基于GPS和GPRS的多功能汽車記錄儀的設(shè)計

孫耀杰，趙忠祥

（河北工業(yè)大學 天津 300401）

汽車行駛記錄儀（汽車黑匣子）是一種使用在汽車上的數(shù)字式電子記錄裝置[1]，它可以對汽車的行駛速度、時間、里程及剎車等狀態(tài)信息進行存儲并通過USB或串口導出數(shù)據(jù)。汽車記錄儀對約束駕駛員的不良駕駛行為，分析、鑒定道路交通事故，提高交通管理執(zhí)法水平和運輸管理水平，保障車輛運行安全具有重要作用。

當前的汽車行駛記錄儀技術(shù)比較成熟，低端產(chǎn)品一般采用8位或16位單片機作為主處理器[2]，中高端則采用32位的ARM處理器，但這些產(chǎn)品一般只能做到對本車的記錄及監(jiān)控，車輛行駛記錄需逐車采集，不便于大型車隊和企業(yè)管理。這里提出一種基于GPS和GPRS的多功能汽車記錄儀的設(shè)計方案，該設(shè)計是在實現(xiàn)記錄儀基本功能的基礎(chǔ)上，增加GPS和GPRS模塊，分別用于定位和數(shù)據(jù)遠程傳輸，結(jié)合數(shù)據(jù)庫技術(shù)和相應監(jiān)控管理軟件實現(xiàn)對車輛和司機全方位監(jiān)控、調(diào)度和管理。

1 系統(tǒng)組成和主要功能

本系統(tǒng)主要包括汽車記錄儀終端、服務(wù)器和監(jiān)控管理軟件。其中汽車記錄儀終端包括信號采集、數(shù)據(jù)記錄、GPS和GPRS等部分。服務(wù)器接收記錄儀通過GPRS發(fā)送的數(shù)據(jù)并保存。監(jiān)控管理軟件對服務(wù)器的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計、分析[3]，得到超速駕駛、疲勞駕駛和行駛里程等信息。

記錄儀終編是整個系統(tǒng)的基礎(chǔ)，其主要功能為：

1）實時定位功能 能夠?qū)崟r采集記錄車輛當前所處的位置數(shù)據(jù)，并把位置數(shù)據(jù)發(fā)送到監(jiān)控中心管理平臺，在監(jiān)控平臺上顯示出車輛的行駛軌跡；監(jiān)控中心（監(jiān)控站）也可以發(fā)出指令尋找目標車輛所在位置數(shù)據(jù)；

2）運營限制區(qū)域設(shè)置功能 利用監(jiān)控平臺可以對運營車輛的行駛區(qū)域范圍做出限定，車輛一旦超出限定區(qū)域，監(jiān)控平臺就會發(fā)出報警；

3）泊車防盜功能 停車后按下泊車防盜按鈕，車輛就進入泊車防盜狀態(tài)。如車輛非法移動，監(jiān)控平臺立即發(fā)送短信至主控手機上，并報告當前的車輛位置；

4）緊急求助報警 當車輛遇劫或需要求助時，駕駛?cè)藛T可通過按鍵向中心報警，同時向監(jiān)控中心發(fā)送車輛的經(jīng)度、緯度、行駛速度、方向、時間等信息；

5）車輛全程行駛數(shù)據(jù)記錄 車載終端全程采集、記錄車輛行駛和司機操作的全部數(shù)據(jù)并發(fā)給數(shù)據(jù)中心。其中包括：車輛的時間、速度、里程、狀態(tài)、位置、發(fā)動機轉(zhuǎn)速等數(shù)據(jù)。利用一體機記錄下的全程行駛數(shù)據(jù)，監(jiān)控平臺提供每條行駛記錄全程時間-速度-狀態(tài)曲線和里程-速度-狀態(tài)曲線。通過這些曲線查看司機的全部駕駛過程；

6）超速報警和超速記錄 車載終端可以按預先設(shè)置的速度限制進行超速報警。當車輛行駛速度超過設(shè)定值時，車載終端就以聲/光方式報警，提醒司機及時減速。同時把車輛超速信息發(fā)送到監(jiān)控中心；

