北斗定位与通信一体化通用系统及其配置方法
【专利摘要】本发明公开一种北斗定位与通信一体化通用系统及其配置方法，其主要由车载一体化终端由主机和外设组成，主机为一体化终端的核心，主要完成通信、定位、控制、管理和资源调度的功能，外设用于嵌入目标应用系统，实现目标系统的采集和控制功能，并与主机可以实现自动适配；上述数据中心主要由前端数据通信设备、前端通信与控制处理机、后台数据库服务器和远程客户端。本发明采用定位与通信一体化的设计思想和通用统一的平台结构，可以方便快捷地从通用平台出发，按照应用系统的技术和应用要求，开发和建设目标应用系统，减少了二次开发带来的问题，有效缩短了开发周期，降低了建设和维护成本。
【专利说明】
北斗定位与通信一体化通用系统及其配置方法
技术领域
[0001]本发明涉及卫星定位和通信技术领域，具体涉及一种北斗定位与通信一体化通用系统及其配置方法。
【背景技术】
[0002]目前北斗二代已正式面向中国和周边地区提供位置服务，北斗二代系统的正式商用对我国经济、科技和社会发展必将产生巨大深远的影响。但是北斗二代系统要产生经济效益，还需要应用在国民经济的更多领域。位置信息和服务是构建物联网系统，特别是车联网、船联网、人联网等最基本和最重要的元素。北斗定位系统与物联网应用结合会产生大量的新的应用场景，必然出现各种不同的应用系统，各种不同的设备类型，给设计、开发和应用带来困惑，延长了应用开发和建设的周期。
[0003]目前，绝大部分基于北斗(BD)或GPS定位的应用系统，功能单一，一般把定位模块与目标设备结合，采用GPRS方式简单地回传目标设备的位置信息，没有充分利用回传通道来回传目标设备的状态信息，缺乏物联网的应用接口和扩展性，属于应用的低级阶段。虽然，市场上也出现了一些集成了定位、回传和某些信息接口的车载终端产品，但是这些产品往往只是把定位与应用，或者只是把定位、通信与应用功能简单地集成，缺乏明确的功能层次和功能定位，用户必须按照应用需求再做大量的二次开发工作。由于应用系统按照用户要求各不相同，造成系统硬件和软件系统开发需要做较大的改动，缺乏通用性和灵活性，浪费开发资源，延长了开发周期。
[0004]由于通信和定位功能相对较为固定和独立，因此，设计一种通用的基于北斗的通信与定位一体化通用平台，以有线或短距无线方式，提供各种可能的物联网应用接口，采用通用统一的通信协议，应用模块化可编程方式，可以灵活地与各种应用系统结合，快速地实现基于北斗的应用系统的开发，具有重要的工程应用价值。
【发明内容】
[0005]本发明所要解决的技术问题是针对现有的北斗位置服务应用系统存在的通用性、兼容性和灵活性差，浪费开发资源和延长开发周期的问题，提出一种北斗定位与通信一体化通用系统及其配置方法。
[0006]为解决上述问题，本发明是通过以下技术方案实现的:
[0007]—种北斗定位与通信一体化通用系统，由车载一体化终端和数据中心构成。
[0008]车载一体化终端由主机和外设组成，主机为一体化终端的核心，主要完成通信、定位、控制、管理和资源调度的功能，外设用于嵌入目标应用系统，实现目标系统的采集和控制功能，并与主机可以实现自动适配；
[0009]主机主要由核心控制处理模块、外设接口模块、北斗与GPS卫星接收模块和移动通信收发模块组成；
[0010]核心控制处理模块用于完成终端设备的智能控制、实时调度、外设管理、信息采集控制和通信协调功能；
[0011]外设接口模块采用有线和/或无线接口方式，用于提供数据、语音以及数字图像的通信接口，满足物联网各种环境的接口和数据采集需求；
[0012]北斗与GPS卫星接收模块用于接收北斗或GPS卫星信号和计算位置信息，必要时通过扩展广域差分技术提高定位精度；
[0013]移动通信收发模块用于物联网的终端设备与中心站之间定位、跟踪、控制信息以及物联网信息的传递与交互操作；
[0014]上述数据中心主要由前端数据通信设备、前端通信与控制处理机、后台数据库服务器和远程客户端；
[0015]前端数据通信设备用于与一体化终端主机的移动通信收发模块实现通信；
[0016]前端通信与控制处理机用于完成整个平台的通信、控制与一体化终端主机管理；
[0017]后台数据库服务器用于完成数据库及数据分析与处理，并根据系统的具体应用要求，任意裁剪或组合搭建应用平台；
[0018]远程客户端用于实现数据的查询和浏览。
[0019]上述方案中，外设接口模块采用的有线方式为UART、USB、SP1、I2C和/^Camera；采用的无线接口方式为WiF1、ZigBee和/或蓝牙。
[0020]上述方案中，北斗与GPS卫星接收模块为型号为UM220的北斗与GPS双系统模块。[0021 ]上述方案中，一体化终端主机还进一步包括信道扩展模块，该信道扩展模块在移动通信收发模块无法工作的情况作为备用信道工作;根据应用环境的通信状况，灵活选用不同的数传模块;同时根据信道检测的实际状况，自适应选定当前传输通道。
[0022]上述方案中，信道扩展模块选用的数传模块为短波数传模块、卫星数传模块、VHF数传模块、UHF数传模块和/或HF数传模块。
[0023]上述方案中，数据中心的前端通信与控制处理机与后台数据库服务器采用同一台物理计算机实现。
[0024]基于上述北斗定位与通信一体化通用系统的配置方法，包括主机对外设的模块化配置过程和数据中心的模块化配置过程；
[0025]上述主机对外设的模块化配置过程具体为:主机采用标准接口，模块化编程配置，支持外设的即插即用方式，根据应用需要，灵活添加或删除一个外设，由主机自动认证和编号，并自动上报数据中心;其中主要包括以下操作:
