采用北斗模塊的車載監(jiān)控終端設(shè)計與實現(xiàn)

潘未莊,陳石平

（廣州海格通信集團(tuán)股份有限公司,廣州,510663）

0 引言

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展迅速，已成為全球性的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)。目前基于GPS的車載監(jiān)控終端容易受制于人，在戰(zhàn)時急時，美國可以在GPS系統(tǒng)中加入誤差甚至關(guān)閉GPS信號。從戰(zhàn)略安全、經(jīng)濟(jì)利益等方面，國家必將全力推廣北斗系統(tǒng)的應(yīng)用。目前北斗二號系統(tǒng)已經(jīng)覆蓋亞太運行，各行業(yè)的北斗二號示范工程開展迅速，因此十分有必要采用北斗模塊設(shè)計車載監(jiān)控終端。

1 監(jiān)控系統(tǒng)總體架構(gòu)

整個車輛監(jiān)控系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示，由管理中心和車載監(jiān)控終端兩部分組成。系統(tǒng)綜合BD/GPS衛(wèi)星定位、GPRS、射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）、GIS、數(shù)據(jù)庫、計算機(jī)控制等多項現(xiàn)代信息技術(shù)，將用車人信息、運行狀態(tài)、實時位置以及車輛速度等數(shù)據(jù)上傳到管理中心，實現(xiàn)對車輛狀態(tài)和位置監(jiān)控，完成車輛的科學(xué)調(diào)度，并對人員用車情況進(jìn)行統(tǒng)計分析，為車輛監(jiān)控管理提供有效數(shù)據(jù)，從而提高車輛利用率，降低運營成本。

1.1 管理中心

管理中心的主要功能有身份識別、區(qū)域限行、實時監(jiān)控、應(yīng)急調(diào)度等。由防火墻、通信服務(wù)器、門戶服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、地圖服務(wù)器、存儲陣列支撐平臺、管理軟件包等組成。

1.2 車載監(jiān)控終端

終端通過BD模塊、RFID讀卡器等傳感器監(jiān)測車輛的位置狀態(tài)，并以通過GPRS APN專線方式向通信服務(wù)器回傳信息,同時監(jiān)聽管理中心指令，執(zhí)行相關(guān)操作。

2 車載監(jiān)控終端方案設(shè)計

車載監(jiān)控終端原理框圖如圖2所示，由主機(jī)（含BD/GPS定位模塊、GPRS模塊、控制模塊等）和身份識別讀卡器組成。主機(jī)支持單GPS定位，單BD定位和組合定位三種定位模式，可接收管理中心下發(fā)的指令切換定位模式，保證車載終端定位結(jié)果的準(zhǔn)確性、可用性。車載監(jiān)控終端電氣接口，物理接口和數(shù)據(jù)協(xié)議完全兼容現(xiàn)有的單GPS定位系統(tǒng)，設(shè)計上充分考慮到車載應(yīng)用的電磁環(huán)境和溫度濕度特性，具備良好的電磁兼容性，靈活可配置的功耗模式，在定位數(shù)據(jù)的可用行、安全性和可靠性方面做了專門的優(yōu)化設(shè)計。

圖2 車載監(jiān)控終端原理框圖

各組成單元功能分別如下：

①車輛信息傳感器單元

車輛的速度、經(jīng)緯度位置、時間和方向信息由BD/GPS定位模塊提供，而車輛發(fā)動機(jī)的行使/停止、點火狀態(tài)等由IO轉(zhuǎn)換器直接采集。BD/GPS定位模塊采用以BD為主、融合GPS的組合定位算法完成定位，是實現(xiàn)車輛行駛軌跡監(jiān)管的核心模塊。

②智能電源管理單元

車載終端既利用車載電池供電，又配置可充電鋰電池。通過實時采集電池信息，智能判斷并自適應(yīng)切換供電。在車載電池電壓過低時候，硬件電路自動切換，由內(nèi)置電池供電。并由通信數(shù)據(jù)傳輸模塊通知系統(tǒng)。電源管理方式采用低功耗設(shè)計，最大限度延長車載電⑴池的使用壽命：硬件方面選擇效率高的DC-DC轉(zhuǎn)換芯片；選用具備待機(jī)、休眠和關(guān)斷等節(jié)能模式的M3內(nèi)核處理器；選用有休眠功能的外設(shè)及元器件；各個模塊的供電設(shè)計為可控，控制程序根據(jù)車輛行駛狀態(tài)和電池等綜合情況，自動進(jìn)入對應(yīng)的節(jié)能待機(jī)或者睡眠模式。

