基于北斗導(dǎo)航的車(chē)輛信息管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

蘇健淵　謝鋒

摘 要：隨著現(xiàn)今計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，數(shù)字信息已遍布生活的各個(gè)角落，軌跡信息在人們生活的重要程度也逐漸提升，車(chē)輛軌跡管理也日漸重要。在車(chē)輛的行駛過(guò)程中，車(chē)輛將不斷產(chǎn)生位置、速度、車(chē)輛狀態(tài)等信息，如何將數(shù)據(jù)進(jìn)行有效地收集匯總，提高數(shù)據(jù)的可用性，增加數(shù)據(jù)的復(fù)用性，實(shí)現(xiàn)車(chē)輛信息管理的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、人工智能化顯得尤為重要。本文基于北斗導(dǎo)航系統(tǒng)，通過(guò)設(shè)計(jì)基于北斗導(dǎo)航的車(chē)輛信息管理的硬件平臺(tái)，將車(chē)輛信息數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)匯總到服務(wù)器，利用軟件對(duì)信息數(shù)據(jù)進(jìn)行再加工，實(shí)現(xiàn)車(chē)輛信息數(shù)據(jù)的可視化，顯示車(chē)輛的軌跡狀態(tài)、運(yùn)行日志，提高車(chē)輛的監(jiān)控效率，保障車(chē)輛的安全管理，對(duì)進(jìn)一步改善車(chē)輛管理具有十分重要的參考意義。

關(guān)鍵詞：北斗導(dǎo)航 車(chē)輛信息 微處理器 STM32

1 引言

在現(xiàn)今的大部分關(guān)于管理車(chē)輛信息的系統(tǒng)，都是利用GPS（全球定位系統(tǒng)）[1]和蜂窩網(wǎng)絡(luò)[2]獲取車(chē)輛的數(shù)據(jù)信息，基本原理是車(chē)輛上的終端設(shè)備通過(guò)接收器接收到衛(wèi)星的信號(hào)，終端設(shè)備通過(guò)對(duì)衛(wèi)星信號(hào)解析，得到當(dāng)前車(chē)輛的衛(wèi)星數(shù)據(jù)，然后利用蜂窩網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)，建立和服務(wù)器的信號(hào)鏈路，服務(wù)器提供可視化的管理窗口，方便快捷查看車(chē)輛信息。但是這樣的系統(tǒng)是基于GPS，存在可能會(huì)泄露信息的風(fēng)險(xiǎn)，難以保證車(chē)輛數(shù)據(jù)的安全。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是一個(gè)新興的系統(tǒng)，且為我國(guó)自行研制，相比較GPS而言擁有更好的政策優(yōu)勢(shì)，部署上與GPS相同，可以從GPS平滑的過(guò)度到北斗系統(tǒng)。并且北斗導(dǎo)航系統(tǒng)擁有自己特有的優(yōu)勢(shì)，不僅僅提供經(jīng)緯度的信息，還能夠提供時(shí)間授時(shí)以及短信服務(wù)，豐富了車(chē)輛導(dǎo)航的應(yīng)用領(lǐng)域[3]。

2 整體介紹

2.1 整體結(jié)構(gòu)

基于北斗導(dǎo)航的車(chē)輛信息管理系統(tǒng)主要分為3個(gè)模塊：

車(chē)輛終端模塊：主要設(shè)計(jì)了衛(wèi)星導(dǎo)航數(shù)據(jù)接收的硬件模塊，負(fù)責(zé)接收車(chē)輛的北斗定位信息與后臺(tái)服務(wù)器進(jìn)行信息交流。該終端可以安裝小轎車(chē)、公交車(chē)、貨車(chē)等不同類(lèi)型的車(chē)輛上，主要實(shí)現(xiàn)車(chē)輛定位導(dǎo)航、信息收發(fā)等職責(zé)。

數(shù)據(jù)服務(wù)器模塊：接收北斗衛(wèi)星導(dǎo)航儀通過(guò)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送過(guò)來(lái)的信息，并記錄在數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)中，隨時(shí)為數(shù)據(jù)查詢(xún)提供服務(wù)。