[0026]I)外设添加操作:外设上电后，按照相应通信参数建立的接口通道，周期性向主机发出加入请求，该请求附带有外设类型、参数和认证码，直到主机回应;主机按认证规则对申请外设进行识别，确认是合法外设，根据外设类型和参数自动分配外设编号，上传数据中心登记，激活相应外设功能，并回应外设，确定添加成功，成为该主机的外设；
[0027]2)外设删除操作:主机周期性查询外设的工作状况，当主机多次查询外设无响应，即认为外设已经移走或掉电，此时主机启动删除操作，首先删除外设编号，关闭外设通信接口通道，同时上报数据中心，将该外设列入灰名单，删除外设登记信息，关闭该外设；
[0028]上述数据中心的模块化配置过程具体为:数据中心采用工业控制机为核心，支持各种通信接口和网络接口及其网络协议，并根据应用要求开发相应的功能软件，完成物联网中定位跟踪管理任务;功能软件采用通用的标准化通信与网络协议，同时考虑系统实时性的要求，确保与其它物联网的互联操作;其中主要包括以下操作:
[0029]I)前端通信与控制操作:主要完成通信、控制与无线主机管理功能，采用清单管理方式动态管理主机及其外设，对于已注册的主机以及相应激活的外设标记为一类，对于已注销的主机或在线终端非激活的外设标记为另一类，对于非法的主机以及相应外设标记为又一类;通过对主机及外设的清单管理，配合主机与外设的模块化灵活配置，完成即插即用功能，同时实现前端操作的通用化；
[0030]2)后台操作:与应用密切相关，主要完成数据库及数据分析与处理，系统的应用目标功能，这些功能采用面向对象的设计方法，模块化结构，根据系统的具体应用要求，按需裁剪，组合搭建软件应用系统。
[0031]与现有技术相比，本发明采用通信与定位一体化的设计思想、统一通用的平台结构、灵活可编程的通信协议、即插即用的外设配置方式、模块化的后台软件架构和多通道信息回传的方法，实现一种定位与通信一体化的通用平台。这种平台一般包括车载一体化终端和通信、控制与数据中心(以下简称数据中心)两个部分，用户开发从这个平台出发结合应用需求完成目标应用系统的开发，以适应各种物联网应用对定位、跟踪、通信一体化应用的要求。本发明引入北斗卫星定位系统，采用北斗定位为主、GPS为辅的双模定位模式，并采用多种通信模式，实现多通道自适应信息回传机制，克服了传统定位通信系统存在通信盲区的不足，用以提高了系统的可靠性和有效性。车载一体化终端设计采用主机与智能外设组合方式，具有灵活可扩展的模块化结构，按应用场景要求，即插即用，有利于适应各种应用环境要求。系统采用统一通用的平台结构，一体化和可扩展性有机结合，功能软件模块化结构，良好的应用适应性，实现了应用功能的可裁剪，减少了二次开发的带来的时间和成本的浪费。
【附图说明】
[0032]图1为定位与通信一体化平台功能层次与物联网应用目标系统的关系。
[0033]图2为定位与通信平台的组成及应用场景。
[0034]图3为一体化终端主机的功能结构框图。
[0035]图4为车载视频监控外设的功能结构框图。
[0036]图5为外设的添加与删除操作示意图。
[0037]图6为主机与外设通信的建立流程图。
[0038]图7为主机自适应配置外设的流程图。
[0039]图8为主机对视频外设的控制流程图。
[0040]图9为数据中心应用软件逻辑功能结构图。
[0041 ]图10为可编程定义的通用数据帧格式。
【具体实施方式】
[0042]—种北斗定位与通信一体化通用系统，由车载一体化终端和数据中心构成。定位与通信一体化、平台结构通用化、外设即插即用化、应用按需裁剪化。
[0043]车载一体化终端由主机和外设组成，主机为一体化终端的核心，主要完成通信、定位、控制、管理和资源调度的功能，外设用于嵌入目标应用系统，实现目标系统的采集和控制功能，并与主机可以实现自动适配。主机主要由核心控制处理模块、外设接口模块、北斗与GPS卫星接收模块、移动通信收发模块和信道扩展模块组成。核心控制处理模块用于完成终端设备的智能控制、实时调度、外设管理、信息采集控制和通信协调功能。外设接口模块采用有线和/或无线接口方式，用于提供数据、语音以及数字图像的通信接口，满足物联网各种环境的接口和数据采集需求。本发明采用了多种外设接口通信方式:外设接口模块采用的有线方式为1^1^、1^8、3?1、12(:和/或0&1116作;采用的无线接口方式为們？丨、2丨8866和/或蓝牙。北斗与GPS卫星接收模块用于接收北斗或GPS卫星信号和计算位置信息，必要时通过扩展广域差分技术提高定位精度。本发明采用了北斗与GPS双模定位方式。北斗与GPS卫星接收模块为型号为UM220的北斗与GPS双系统模块。移动通信收发模块用于物联网的终端设备与中心站之间定位、跟踪、控制信息以及物联网信息的传递与交互操作。信道扩展模块在移动通信收发模块无法工作的情况作为备用信道工作;根据应用环境的通信状况，灵活选用不同的数传模块；同时根据信道检测的实际状况，自适应选定当前传输通道。所述信道扩展模块选用的数传模块为短波数传模块、卫星数传模块、VHF数传模块、UHF数传模块和/或HF数传模块，以多通道自适应回传。
[0044]上述数据中心主要由前端数据通信设备、前端通信与控制处理机、后台数据库服务器和远程客户端。前端数据通信设备用于与一体化终端主机的移动通信收发模块实现通信。前端通信与控制处理机用于完成整个平台的通信、控制与一体化终端主机管理。后台数据库服务器用于完成数据库及数据分析与处理，并根据系统的具体应用要求，任意裁剪或组合搭建应用平台。远程客户端用于实现数据的查询和浏览。本发明的数据中心的前端通信与控制处理机和后台数据库服务器采用同一台物理计算机实现。