7）司機疲勞駕駛報警和記錄 車載終端能記錄駕駛員連續(xù)駕駛時間超過4 h的所有疲勞駕駛數(shù)據(jù)；

8）事故疑點記錄 車載終端以0.2 s的時間間隔記錄車輛停車前20 s時間段內(nèi)和實時時間相對應的車輛行駛的速度值、剎車信號和其他車輛狀態(tài)信號作為事故疑點數(shù)據(jù)。存儲最近2個月的所有事故疑點數(shù)據(jù)；

9）車輛油位監(jiān)控功能 車載終端可以對油箱油位進行實時監(jiān)控。當油位發(fā)生異常變化時，車載終端可以實時記錄變化量并向監(jiān)控中心發(fā)送異常變化數(shù)據(jù)；

10）視頻監(jiān)控功能 可外接兩路攝像頭，將車內(nèi)外情況抓拍照片后傳送到監(jiān)控中心；

11）駕駛員身份識別功能 車載終端利用IC卡方式實現(xiàn)駕駛?cè)藛T身份識別功能。 使用和車載終端配套使用的管理軟件可以把駕駛員基本信息設(shè)置在IC卡中，其中包括：“駕駛員姓名”、“駕駛員代碼”、“駕駛證號碼”。把設(shè)置好的IC卡插入記錄儀，記錄儀自動對司機進行識別；

12）數(shù)據(jù)通信功能 車載終端通過內(nèi)置GPRS通訊模塊實現(xiàn)和監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)互通；車載終端設(shè)有標準USB接口，使用U盤可以把車載終端記錄的全部數(shù)據(jù)取出；通過車載終端的USB口可以對車載終端進行參數(shù)設(shè)置也可以對車載終端進行程序裝載；

13）讀取短信功能 讀取監(jiān)控平臺發(fā)送的任意短信內(nèi)容。

2 記錄儀硬件設(shè)計

記錄儀總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，主要包括ARM處理器、GPS模塊、GPRS模塊、信號采集電路、實時時鐘電路、語音報警電路及數(shù)據(jù)存儲電路。

圖1 記錄儀總體結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Overall structure diagram of recorder

2.1 主處理器

為了滿足系統(tǒng)對實時性、大量數(shù)據(jù)處理、GPS信號接收、GPRS發(fā)送數(shù)據(jù)控制等各方面的要求，選用32位ARM處理器AT91SAM9260。AT91SAM9260采用 ARM926EJ-S內(nèi)核，外部總線接口包含諸多控制器，用于控制SDRAM以及包括NAND Flash和Compact Flash在內(nèi)的靜態(tài)存儲器，7路USART、1個雙線接口（TWI）以及 4通道 10位 A/D轉(zhuǎn)換器[4]。

2.2 電源電路

目前汽車電瓶電壓在9～36 V之間，而且由于車輛本身環(huán)境影響，汽車供電電壓不穩(wěn)定，存在各種干擾，所以本系統(tǒng)采用三級電壓轉(zhuǎn)換電路，如圖2所示。外部電源分別經(jīng)LM2576HVT-ADJ、LM2940-5.0和 LM1117轉(zhuǎn)換為 7、5和 3 V，供給相應模塊。其中第一級LM2576HVT-ADJ將7～40 V電壓轉(zhuǎn)換至7 V，使本系統(tǒng)可以應用到任何車輛。在電源輸入電壓轉(zhuǎn)換模塊前通過LC濾波[5]，可以有效地濾除交流干擾，各電源轉(zhuǎn)換器后端均通過100和0.1 μF電容并聯(lián)接地消除紋波電壓，保證系統(tǒng)供電穩(wěn)定。經(jīng)過測試該電路可以穩(wěn)定輸出5和3.3 V電壓。

圖2 電源電路Fig.2 Power circuit

2.3 速度采集電路

獲得準確的速度是記錄儀正常工作的基礎(chǔ)。大部分汽車都安裝有速度傳感器，車輪每轉(zhuǎn)動一周則會輸出一定數(shù)量的脈沖，準確判斷這些脈沖是關(guān)鍵[6]。本系統(tǒng)采用的速度采集電路如圖3所示，首先通過前端的RC濾波去除高頻干擾，經(jīng)過一個跟隨器，再通過比較電路輸出，控制后端的三極管VQ1的通斷，產(chǎn)生穩(wěn)定的脈沖信號。