監(jiān)控系統(tǒng)模塊：通過(guò)軟件，對(duì)車(chē)輛進(jìn)行各種管理，其中主要包括：車(chē)輛跟蹤、軌跡回放、線(xiàn)路規(guī)劃、車(chē)輛報(bào)警、信息交流等。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，整個(gè)系統(tǒng)在信息流轉(zhuǎn)的過(guò)程中，車(chē)輛在行駛過(guò)程中不斷產(chǎn)生數(shù)據(jù)，北斗衛(wèi)星系統(tǒng)與車(chē)輛上的北斗衛(wèi)星系統(tǒng)接收模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，不斷傳輸位置信息，車(chē)輛上的車(chē)載終端將信息匯總后，形成數(shù)據(jù)包，進(jìn)而通過(guò)2G/3G/4G不同的蜂窩網(wǎng)絡(luò)傳輸至遠(yuǎn)程的服務(wù)器中，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程交互；遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)集服務(wù)器在收到信息后，會(huì)及時(shí)解析數(shù)據(jù)字段，將剝離數(shù)據(jù)的有效信息，按照數(shù)據(jù)庫(kù)的字段進(jìn)行分類(lèi)存儲(chǔ)，保證數(shù)據(jù)的可用性；監(jiān)控系統(tǒng)會(huì)從數(shù)據(jù)服務(wù)器中根據(jù)需要調(diào)取所需數(shù)據(jù)。

從圖1中可以看出，在整個(gè)系統(tǒng)中，利用北斗衛(wèi)星的定位技術(shù)，獲取準(zhǔn)確可用的地理數(shù)據(jù)，同時(shí)采集車(chē)輛的傳感數(shù)據(jù)，包括溫度、濕度、油壓、油量等等，這些數(shù)據(jù)作為車(chē)載終端的輸入RS232信號(hào)，以模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)的形式出現(xiàn)，而車(chē)輛的路線(xiàn)、時(shí)間、速度和位置數(shù)據(jù)則是輸出信號(hào)，也是以RS232的串口數(shù)據(jù)傳輸給2G/3G/4G模塊。數(shù)據(jù)從蜂窩網(wǎng)絡(luò)到服務(wù)的線(xiàn)路，采用HTTP、TCP和UDP的方式實(shí)現(xiàn)，保障了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽總鬏敗?/p>

2.2 關(guān)鍵技術(shù)

2.2.1 信息接收與數(shù)據(jù)處理技術(shù)

車(chē)載終端設(shè)備一般由北斗接收機(jī)、數(shù)據(jù)處理軟件和相應(yīng)的用戶(hù)設(shè)備等組成。它的主要作用是接收北斗衛(wèi)星發(fā)出的信號(hào)并解析出導(dǎo)航電文，通過(guò)計(jì)算得出自身的位置。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航電文中包含了衛(wèi)星的星歷、歷書(shū)、工作狀態(tài)、時(shí)間系統(tǒng)、星鐘運(yùn)行狀態(tài)、軌道攝動(dòng)改正、大氣折射改正和由C/A馬捕獲P碼等導(dǎo)航信息的數(shù)據(jù)碼。從這些信息中，我們可以獲得衛(wèi)星在坐標(biāo)系中的位置、時(shí)鐘、以及時(shí)鐘在任意時(shí)刻的修正值等信息，將衛(wèi)星的時(shí)鐘與接收機(jī)本身的時(shí)鐘進(jìn)行比較就可以獲得信號(hào)從衛(wèi)星到達(dá)接收機(jī)的時(shí)間，進(jìn)而可以計(jì)算出衛(wèi)星和接收機(jī)之間的大致距離——偽距[4]。

2.2.2 監(jiān)控軟件關(guān)鍵技術(shù)

監(jiān)控中心軟件使用B/S架構(gòu)，減少部署的成本，同時(shí)支持跨平臺(tái)的異地訪(fǎng)問(wèn)。使用PHP語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)與數(shù)據(jù)中心通信，通過(guò)Ajax技術(shù)實(shí)現(xiàn)異步接口訪(fǎng)問(wèn)，比如進(jìn)行單車(chē)跟蹤、系統(tǒng)報(bào)警、信息發(fā)送等功能。

2.2.3 地圖操作關(guān)鍵技術(shù)