[0045]本发明不仅实现了定位与通信一体化。系统包含了完整的通信和定位功能，不仅仅满足于位置信息的回传，也能满足各种物联网数据的通信需要，实现定位与通信一体化应用功能。本发明而且实现了平台结构的通用化。定位与通信一体化平台采用通用平台结构和通信协议，通过模块化外设配置和应用功能的灵活裁剪方式，可以从该一体化通用平台出发，按照目标系统的技术和应用要求，有针对性地对通用车载终端的模块和功能进行编程，通过外设的按需配置，按需求选择相应的软硬件接口和功能，并指配通信协议及其字段的定义，再按需求修改前台通信标识和后台数据库设置以及后台功能软件模块，即可完成运输车辆的调度和管理系统的设计和开发，大大缩短了开发周期，节省了开发成本。
[0046]基于北斗定位与通信一体化通用系统的配置方法，具体包括如下步骤:
[0047]外设的配置包括模块化功能结构的外设和即插即用的自适应外设配置方式;其中主机对外设的模块化配置过程具体为:一体化终端主机采用标准接口，模块化编程配置，支持外设的即插即用方式，根据应用需要，灵活添加或删除一个外设，由一体化终端主机自动认证和编号，并自动上报数据中心；
[0048]I)外设添加操作:外设上电后，按照相应通信参数建立的接口通道，周期性向一体化终端主机发出加入请求，该请求附带有外设类型、参数和认证码，直到一体化终端主机回应;一体化终端主机按认证规则对申请外设进行识别，确认是合法外设，根据外设类型和参数自动分配外设编号，上传数据中心登记，激活相应外设功能，并回应外设，确定添加成功，成为该一体化终端主机的外设；
[0049]2)外设删除操作:一体化终端主机周期性查询外设的工作状况，当一体化终端主机多次查询外设无响应，即认为外设已经移走或掉电，此时一体化终端主机启动删除操作，首先删除外设编号，关闭外设通信接口通道，同时上报数据中心，将该外设列入灰名单，删除外设登记信息，关闭该外设。
[0050]数据中心的软硬件通用化配置和功能应用软件模块化结构以及应用功能的按需裁剪。数据中心的模块化配置过程具体为:数据中心采用工业控制机为核心，支持各种通信接口和网络接口及其网络协议，并根据应用要求开发相应的功能软件，完成物联网中定位跟踪管理任务;功能软件采用通用的标准化通信与网络协议，同时考虑系统实时性的要求，确保与其它物联网的互联操作；
[0051 ] I)前端通信与控制操作:主要完成通信、控制与无线一体化终端主机管理功能，采用清单管理方式动态管理一体化终端主机及其外设，对于已注册的一体化终端主机以及相应激活的外设标记为一类，对于已注销的一体化终端主机或在线终端非激活的外设标记为另一类，对于非法的一体化终端主机以及相应外设标记为又一类;通过对一体化终端主机及外设的清单管理，配合一体化终端主机与外设的模块化灵活配置，完成即插即用功能，同时实现前端操作的通用化；
[0052]2)后台操作:与应用密切相关，主要完成数据库及数据分析与处理，系统的应用目标功能，这些功能采用面向对象的设计方法，模块化结构，根据系统的具体应用要求，按需裁剪，组合搭建软件应用平台。
[0053]下面对本发明进行进一步详细说明:
[0054]一、主要设计思想及平台架构
[0055]解决现有的北斗位置服务与通信应用系统通用性和兼容性差问题的关键是设计一种采用模块化结构、可定义的通信协议和灵活的模块配置方法的定位与通信一体化通用平台。该平台采用北斗(BD)定位系统为主、GPS定位系统为辅的双模定位方式，2G/3G/4G移动通信等分组数据通信方式为主，UHF、VHF和HF以及卫星等多种形式数传通信为辅的信息回传方式。并设计了多通道自适应回传工作机制，克服了传统回传方式单一，且存在通信盲区的缺点，可以满足多地域条件下的定位跟踪通信需要，有效实现定位信息和物联网相关信息的采集和实时回传。该平台实现定位和通信技术与应用一体化有机融合，提高了平台的协同效力和处理能力。该平台构建基于统一通用的模式，不针对某一具体应用，但通过灵活的外设配置，平台的应用可编程、可裁剪，可以针对某一具体应用灵活部署和实施。该平台采用定位与通信一体化的设计思想和通用统一的平台结构，可以方便快捷地从通用平台出发，按照应用系统的技术和应用要求，开发和建设目标应用系统，减少了二次开发带来的问题，有效缩短了开发周期，降低了建设和维护成本。
[0056]在物联网应用环境下，北斗卫星定位与通信一体化通用平台分为三个功能层次，即定位功能层、通信功能层和应用接入功能层，实现定位、通信和应用的一体化体系，各部分相互关系如图1所示。车载一体化终端以主机为核心，通过各种智能外设方便地与应用平台结合，采用即插即用的外设方式，嵌入目标应用系统，建立了定位、通信与物联网应用有机结合的途径。平台采用通用的可编程模块化结构，来快速构建满足用户要求的目标应用系统，满足物联网信息采集与传输的需要。
[0057]定位与通信一体化通用平台的系统结构，如图2所示，包括定位与通信域、应用域和中心域，其中应用域和中心域通过定位通信域实现连接。上述应用域包括一体化终端主机和外设以及目标应用系统。一体化终端主机采用嵌入式模块化结构设计，以功能强大的Cortex-A9四核处理器为控制核心，支持GPS和北斗双模定位以及跟踪和通信功能，采用各种有线或无线的标准接口，灵活配置各种类型的外设，支持即插即用，满足各种物联网信息的采集与控制等需求。上述中心域包括通信、控制与数据中心，该数据中心由前置数据通信设备、高性能计算机系统及数据库以及功能强大的系统支持软件和应用软件系统组成，采用面向对象的模块化设计思想，可根据应用要求灵活配置与开放相应的软件功能。