③數(shù)據(jù)傳輸單元

數(shù)據(jù)傳輸單元核心是GPRS模塊。GPRS模塊是和管理中心進(jìn)行數(shù)據(jù)交互的接口，向管理中心傳輸數(shù)據(jù)，同時接收管理中心的指令、終端各種參數(shù)的設(shè)置。主要傳輸數(shù)據(jù)有：上報采集、統(tǒng)計的數(shù)據(jù)，如定位數(shù)據(jù)、車輛狀態(tài)數(shù)據(jù)、里程統(tǒng)計數(shù)據(jù)；接收來自管理中心的指令，如報警解除、緊急關(guān)閉、定位模式設(shè)置等。

④處理器單元

處理器單元是車載終端的控制核心。實現(xiàn)的關(guān)鍵功能有：接收并解析來自BD/GPS定位模塊數(shù)據(jù)；接收并解析車輛的狀態(tài)信息；負(fù)責(zé)GPRS模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和其它外設(shè)控制等。

⑤RFID讀卡器

RFID讀卡器通過讀取RFID卡信息來采集車輛使用者信息，同時完成聲光提示。硬件由M0內(nèi)核處理器和RFID通用讀卡機(jī)專用芯片組成，通過串口連接控制單元。

3 車載終端軟硬件協(xié)同設(shè)計

3.1 功能業(yè)務(wù)設(shè)計

為滿足車載環(huán)境的監(jiān)控需要，設(shè)計如下功能業(yè)務(wù)：

①車輛行駛軌跡監(jiān)控：通過定位信息以及ACC等信號數(shù)據(jù)線，實時采集車輛啟動/熄火、行駛/停止等狀態(tài)信息。

②里程統(tǒng)計：根據(jù)定位信息，采用不依賴具體的電子地圖高精度算法，計算出車輛行駛的里程值，形成車輛實時、分段、連續(xù)的運行里程。

③提示功能：通過讀卡器識別用車人信息，并傳輸?shù)焦芾碇行?，平臺識別用車人的信息。如忘插卡或插入未授權(quán)卡，讀卡器通過蜂鳴器給出聲音提示，并上報管理中心。

④遠(yuǎn)程程序升級：終端采用IAP(In-Application Programming)技術(shù)實現(xiàn)遠(yuǎn)程程序升級。在應(yīng)用程序正常運行的情況下對另外一段程序Flash進(jìn)行讀寫操作，不影響終端功能的正常使用。管理中心下達(dá)遠(yuǎn)程升級命令，終端處理器的接收程序與管理中心進(jìn)行信息交互，同時接收升級數(shù)據(jù)包，存放到Flash中；BOOT引導(dǎo)區(qū)的升級程序根據(jù)升級標(biāo)志讀取Flash中的升級程序包。成功寫入后，升級程序清除升級標(biāo)志位，更新版本號，然后跳轉(zhuǎn)到新用戶程序運行新版本的程序。

⑤遠(yuǎn)程參數(shù)設(shè)置：車載終端通過GPRS模塊，接收管理中心的指令，參數(shù)進(jìn)行設(shè)置：關(guān)閉/開啟定位功能、設(shè)置數(shù)據(jù)上傳頻度、關(guān)閉/開啟GPRS上傳功能、管理中心主和備份服務(wù)地址和端口號、協(xié)議類型、超速報警門限值、節(jié)能模式時間門限值、電池異常時操作模式、清除報警狀態(tài)等，參數(shù)設(shè)置成功后保存到Flash中，參數(shù)設(shè)置后立即更新，無需重新上電。

⑥鏈路備份：終端上保存主通信服務(wù)器和多個備份通信服務(wù)器地址，當(dāng)主通信服務(wù)器出現(xiàn)故障，終端自動連接到可用的備份通信服務(wù)器，保持?jǐn)?shù)據(jù)傳輸?shù)臅惩ㄍ暾?/p>

⑦數(shù)據(jù)補(bǔ)登:當(dāng)GPRS網(wǎng)絡(luò)故障，導(dǎo)致車載終端無法連接所有服務(wù)器時，車載終端將按照一定的策略記錄車輛信息數(shù)據(jù)到非易失性存儲器中，保存一定時間的車輛行駛軌跡數(shù)據(jù)，待GPRS網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)正常通信后，將保存的數(shù)據(jù)補(bǔ)登到服務(wù)器上。