圖3 速度采集電路Fig.3 Speed acquisition circuit

2.4 GPS

GPS是本系統(tǒng)實現(xiàn)定位的核心部分，采用Gloabalsat的ET-318 SiRF StarⅢGPS芯片組，該模塊具有靈敏度高（追蹤靈敏度：-159 dbm），低信號下快速TTFF（首次定位時間），20通道全視野跟蹤，速度精度0.1 m/s，支持NMEA0183和SiRF二進位協(xié)議，通過串口固定輸出NMEA0183規(guī)定的數(shù)據(jù)信息。通信參數(shù)：波特率為4 800 b/s，數(shù)據(jù)位為8 bit，停止位為1 bit，無奇偶校驗。ARM接收其中的RMC（推薦定位信息），獲得時間、經(jīng)緯度、地面速度、地面航向等信息。

2.5 GPRS

本系統(tǒng)每10 s鐘通過GPRS將當前速度、經(jīng)緯度、方向和時間發(fā)送到服務(wù)器，管理軟件讀取這些信息就可以監(jiān)測車輛的當前狀態(tài)。GPRS模塊采用的是SIM300C，它體積小，采用DIP板對板連接器，低功耗，高速傳輸語音、SMS（短信）、數(shù)據(jù)和傳真信息，最關(guān)鍵的是它內(nèi)嵌強大的TCP/IP協(xié)議棧，支持標準AT指令集。本系統(tǒng)通過SIM300C建立TCP管道傳輸數(shù)據(jù)。建立過程如下：

其中1 024規(guī)定每次傳輸量最大不超過1 KB。

2.6 語音模塊

系統(tǒng)在超速行駛、疲勞駕駛時，相應的高亮度LED閃爍，同時啟動語音報警功能，發(fā)出“超速，請減速”的警告語音，而且記錄儀能播放監(jiān)控平臺發(fā)送的短信的內(nèi)容即TTS（從文本到語音）。該記錄儀采用語音天下的第二代語音合成器OSYNO 6288。 它兼容 GB2312、GBK、BIG5和 Unicode等 4種內(nèi)碼格式文本的合成，可以在9 600，19 200、38 400 b/s等波特率下正常工作，增加多種控制命令。比如合成、停止合成、暫停合成、繼續(xù)合成、改變波特率等，可以自動識別詞組，多音字。語音通過PWM（脈寬調(diào)制）輸出至喇叭。為與監(jiān)控軟件、數(shù)據(jù)庫和GPRS模塊兼容，采用通用性更好的Unicode碼，通信參數(shù)：波特率為4 800 b/s，數(shù)據(jù)位為 8 bit，停止位為1 bit，無奇偶校驗，OSYNO 6288內(nèi)置有功放，軟件調(diào)節(jié)音量至11級，外接8 Ω/0.5 W喇叭，播放聲音洪亮、清晰，即使在較為嘈雜的環(huán)境下也可以清楚聽到播放內(nèi)容。

2.7 數(shù)據(jù)存儲器

汽車行駛記錄儀是在汽車行駛過程中對汽車各種狀態(tài)進行記錄的電子裝置，各種狀態(tài)數(shù)據(jù)存儲是汽車行駛記錄儀的重要部分。此前大多設(shè)計均采用Flash和鐵電存儲器并用的方式。但是對于實時操作系統(tǒng)Linux只要采用一片F(xiàn)lash就可以滿足需要。目前Linux操作系統(tǒng)可以很好支持Nand Flash，AT91sam9260支持Nand Flash啟動，并且與之相應的yaffs2文件系統(tǒng)已經(jīng)成熟，保證了數(shù)據(jù)的準確性。由于本系統(tǒng)需要保存大量數(shù)據(jù)：GPS定位信息、疑點記錄、行駛記錄、斷電記錄、疲勞駕駛記錄、油位等，所以采用K9F1G08U0B型128 M×2 K頁NandFlash存儲器。