[0058]定位与通信一体化通用平台结构是一种可以应用于有位置需求的物联网应用系统的通用平台结构。该平台采用北斗与GPS双模定位方式和2G/3G/4G以及其它通信方式，构建定位与通信一体化的结构，适合应用范围广、核心功能相对稳定的定位与通信需要。该平台采用标准化的软硬件配置和统一通用的通信协议，模块化外设结构和模块化功能软件结构。一体化终端主机与外设间可以即插即用，按需灵活配置，后台软件模块按应用需求组合配置，实现了设备的灵活组合和软件的灵活裁剪，加快了应用系统建设开发的进度，降低了开发的成本。该平台具有定位与通信一体化、平台结构通用化、外设即插即用化、应用按需裁剪化的特征。采用该通用平台结构的应用系统可根据需要灵活地添加各种传感器的外设，为用户提供内容丰富的物联网信息采集和数据回传业务。
[0059]即插即用的外设配置是定位与通信一体化通用平台结构实现的关键要素。由于采用自适应外设配置协议，作为定位与通信一体化终端核心的终端主机，可以通过外设灵活地嵌入目标应用系统中与应用系统有机结合，完成应用信息的采集和处理，实现通用平台的具体应用目标。即插即用的方式也为通用平台的快速应用提供了可能性，可以按照接口协议为各种应用场景开发各种类型的外设，即使没有合适的现成外设，也可以按照接口协议仅仅开发相关外设，而不需要对主机再次开发，从而简化了开发工作。即插即用的外设配置方法关键在于外设主动请求，主机自动识别，外设自主去留，主机周期检测。即插即用的外设配置极大方便了应用系统的建设，也方便了用户的管理与维护，降低了建设开发与维护的成本。
[0060]定位与通信一体化通用平台采用多通道自适应信息回传方式，内置多种通信手段，以2G/3G/4G通信模式为主，HF/VHF/UHF数传、卫星数传模式为辅，可以有效保证信息回传的可靠性。定位与通信一体化系统通过实时检测当前回传通道的状况，结合预设的回传通道的优先级来选择和切换通信方式。当系统当前的回传通道中断，可自适应切换到优先级最高的可用回传通道。在定位跟踪通信应用领域采用多通道自适应回传机制，可以克服回传方式单一导致应用领域受限或通信盲区的问题，避免人为切换通道的操作的不及时的缺点，具有很好的应用价值。采用多通道自适应的通信方式，可以有效保证一体化终端主机在各种的应用场景下与数据中心完成通信。
[0061 ] 二、车载一体化终端的组网结构及配置方法
[0062]车载一体化终端有主机和若干外设构成，以主机为核心，与外设之间通过有线或短距无线通信方式组成车载信息网络，而所有与数据中心的通信依靠主机完成，如图2中的应用域所示。主机为一体化终端的核心，主要完成通信、定位、控制、管理和资源调度的功能，而外设为一种智能装置可以嵌入目标应用系统，实现对诸如:载货状态信息(温度、湿度、烟雾、监控音视频等)、车船状态信息(速度、油门等)、司乘人员信息的采集和GIS信息、路径规划信息和各种指令和通知信息的接收与处理，并与主机可以实现自动适配。
[0063](I) 一体化终端主机的结构与实现方法
[0064]一体化终端主机以CorteX-A9四核处理器为核心，采用嵌入式模块化结构设计，参见图3。定位模块采用GPS和北斗双模定位方式，可以根据应用需要灵活扩展广域差分模块，采用广域差分技术可以提高定位精度和跟踪控制能力。通信模块以SMS/GPRS/WCDMA/CDMA2000/LTE为主，根据应用环境的要求，灵活扩展短波通信、卫星通信和VHF/UHF等其它数传通信模块，支持自适应多通道回传方式。物联网外设接口模块采用各种有线和无线的标准接口方式，可根据应用需要灵活配置各种外设，支持即插即用，实现目标系统的信息采集和控制功能。
[0065]Cortex-AQ核心控制处理模块用于完成终端设备的智能控制、实时调度、外设管理、信息采集控制和通信协调等功能。核心处理器采用三星公司Cortex-A9四核处理器Exynos 4412，内嵌多媒体协处理硬核，在Linux-OS操作系统的支持下，完成相应的采集、控制、管理、通信和调度等功能。内嵌的高性能处理器和协处理器可以根据应用要求，通过各种外设完成采集信息的加工和处理等功能，以灵活适应各种物联网应用的需要。
[0066]外设接口模块采用Exynos 4412自带的UART/USB/SPI/I2C/Camera等标准有线接口方式，同时扩展采用WiFi或ZigBee、蓝牙等无线方式，提供数据、语音以及数字图像等各种通信接口，满足物联网各种环境的接口和数据采集需求。WiFi功能可以采用WiF1-USB芯片RTL8188CUS，ZigBee功能可以采用CC2530芯片扩展实现。
[0067]北斗卫星接收模块用于接收北斗卫星信号和计算位置信息，必要时扩展广域差分技术提高定位精度。可以采用和芯星通公司的UM220北斗/GPS双系统模块，定位精度为10m，采用广域差分方案可达0.5-lm，可满足各种定位需求。
[0068]SMS/GPRS/WCDMA/CDMA2000/LTE收发模块主要用于终端设备与中心站之间定位、跟踪、控制等信息以及物联网信息的传递与交互操作，可以充分利用既有移动通信基础设施，现阶段可以采用SIMCOM公司的SIM900和SIM5320系列GSM/GPRS/WCDMA收发模块。S頂900A是S頂COM推出的一款GSM/GPRS通信模块，功耗低、尺寸小、价格低廉，适合紧凑型产品的设计和开发。SM5320A是SMCOM公司推出了一款基于HSDPA/WCDMA/EDGE/GPRS/GSM网络的3G通信模块，下行速率最高可达到3.6Mbps，上行速率最高可达到384kbps。
[0069]信道扩展模块为可选配模块，主要针对物联网应用中现有移动通信方式存在通信盲区的问题。根据应用环境的通信状况，可以灵活采用短波数传模块、卫星数传模块和VHF/UHF数传模块等通信模块。作为备用信道，在2G/3G/4G收发模块无法工作的情况投入工作。也可以多模式和多通道方式工作，根据信道检测的实际状况，采用优先算法自适应选定当前传输通道，确保信息传输平台的可靠性和灵活性。这种灵活可扩展的模块化结构，按应用场景要求，即插即用，可以适应各种物联网应用的环境要求。
