偏移，达到减少失真的目的，从而提高压缩率，减少码流；H.265采用了两种并行熵编码方案，提高并行处理能力，降低对解码端芯片的频率要求；H.265的熵编码slice边界划分不以LCU为单位，而是以更小的CU为单位，每个slice的大小都可以精确控制，同时解决了码率控制和负载均衡的问题。

目前，高分卫星接收模块只能接收终端附近大约1公里范围内的图像，其中，高分5号卫星采用了高空间分辨率、多光谱与宽覆盖相结合的光学遥感等关键技术，实现了高分辨率对地观测、气象、森林防火等重要功能。以下为模块电路图。

以下为GF-05-1G06X射频芯片引脚定义：

GFNS有源天线由11号脚接入芯片，用于接收高分卫星采集到的图像数字信号，通过芯片转换为图像信息并处理后，由20号脚TXA串口输出，此串口连接ARM处理器显控单元；RXA串口主要用于接收监控中心下发到终端ARM处理器的指令（芯片图像参数设置等）、防雷模块电压异常时ARM处理器发送的断电指令，保护芯片免于损坏；电路图中VANT，用于根据有源天线供电需求提供不同的电压。

本实用新型的工作原理如下：在车辆行驶过程中，基于高分卫星接收技术的北斗3G/4G视频防雷终端可以通过地磁场/北斗定位模块，接收北斗卫星信号运算获取经度、纬度、海拔高度、时间、速度、方向、卫星使用情况等信息，在北斗卫星无信号情况下，由地磁场单元采集定位信息，做到全方位精确定位，其中车辆的行驶速度除了由定位模块计算得出的速度之外，还由终端中速度传感器模块计算的记录仪速度；通过终端内的3G/4G通讯模块，利用三大运营商3G/4G网络将位置信息、以及图像处理模块、高分卫星接收模块采集到的高清视频图像传输至监控中心，方便调度；监控中心可通过电话模块，实现对车辆的语音调度功能；内置高分卫星接收模块，可接收附近1公里内的视频图像以及大气环境指数、灾害发生指数，大幅度地提高了执法车辆的效率，更大程度上保证了社会的稳定，为智慧城市的建设提供了技术支撑；在雷电天气情况下，该视频终端通过电源管理模块、及高性能的防雷模块，全方位保护产品，免于受到损坏；在地磁导航技术基础上，虚拟重力场测高技术，采用ARM处理器内置的重力场测算模块来计算，首先测算出此模块所在位置的重力，由已设定的程序计算出所处位置与地心的的距离（，其中G为引力常量，M为地球质量，m为重力场测算模块质量，为重力场测算模块所在位置的重力），由此计算方法测出楼层第一层地面多处位置的R，建立虚拟重力场高度大型数据库，从数据库中匹配，取接近的5个位置R值，计算终端所处楼层位置与楼层地面之间的R差值（至少计算出5个数值，取平均值），反映到三维地图上，解决室内定位楼层的精准估计问题，其精度优于10cm，为室内定位提供了重要的技术支撑；此外，根据行业车辆的不同需求，可在终端扩展模块处，接入各类传感器，实现相应的功能，比如：搅拌车的正反转监测、油量监测等。

以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本实用新型所揭露的技术范围内，可不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。