⑧異常緊急告警：具備車輛越界、斷電、電源異常等報警功能，報警信息能自動發(fā)送到管理中心；報警將通過聲光形式提示；終端上緊急按鈕可實現(xiàn)隱蔽緊急告警。

⑨保密隱身：終端可根據(jù)管理中心的指令，關(guān)閉數(shù)據(jù)傳輸和定位功能，實現(xiàn)保密隱身。需要時，管理中心可以發(fā)送指令，讓終端恢復(fù)數(shù)據(jù)傳輸和定位功能。

3.2 軟硬件協(xié)同設(shè)計

根據(jù)業(yè)務(wù)功能要求，統(tǒng)計內(nèi)外部事件個數(shù)，分析處理器中斷資源，建立任務(wù)處理模型，將中斷數(shù)據(jù)采集和中斷處理剝離，實現(xiàn)快速響應(yīng)。各個任務(wù)的處理按照實現(xiàn)劃分優(yōu)先級進(jìn)行。為提高復(fù)用率，抽象出各個任務(wù)共性通用的代碼。整體設(shè)計基本思想是中斷捕獲-數(shù)據(jù)采集-消息驅(qū)動-任務(wù)分發(fā)。為平衡響應(yīng)速度和資源占用，設(shè)計2級消息隊列，優(yōu)先級固定。從邏輯上，主控軟件可以劃分了中斷域和處理域。中斷域負(fù)責(zé)響應(yīng)中斷，采集數(shù)據(jù)；處理域負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理?？傮w流程如圖3所示：

圖3 主控軟件流程示意圖

4 三性設(shè)計

4.1 可靠性設(shè)計

終端的可靠性設(shè)計考慮了車載環(huán)境嚴(yán)酷性，遵循軟硬件協(xié)同設(shè)計思想，元器件選型上嚴(yán)格篩選，在設(shè)計初期進(jìn)行可靠性模型進(jìn)行預(yù)計，提前發(fā)現(xiàn)可靠性缺陷；在軟件設(shè)計上進(jìn)行了充分的測試驗證，包括從函數(shù)單元測試，模塊測試到整機(jī)軟件測試。

4.2 EMC安全性設(shè)計

現(xiàn)代車輛上電子設(shè)備愈發(fā)眾多，如車載影音系統(tǒng)，車載導(dǎo)航系統(tǒng)等，既不能干擾原有的車載電子設(shè)備，又不能被其所干擾。車載環(huán)境供電不穩(wěn)，電磁條件惡劣。發(fā)動機(jī)點火啟動瞬間有高達(dá)600V的尖脈沖；車載供電范圍從8V到30V。車上通過在電源設(shè)計上對連線采用保險絲+差模平衡濾波，供電端進(jìn)行壓敏電阻+TVS+扼流圈的保護(hù)組合實現(xiàn)終端在車載復(fù)雜環(huán)境下程序的穩(wěn)定運行和數(shù)據(jù)的安全。

4.3 可維護(hù)性設(shè)計

軟硬件采用模塊化設(shè)計，有利于快速定位問題和隔離故障；自檢自測功能實現(xiàn)及時將故障終端通報到管理中心，方便維護(hù)部門盡早介入；遠(yuǎn)程升級功能極大的降低后期維護(hù)成本。

5 結(jié)束語

針對目前車輛的監(jiān)控管理以及北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的大力發(fā)展，提出來一種基于BD/GPS雙模衛(wèi)星定位模塊的車載監(jiān)控終端設(shè)計，介紹了車載監(jiān)控終端的組成、功能和軟硬件。通過多重可靠性設(shè)計措施，該終端成功量產(chǎn),并可靠穩(wěn)定運行在一萬多臺不同型號的車上。終端具備的強(qiáng)大功能如遠(yuǎn)程升級和參數(shù)設(shè)置等，極大降低了維護(hù)成本，十分適合車載環(huán)境應(yīng)用。

[1]北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)《空間信號接口控制文件》公開服務(wù)信號B1I[J](1.0版).www.beidou.gov，2012，12：1～15

[2]李軍煥.基于GPS/GPRS車載終端的設(shè)計與實現(xiàn)[J].數(shù)字通信世界，2012,06:74～76.