[0070](2)外设的特征和结构及配置方法[0071 ] I)外设的特征与典型结构
[0072]外设是定位与通信实现与目标应用系统关联的桥梁，也是定位与通信一体化平台面向应用的关键。不同于定位与通信一体化终端主机功能和结构的相对稳定，外设具有多样化和面向应用的特点。因此平台的通用化结构必须以外设的多样化和灵活性为基础，即插即用的配置方式也为通用化的系统结构提供了实现的可能。
[0073]在实际各种车载物联网环境中，需要采集大量的各种有用信息，这就要求根据所需信息的特性，灵活扩展各种功能外设，按功能设计对应的具体实用方案，完成对应数据的采集。无线车载终端由众多外设组成，其中多媒体信息(视频、音频、图片)应用最有代表性。作为一个典型的外设应用，视频监控外设的结构如图4所示。该外设采用专门针对HD IP摄像机应用的海思Hi3516A处理器，拥有强大的Cortex-A7处理器，集成了 H.265编解码器和自适应差分语音编码(ADPCM)硬核。麦克风和摄像头采集到的音视频信息，经过Hi3516A处理，就可以得到ADPCM和H.265编码的音/视频码流，再通过WiFi模块发送给终端主机上传。
[0074]2)外设的模块化配置方法
[0075]物联网应用中需要采集大量的各种类型信息，因此一体化终端主机只有灵活扩展各种外设，才能适应各种丰富的物联网应用场景。因此，采用自适应外设适配协议，以功能强大的一体化终端主机为核心，按需选取各种USB/I2C/SPI/UART/Camera等有线接口或WiFi/ZigBee等无线接口方式，与各种应用传感器外设(例如:条码扫描器、RFID、摄像头、温度传感器等)和手持式应用终端连接，实现主机与外设的自主识别和自动适配，完成各种应用信息的感知和采集。一体化终端主机采用标准接口，模块化编程配置，支持外设的即插即用方式，可根据应用需要，灵活添加或删除一个外设，由一体化终端主机自动认证和编号，并自动上报数据中心。
[0076]—体化终端主机与外围外设均运行相应的嵌入式自适应配置软件模块，以一体化终端主机为核心，按照自适应外设配置协议，完成外设的添加和删除操作，如图5所示。
[0077]①外设添加操作。首先外设上电后，按照相应通信参数建立的接口通道，周期性向主机发出加入请求，该请求附带有外设类型、参数和认证码，直到主机回应。然后，主机按认证规则对申请外设进行识别，确认是合法外设，根据外设类型和参数自动分配外设编号，上传数据中心登记，激活相应外设功能，并回应外设，确定添加成功，成为该终端的外设。
[0078]②外设删除操作。终端主机会周期性查询外设的工作状况，当主机多次查询外设无响应，即可认为外设已经移走或掉电，此时主机启动删除操作。首先删除外设编号，关闭外设通信接口通道，同时上报数据中心，将该外设列入灰名单，删除外设登记信息，关闭该外设。
[0079]3)实施的关键技术要点
[0080]按照上述车载一体化终端的技术方案，一体化通用终端的实现关键是主机与外设之间的通信、管理与控制，其实施要点如下:
[0081]①主机与外设socket通信链路的建立
[0082]主机与智能外设可以采用TCP或者UDP协议以及Socket套接字方式，通过WiFi链路实现通信。视频传输采用UDP连接，而非视频传输采用TCP连接。在智能主机主线程里创建两个子线程，分别用来处理视频和非视频外设的连接与通信。视频传输采用的是面向非连接的UDP协议以及RTP协议。很多时候会出现多个UDP或者TCP同时在线的情况，所以要用互斥锁锁住，只有当前UDP或者TCP连接通信完成了，才轮到下一个连接的通信。主机与外设通信的建立流程如图6所示。
[0083]②智能外设的自动配置流程
[0084]车载一体化终端的特色就在于能灵活扩展各种外设，因此必须能实现各个外设的自动添加和删除功能，进而灵活扩展车载应用。外设和主机通过运行自适应配置软件和使用自适应配置协议，来实现外设的自动添加和删除操作，自适应配置过程如图7所示。
[0085]自动添加过程:外设上电，自动运行相应软件后，主动上报自己的外设类型号和认证参数，向智能主机发送添加请求。智能主机收到请求后，根据添加规则对外设请求进行判断。添加请求如果不符合规则，则给外设发送一个添加失败确认信息;符合规则，则主机自动对外设进行编号登记，并把外设信息和编号上传数据监控中心(激活中心对已添加外设的控制功能)，等数据中心对外设登记并下发登记成功确认信息后，主机给外设一个添加成功确认信息，自此完成自动添加功能。
[0086]自动删除过程:在外设添加成功后，每隔固定周期向主机发送心跳信息表明外设正常。如果主机在外设的上一次心跳信息之后较长时间内，没有收到心跳信息，就认为外设以非正常方式退出(被拆除或者掉电)。主机在外设退出后，删除对应外设编号和参数，并上报监控中心删除对应外设编号，释放对应资源。外设也能以正常方式退出，即通过发送注销请求达到主动退出功能。
[0087]③主机对视频外设的管理与控制
[0088]智能主机在数据中心的管理下，对各种外设进行控制，使其完成各种车载物联网环境信息的采集与传输。作为典型应用案例，主机对视频外设的控制流程如图8所示。
[0089]基于海思Hi3516A的视频外设，支持可变码流视频、音频和图片的实时上传或者本地保存。在视频外设添加成功后，主机根据默认的多媒体(音频、图片或者视频)采集模式和参数设置视频外设。视频外设除了按默认模式和参数进行采集多媒体信息外，还要随时响应数据中心通过主机对视频外设实时下达的命令，完成采集上传或对其工作模式和参数的更改设置。
[0090 ] (3)数据中心的结构及模块化配置方法