目前系統(tǒng)采用百度地圖，使用百度地圖api進(jìn)行編程，并加入自定義的地圖元素，以適應(yīng)本系統(tǒng)的特有操作，比如路徑繪制、圖層顯示、路徑繪制。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)是基于低功耗的STM32的微處理器進(jìn)行設(shè)計(jì)，運(yùn)行在嵌入式系統(tǒng)中。而嵌入式系統(tǒng)在眾多場(chǎng)合的應(yīng)用也非常廣泛[5]。嵌入式系統(tǒng)的軟件和硬件往往是緊密結(jié)合的，因此隨著應(yīng)用領(lǐng)域和硬件設(shè)備的千差萬(wàn)別，嵌入式系統(tǒng)的軟件也隨著變化多樣，因此很難對(duì)嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行一個(gè)十分明確的分類(lèi)。嵌入式系統(tǒng)的軟件可以分為如圖2所示的中間層、系統(tǒng)軟件層、應(yīng)用軟件層。

中間層是是嵌入式系統(tǒng)硬件和軟件之間的橋梁，鏈接了軟件運(yùn)行和硬件基礎(chǔ)，對(duì)外提供一系列接口，比如中斷運(yùn)行、定時(shí)器接口、設(shè)備初始化、地址映射等等，尤其是適配硬件基礎(chǔ)的驅(qū)動(dòng)程序。

系統(tǒng)軟件層主要實(shí)現(xiàn)對(duì)資源的訪(fǎng)問(wèn)和管理，完成任務(wù)調(diào)度，支持應(yīng)用軟件的運(yùn)行及開(kāi)發(fā)。往往通過(guò)移植較為成熟的操作系統(tǒng)來(lái)縮短開(kāi)發(fā)周期和確保穩(wěn)定性。

應(yīng)用軟件層位于嵌入式系統(tǒng)的最頂層，決定了嵌入式系統(tǒng)的具體功能，直接與用戶(hù)進(jìn)行交互。應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)的好壞，很大程度決定了嵌入式整個(gè)系統(tǒng)的可靠性，會(huì)影響到系統(tǒng)中資源的分配使用，為此，應(yīng)用軟件具有十分重要的地位。

3.2 微處理器設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)結(jié)合嵌入式系統(tǒng)的特征，選用STM32F103ZET6的芯片作為微處理器，該芯片的功耗較低，內(nèi)核采用ARM32位的CortexTM-M3CPU，CortexM3是ARM公司推出的基于A(yíng)RMv7架構(gòu)的新一代微處理器，該處理器的指令和數(shù)據(jù)都有自己獨(dú)自的一條總線(xiàn)，存儲(chǔ)器中的指令和數(shù)據(jù)可以同時(shí)被讀取，因此對(duì)多個(gè)操作并行執(zhí)行，能夠提高應(yīng)用程序的執(zhí)行速度[6]。其速度比目前廣泛使用的ARM7架構(gòu)快了三分之一，功耗卻沒(méi)有提高，而是降了四分之三，體積也隨之減小，更能方便集成到更小的芯片電路中，能夠?qū)崿F(xiàn)更小尺寸的產(chǎn)品設(shè)計(jì)。

3.3 北斗接收模塊設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用聯(lián)星CC50-BG型號(hào)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航模塊，能夠?qū)崟r(shí)接收北斗衛(wèi)星和GPS導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào)，能夠?qū)崿F(xiàn)衛(wèi)星數(shù)據(jù)的接收、授時(shí)服務(wù)以及串口輸出等功能，能夠廣泛應(yīng)用于交通、導(dǎo)航、人員追蹤等場(chǎng)合。

在設(shè)計(jì)本模塊進(jìn)行獲取數(shù)據(jù)的時(shí)候，接收天線(xiàn)的安裝位置要保證天線(xiàn)的視野足夠大；不要直接用手拿取CC50- -BG模塊，以防靜電損壞芯片；盡量避免其他電磁波對(duì)天線(xiàn)和CC50-BG模塊的干擾；如果用戶(hù)需要使用模塊的熱啟動(dòng)功能，需保證模塊外部供電不能斷開(kāi)。根據(jù)上述硬件設(shè)計(jì)要求。