2.8 油位傳感器

本系統(tǒng)加裝精確的油位傳感器，對油位實時記錄，并通過GPRS傳輸至監(jiān)控平臺，車輛運營企業(yè)可以實時掌握車輛的油位情況，徹底杜絕司機偷油賣油，拉私活的情況發(fā)生。

車輛電環(huán)境復雜干擾多，因此采用電流型傳感器。本系統(tǒng)采用CR-606型電容式油位傳感器，當油進入容器引起傳感器殼體和感應電極之間的變化，適用于任何不導電的液體，油位精度高，油位液在采集小于1 mm，測量誤差小于0.1%，標準輸出4～20 mA的線性電流信號，經(jīng)過150 Ω精密電阻轉(zhuǎn)換至0.6～3 V電壓信號，通過AT91sam9260的A/D轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換為數(shù)字量并保存。

2.9 實時時鐘

主處理器AT91sam9260雖內(nèi)置時鐘，但是當處理器斷電后，該實時時鐘所有寄存器的內(nèi)容將全部丟失。為此，系統(tǒng)需要外部實時時鐘。PCF8563符合這一要求，PCF8563具有掉電檢測器，當供電電壓低于某個值時，秒寄存器中的某標志位將置1，指明此時實時時鐘可能會產(chǎn)生不準確的時鐘/日歷信息，從而避免了記錄儀對錯誤時間的記錄。此外，PCF8563可以工作在1～5.5 V的寬電壓范圍內(nèi)，具有體積小、外圍電路簡單、運行穩(wěn)定性、精度高、功耗低等優(yōu)點，Linux內(nèi)核對其支持穩(wěn)定可靠，滿足本系統(tǒng)的要求。

2.10 通信接口

根據(jù)GB/T19056－2003，標準記錄儀應至少配置2種標準接口：USB標準接口、標準RS－232型9針接口。通過RS－232串行口直接進行數(shù)據(jù)傳輸比較容易實現(xiàn)，可靠性高。AT91sam9260的串行口經(jīng)電平轉(zhuǎn)換器MAX232轉(zhuǎn)換為EIA/TIA－232－E電平，從而提供標準的 RS－232接口。AT91sam 9260支持USB主從模式，也可直接外接USB接口。

3 汽車記錄儀軟件設(shè)計

汽車記錄儀是無人控制的，在汽車開始運行時自動啟動，本系統(tǒng)采用Linux操作系統(tǒng)，運行過程為：汽車上電記錄儀啟動，開始引導 Bootstrap、Uboot，通過 Bootloader調(diào)用 Linux內(nèi)核，加載yaffs2文件系統(tǒng)，自動啟動應用程序。

3.1 主程序

應用程序采用C語言編寫[7]，主程序負責整個系統(tǒng)的初始化，硬件設(shè)備通過信號（軟中斷）與主程序交互數(shù)據(jù)，完成相應的操作，主程序流程如圖4所示。

圖4 主程序流程圖Fig.4 Flow chart of main program

3.2 GPRS數(shù)據(jù)發(fā)送

本系統(tǒng)設(shè)計記錄的數(shù)據(jù)包括行駛記錄，上電至掉電之間，每3 s保存一次時間、速度、狀態(tài)、GPS定位信息和角度；疑點記錄，保存每次停車前20 s內(nèi)，每0.2 s的速度和狀態(tài)信息；斷電記錄，保存系統(tǒng)斷電時的時間；疲勞駕駛記錄，保存司機連續(xù)駕車超過4 h的起始時間。所有的記錄數(shù)據(jù)要求保存2個月，因此保存數(shù)據(jù)量大，相應需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量也大。

在GPRS傳輸數(shù)據(jù)之前對數(shù)據(jù)進行壓縮并且在系統(tǒng)出現(xiàn)新記錄時進行傳輸。在編譯busybox時選擇gzip功能，通過gzip對數(shù)據(jù)壓縮，一般壓縮比可達9∶1。由于GPRS透明傳輸要求每次傳輸數(shù)據(jù)最大不超過1 KB，因此將需傳輸?shù)臄?shù)據(jù)分割為每包1 000字節(jié)的數(shù)據(jù)，并為每包數(shù)據(jù)標識ID號。服務(wù)器接收端根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)包ID重新組合數(shù)據(jù)，通過解壓縮軟件解壓得到記錄儀的記錄數(shù)據(jù)。