[0091]I)数据中心的统一配置的通用结构
[0092]数据中心是实现通信和控制功能的数据中心，以高性能计算机系统为核心，由前端数据通信设备、前端通信与控制处理机、后台数据库服务器以及操作系统与应用软件系统组成，为通用的硬件和软件结构，仅仅需要根据用户需要开发运行相应的功能软件，实现系统相关功能，如图2中的中心域所示。前端通信与控制处理机与数据库服务器可以采用同一台物理计算机作为物理平台，采用冗余备份的系统结构，数据中心前端通信收发方式与车载终端通信模块配置相对应。数据中心内设置数据库和服务器，客户端采用B/S方式实现数据的查询和浏览。
[0093]2)数据中心应用软件的模块化配置
[0094]数据中心采用工业控制机为核心的高性能计算机硬件系统以及功能强大的系统支持软件和应用软件系统，支持各种通信接口和网络接口及其网络协议，可根据应用要求开发相应的功能软件，完成物联网中定位、跟踪、管理等任务。软件采用通用的标准化通信与网络协议，同时考虑系统实时性的要求，确保与其它物联网的互联操作。
[0095]数据中心以Windows-OS为软件平台，采用Visual Basic.Net开发前端数据收发与处理软件，采用MySQL数据库和Apache服务器搭建后台数据服务系统，实现数据中心各项功能，应用软件采用逻辑功能模块化结构，如图9所示。
[0096]数据中心对于需要位置服务的物联网应用系统的主要功能大同小异，因此前端通信与控制软件主要完成通信、控制与无线一体化终端主机及外设的管理功能，在大多数系统应用中不需要改动。采用清单管理方式动态管理一体化终端主机及其外设，对于已注册的终端以及相应激活的外设标记为绿色，对于已注销的终端或在线终端非激活(曾经激活)的外设标记为灰色，对于非法的终端以及相应外设标记为黑色。通过对终端及外设的清单管理，可以配合一体化终端主机与外设的模块化灵活配置，完成即插即用功能，同时实现前端通信与控制软件的通用化。
[0097]后台软件与系统的应用密切相关，主要完成数据库及数据分析与处理，系统的应用目标功能，例如:状态监控、路径规划、路径跟踪监视、电子围栏管理和车辆智能调度等功能。这些功能软件采用面向对象的设计方法，软件模块化结构，可以根据系统的具体应用要求，任意裁剪，组合搭建软件应用平台。
[0098](4)可编程定义的通用数据帧格式
[0099]通信帧格式为中心和终端及外设之间的通信提供一个标准的信息结构规范。通信数据帧格式如图10所示，可以提供了一种灵活可编程定义的数据帧结构，实现通信协议的通用性和灵活性。
[0100]①启始标志符(SYNC):用于识别帧的启始，采用7位巴克码1110010表示。
[0101]②终端地址(ID):用于识别一体化终端及附属外设的标识符，采用长度为2个字节二进制表示，可寻址32K个终端设备。如果当前的帧为中心发送的下行帧，则终端地址可用于寻找终端;如果当前帧为终端返回的上行帧，则终端地址代表当前终端本身的地址。为了实现系统控制与数据中心的下行命令的广播、组播和点播，下行帧地址专门设计了广播地址、组播地址和点播地址。其中，定义11000001 00000011作为广播地址，表示当前命令执行的是所有的终端的操作；定义0B4B3B2B2B0X X X X X X X X X X作为组播地址，最高位Bitl5 = l为特征标识，B4B3B2B2B0表示终端分组ID，可表示32个分组，其后10比特为组内终端的ID号，可以表示1024个终端地址;除了广播地址外，任何一个完整的组播地址都可作为点播地址，用于指定的特定的终端。
[0102]③通信控制字段(CNTR):用于标识帧的类型与相应标志，采用长度为一个字节二进制表示。各个控制标志位可作如下定义:
[0103]Bit7Bit6 = 11为控制字段(CNTR)的特征标识。
[0104]标志位C/D用于表示帧的类型，占用一个比特，位于Bit5位。C/D= 0代表当前帧为命令帧，C/D = I代表当前帧为数据帧。
[0105]标志位COM用于表示回传通信方式，占用两个比特，位于Bit4Bit3位，COM=OO表示回传采用GPRS通道，COM=Ol表示回传采用SMS通道，COM=1表示回传采用扩展通道，COM =11保留为今后使用。
[0106]标志位MODE用于表示终端的工作模式，占用一个比特，位于Bit2位。MODE = O表示终端采用单次回传方式，终端设置为被动召测模式，由中心查询命令巡测;MODE= I表示终端采用连续回传方式，终端设置为主动自报模式，主动回传间隔由其后数据块区的定时间隔数据确定。
[0107]标志位P/Μ用于表示控制与数据中心的寻址方式，占用一个比特，位于Bitl位。P/M=0表示采用点播方式，为点播帧，控制与数据中心寻址当前ID的终端;P/M=l表示采用组播方式，为组播帧，控制与数据中心寻址当前ID所标识的B4B3B2B2B0分组中的所有终端。
[0108]标志位A/N用于表示应答状态，专为半双通信应答而设计，占用一个比特，位于B i t0位。A/N = O表示确定的应答，该帧为ACK命令帧，A/N = I表示否定的应答，该帧为NAK命令中贞O
[0109]④数据标识符(DT-FLAG):用于标识数据区内数据的相应类型、状况等信息，与具体应用相关，依据需要灵活编程定义。标志位Type用于表示数据类型，占用两个比特，位于Bit7Bit6位，Type = 00表示管理类数据，Type = 01表示控制类数据，Type = 10表示多媒体类数据，Type = 11表示位置及报警类数据。D5-Do各字段可根据需要灵活编程定义。
[0110]⑤数据块长度(Length):用于数据段的数据区长度，采用长度为两个字节16进制数表示，最长可表示64KB字节。
[0111]⑥数据块(DATA):按协议要求装载下行命令信息的内容，或上行回传数据信息的内容，例如，实时位置、时间、速度等文本信息以及状态、监控、图像和视频等信息。
[0112]⑦校验字段(CRC):用于对通信帧做CRC校验，采用2个字节的CRC-16对包括终端地址、控制字段、数据块长度和数据块做CRC校验。
[0113]⑧结束标志符(END):用于标识帧的结束，占一个字节，采用二进制10000001表示。
[0114]定位与通信一体化平台采用外设模块化配置和后台软件模块化剪裁模式，根据目标应用系统的要求配置。其中，一体化终端主机与外设之间可以选择各种可能的通信接口，采用有线或无线链接方式。采用专有的自适应外设配置协议，支持即插即用，外设可以灵活自主地加入或退出，以终端主机为核心可以按要求随时组成新的车载信息网络。数据中心采用通用化和模块化的软硬件结构，前端软件采用通用通信协议与车载终端通信，完成基本的通信与控制任务，后台功能软件模块按目标应用系统要求选择，实现应用功能的可裁剪。
[0115]下面通过一个具体实例来对本发明进行进一步详细说明:
[0116](I)基本应用需求
[0117]某物流公司需建立一个综合物流管理信息系统，公司有15台各种运输车辆，需要对车辆、运输过程和物件进行监控。其中，在仓库需要配置手持式无线条码扫描器，在2个大型货车上随车各配置4个监控摄像头和一个烟雾监控传感器，在一个冷藏车上随车配置2个温湿度监控传感器，其它车辆仅仅需要对其位置和行车路线监控即可。
[0118](2)系统配置方案
[0119]对于这个应用系统，所有车辆都可以统一标配一体化终端主机以及驾驶员及车辆ID识别外设，其中两个大货车各随车增加四个WiFi无线视频监控外设和一个WiFi烟雾监测传感器外设，以无线WiFi方式与终端主机联网，采用即插即用方式实现以一体化终端主机为核心的车载无线智能传感器网络。冷藏车也可以采用WiFi无线网络随车配置2个温湿度监测传感器外设。对于仓库配置的手持式无线条码扫描器在上下货工作时，可以通过自带的3G数传功能直接与数据中心联网，也可以添加到现场货运车辆上的车载一体化终端主机的WiFi网络，成为一体化终端主机的外设，通过车载终端的回传通道与中心联网，上传运单等信息。
[0120]对于系统的数据中心，采用通用标准的硬件和软件搭建，前端通信与控制软件除了相应的标识配置外，基本不用改动。由于公司管理无需电子围栏和路径规划，因此在后台软件配置时可以删除这两个软件功能模块，其它软件部分仅需要按照标准化流程植入企业的相关因素，不需要重新开发。
[0121]由此，尽管不同的企业有不同的需求和特点，但采用灵活配置的各种功能的外设以及后台模块化软件结构，可以方便地满足用户的要求，系统的建设和开发可以根据物流或车船企业生产过程的实际需要，从一个通用的平台出发快速的完成，大大降低了建设开发的成本和周期。该应用系统的主要功能包括:
[0122]I)运输车辆的定位、跟踪和调度，实现车辆管理功能；
[0123]2)车辆载荷信息的感知，包括:空载/满载、载货量、运输方向、进出场、运行路线等信息的获取和传输，实现车辆监测功能；
[0124]3)当前车辆及司乘人员信息的获取与识别，以及工作实际状况的感知；
[0125]4)调度命令的下达与反馈，应急事件的感知与处理等；
[0126]5)远程即时查询、统计、汇总各作业点的作业信息，并生成相应报表；
[0127]6)运输过程管理，包括:路径匹配、实时监控和路径监控等待。
[0128](3)平台应用的主要特点
[0129]本定位与通信一体化通用平台以Linux-OS和Cotex_A9以及相关嵌入式处理器为一体化终端主机的软硬件平台,Window-PC和MySQL、Apache等为数据中心的软硬件平台，采用模块化结构和定位与通信一体化设计方案，极易与各种物联网应用平台结合，构建定位、通信与应用的综合化信息应用系统。作为一体化的通信与定位通用平台，只需结合物联网等应用场景，即可按照用户需求，从通用平台出发，快速开发所需的应用系统。
[0130]物流及车船运输是国民经济中重要的物联网应用领域。对于物流或旅游车船运输企业需要实时关注运输车辆的调度和管理、载荷/乘客位置、车辆和司机的状况等问题，因此可以在该一体化通用平台的基础上，有针对性地对通用车载终端的模块和功能进行编程，通过外设的按需配置，按需求选择相应的软硬件接口和功能，并指配通信协议及其字段的定义，再按需求修改前台通信标识和后台数据库设置以及后台功能软件模块，即可完成运输车辆的调度和管理系统的设计和开发，大大缩短了开发周期，节省了开发成本。
[0131]本发明针对现有的北斗位置服务应用系统存在的通用性和兼容性差的问题，本发明提出一种北斗定位与通信一体化通用平台的结构以及配置应用的方法。该平台采用定位与通信一体化的设计思想和通用统一的平台结构，可以方便快捷地从通用平台出发，按照应用系统的技术和应用要求，开发和建设目标应用系统，减少了二次开发带来的问题，有效缩短了开发周期，降低了建设和维护成本。
[0132]该通用平台采用外设模块化配置和后台软件模块化剪裁模式，根据目标应用系统的要求配置，具有定位与通信一体化、平台结构通用化、外设即插即用化、应用按需裁剪化的特征。其中，车载终端主机与智能外设之间可以选择各种可能的通信接口，采用有线或无线链接方式。采用专有的自适应外设配置协议，支持即插即用，外设可以灵活自主地加入或退出目标应用系统，以终端主机为核心可以按照需要随时组成车载信息网络。通信、控制与数据中心采用通用化和模块化软硬件结构，前端软件采用可编程定义的通用通信协议与车载终端通信，完成基本的通信与控制任务，后台功能软件模块按目标应用系统要求选择，实现应用功能的可裁剪。