3.3 斷電記錄的實現(xiàn)

在大型車隊及運輸公司，司機為免受記錄儀的約束，往往在運營過程中對記錄儀非法斷電，使記錄儀不能正常工作，以此躲避監(jiān)控。因此本系統(tǒng)專門設(shè)計斷電記錄，對司機非法斷電的行為進行監(jiān)督。系統(tǒng)啟動時將當前時鐘與上次停機時時鐘進行對比，Linux從死機至重啟的時間應在5 min以內(nèi)，若對比時間超過5 min，說明記錄儀長時間斷電，將上次停機時間作為斷電記錄保存，并發(fā)送至服務(wù)器。

3.4 時間和速度校準

ARM接收GPS的RMC信息。若GPS時間與當前系統(tǒng)時間相差達到30 s，則以GPS時間為準并校準系統(tǒng)時間和硬件時鐘。當前速度與GPS速度比較，若GPS速度連續(xù)30 s大于0，而速度采集電路接收始終為0，則判斷速度傳感器故障，并使用GPS速度作為系統(tǒng)當前速度，并向監(jiān)控中心報警。

4 樣機測試

經(jīng)過努力，本系統(tǒng)已經(jīng)完成，并生產(chǎn)出樣機。通過樣機安裝在試驗用車進行各方面性能和功能測試。測試結(jié)果如表1，表2所示。

5 結(jié) 論

該汽車記錄儀結(jié)合GPS和GPRS實現(xiàn)精確定位和遠程數(shù)據(jù)傳輸，通過管理軟件可以實時獲取當前車輛狀態(tài)信息，又能及時查看車輛行駛記錄，在車輛實時告警與稽核、公安交警部門的事故處理發(fā)揮重要作用，增加斷電記錄和多種報警功能，即可以防搶防盜，又能滿足大中型車隊及企業(yè)對于車輛管理和司機操作監(jiān)控的需要。

表1 性能測試Tab.1 Performance testing

[1]陸文昌.汽車行駛記錄儀的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].汽車電器，2005（5）:1－2.LU Wen-chang.Status and development trend of automobile running recorder[J].Auto Electric parts， 2005（5）:1-2.

表2 功能測試Tab.2 Function testing

[2]王保華，楊正才.基于ARM及CAN總線的汽車行駛記錄儀的開發(fā)[J].儀表技術(shù)與傳感器，2009（4）:27-28，57.WANG Bao-hua，YANG Zheng-cai.Design of automobile travel recording instrument based on ARM and CAN bus[J].Instrument Technique and Sensor， 2009（4）:27-28，57

[3]高玉芹.基于UPSD3354單片機的多功能汽車行駛記錄儀[J].儀表技術(shù)與傳感器，2009（5）:26-28，31.GAO Yu-qin.Multifunction automobile running state recorder based on μPSD3354 single-chip[J].Instrument Technique and Sensor，2009（5）:26-28，31.

[4]Atmel Corporation AT91SAM9260 datasheet[EB/OL].（2007-12-11）http://pdf.dzsc.com/88888/2007112192228966.pdf.

[5]范燾.汽車行駛記錄儀的抗干擾技術(shù)研究[J].中國高新技術(shù)企業(yè)，2009（11）:7-8.FAN Tao.Anti-jamming technology of vehicle traveling data recorder[J].Chinese Hi-tech Enterprise，2009（11）:7-8.

[6]葉小嶺，嚴海東.汽車記錄儀數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計[J].電子技術(shù)應用，2008，34（12）:102-104.YE Xiao-ling，YAN Hai-dong.Design of vehicle data recorder acquisition system[J].Application of Electronic Technique，2008，34（12）:102-104.

[7]SIMCom Corporation AT Commands Set SIM300_ATC_V2.01[EB/OL].（2008-11-21）.http://www.micro chip.ua/simcom/GSM-GPRS-GPS/AppNotesdoc/TCPIP20APP_V1.01.pdf.