[0133]智能外设是定位与通信一体化系统实现与目标应用系统关联的桥梁，也是定位与通信一体化平台面向应用的关键。不同于定位与通信一体化终端主机功能和结构的相对稳定，智能外设具有多样化和面向应用的特点。因此平台的通用化结构必须以智能外设的多样化和灵活性为基础，即插即用的配置方式也为通用化的系统结构提供了实现的可能。
[0134]该通用平台采用北斗定位为主、GPS定位为辅的双模定位方式，回传方式采用现有的2G/3G/4G移动通信网络为主，HF/VHF/UHF以及卫星数传方式为辅，并设计了多通道自适应回传工作机制，可以有效实现定位信息和物联网相关信息的采集和实时回传。由于引入多种通道自适应切换，克服了传统回传方式单一，且存在通信盲区的缺点，可以满足广域条件下的定位跟踪通信需要，具有良好的工程应用价值。
【主权项】
1.北斗定位与通信一体化通用系统，由车载一体化终端和数据中心构成，其主要特征在于: 车载一体化终端由主机和外设组成，主机为一体化终端的核心，主要完成通信、定位、控制、管理和资源调度的功能，外设用于嵌入目标应用系统，实现目标系统的采集和控制功能，并与主机可以实现自动适配； 主机主要由核心控制处理模块、外设接口模块、北斗与GPS卫星接收模块和移动通信收发模块组成； 核心控制处理模块用于完成终端设备的智能控制、实时调度、外设管理、信息采集控制和通?目协调功能； 外设接口模块采用有线和/或无线接口方式，用于提供数据、语音以及数字图像的通信接口，满足物联网各种环境的接口和数据采集需求； 北斗与GPS卫星接收模块用于接收北斗或GPS卫星信号和计算位置信息，必要时通过扩展广域差分技术提高定位精度； 移动通信收发模块用于物联网的终端设备与中心站之间定位、跟踪、控制信息以及物联网信息的传递与交互操作； 上述数据中心主要由前端数据通信设备、前端通信与控制处理机、后台数据库服务器和远程客户端； 前端数据通信设备用于与一体化终端主机的移动通信收发模块实现通信； 前端通信与控制处理机用于完成整个平台的通信、控制与一体化终端主机管理； 后台数据库服务器用于完成数据库及数据分析与处理，并根据系统的具体应用要求，任意裁剪或组合搭建应用平台； 远程客户端用于实现数据的查询和浏览。2.根据权利要求1所述的北斗定位与通信一体化通用系统，其特征在于:外设接口模块采用的有线方式为1^1^、1^8、3?1、12(:和/或0&1^^;采用的无线接口方式为們？丨、2丨8866和/或蓝牙。3.根据权利要求1所述的北斗定位与通信一体化通用系统，其特征在于:北斗与GPS卫星接收模块为型号为UM220的北斗与GPS双系统模块。4.根据权利要求1所述的北斗定位与通信一体化通用系统，其特征在于:一体化终端主机还进一步包括信道扩展模块，该信道扩展模块在移动通信收发模块无法工作的情况作为备用信道工作;根据应用环境的通信状况，灵活选用不同的数传模块;同时根据信道检测的实际状况，自适应选定当前传输通道。5.根据权利要求4所述的北斗定位与通信一体化通用系统，其特征在于:信道扩展模块选用的数传模块为短波数传模块、卫星数传模块、VHF数传模块、UHF数传模块和/或HF数传丰旲块。6.根据权利要求1所述的北斗定位与通信一体化通用系统，其特征在于:数据中心的前端通信与控制处理机和后台数据库服务器采用同一台物理计算机实现。7.基于权利要求1北斗定位与通信一体化通用系统的配置方法，其特征在于:包括主机对外设的模块化配置过程和数据中心的模块化配置过程； 上述主机对外设的模块化配置过程具体为:主机采用标准接口，模块化编程配置，支持外设的即插即用方式，根据应用需要，灵活添加或删除一个外设，由主机自动认证和编号，并自动上报数据中心;其中主要包括以下操作: 1)外设添加操作:外设上电后，按照相应通信参数建立的接口通道，周期性向主机发出加入请求，该请求附带有外设类型、参数和认证码，直到主机回应;主机按认证规则对申请外设进行识别，确认是合法外设，根据外设类型和参数自动分配外设编号，上传数据中心登记，激活相应外设功能，并回应外设，确定添加成功，成为该主机的外设； 2)外设删除操作:主机周期性查询外设的工作状况，当主机多次查询外设无响应，即认为外设已经移走或掉电，此时主机启动删除操作，首先删除外设编号，关闭外设通信接口通道，同时上报数据中心，将该外设列入灰名单，删除外设登记信息，关闭该外设； 上述数据中心的模块化配置过程具体为:数据中心采用工业控制机为核心，支持各种通信接口和网络接口及其网络协议，并根据应用要求开发相应的功能软件，完成物联网中定位跟踪管理任务;功能软件采用通用的标准化通信与网络协议，同时考虑系统实时性的要求，确保与其它物联网的互联操作;其中主要包括以下操作: 1)前端通信与控制操作:主要完成通信、控制与无线主机管理功能，采用清单管理方式动态管理主机及其外设，对于已注册的主机以及相应激活的外设标记为一类，对于已注销的主机或在线终端非激活的外设标记为另一类，对于非法的主机以及相应外设标记为又一类;通过对主机及外设的清单管理，配合主机与外设的模块化灵活配置，完成即插即用功能，同时实现前端操作的通用化； 2)后台操作:与应用密切相关，主要完成数据库及数据分析与处理，系统的应用目标功能，这些功能采用面向对象的设计方法，模块化结构，根据系统的具体应用要求，按需裁剪，组合搭建软件应用系统。
【文档编号】H04B1/38GK105842715SQ201610254628
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2016年4月22日
【发明人】赵利, 王金辉, 蔡成林, 李天松, 韦照川, 刘小康
【申请人】桂林电子科技大学