硬件確定好后，還需要確立通信協(xié)議。由于采用GPRS的方式進(jìn)行通信，因此通信協(xié)議應(yīng)該使得每一幀盡量簡(jiǎn)潔以減少數(shù)據(jù)流量。但是，對(duì)于嵌入式系統(tǒng)而言，我們還需要考慮另一個(gè)因素，那就是嵌入式設(shè)備的處理能力的問(wèn)題，通信協(xié)議應(yīng)該使嵌入式模塊在打包和拆解包的過(guò)程中不需要復(fù)雜的計(jì)算和處理過(guò)程。

協(xié)議幀分為三部分：幀頭、正文，結(jié)束標(biāo)志。對(duì)于不同類(lèi)型的信息，協(xié)議幀的正文部分不同，甚至可能省略，但是幀頭和結(jié)束標(biāo)志是統(tǒng)一的。幀頭和結(jié)束標(biāo)志對(duì)于所有通信幀都是一致的，幀頭包括幀序號(hào)、目的站號(hào)、源站號(hào)、操作碼、操作狀態(tài)。

3.4 電源模塊設(shè)計(jì)

GPRS芯片的VBAT電源管腳電壓范圍3.4～4.5V，芯片文檔推薦的電壓是4.0V，而供電電壓滿(mǎn)足芯片的最大工作電流，否則在發(fā)射或者模塊初始化階段可能造成電壓急劇下降而導(dǎo)致復(fù)位甚至死機(jī)。所以GPRS芯片的供電電源一定要能夠提供2A以上的電流。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該在電源管腳上放置兩個(gè)電容，一個(gè)1～10uF的瓷片電容，然后再并行連接一個(gè)100uF的鉭電容， PCB布線(xiàn)的時(shí)候讓這兩個(gè)電容靠近電源管腳，減少紋波影響。

由于GPRS芯片工作時(shí)電流變化如此之大，如果和STM32和北斗衛(wèi)星模塊共用一個(gè)電源則可能造成過(guò)大的電壓起伏，而北斗衛(wèi)星模塊的文檔中也提到定位的精度和電源的波動(dòng)也會(huì)有一定的影響，再加上GPRS芯片典型電壓值為4.0V，而STM32的最大供電電壓僅為3.6V。因此，將GPRS芯片與其他模塊分割開(kāi)來(lái)單獨(dú)供電。

3.5 軟件設(shè)計(jì)

3.5.1 狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖

本文根據(jù)系統(tǒng)需要，實(shí)現(xiàn)車(chē)輛信息數(shù)據(jù)的數(shù)字化管理，根據(jù)要完成的功能完成圖3的軟件狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖。

圖3中包括了多種不同情形的狀態(tài)，主要針對(duì)系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中的狀態(tài)切換，根據(jù)收到指令和數(shù)據(jù)的不同，進(jìn)入到不同的切換狀態(tài)，保證程序數(shù)據(jù)的穩(wěn)定可靠。根據(jù)狀態(tài)圖可以方便編寫(xiě)運(yùn)行程序，首先當(dāng)系統(tǒng)開(kāi)機(jī)后，系統(tǒng)會(huì)初始化外圍硬件，包括串口的波特率初始化、GPIO的輸出輸入方向配置、運(yùn)行頻率等；一旦系統(tǒng)收到北斗衛(wèi)星的信號(hào)數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)解析整合到緩沖區(qū)后，通過(guò)TCP的方式傳輸給下端模塊；如果是接收到指令，則根據(jù)指令的不同類(lèi)型執(zhí)行不同的子任務(wù)，然后診斷傳輸是否出現(xiàn)問(wèn)題，如果一切正常的話(huà)，繼續(xù)往下執(zhí)行。

3.5.2 中斷處理

STM32的NVIC支持通過(guò)搶占優(yōu)先級(jí)和子優(yōu)先級(jí)來(lái)區(qū)分中斷。高搶占優(yōu)先級(jí)的中斷可以打斷低搶占優(yōu)先級(jí)的中斷，構(gòu)成嵌套中斷。而相同搶占優(yōu)先級(jí)的中斷不會(huì)彼此打斷，當(dāng)同時(shí)有多個(gè)相同搶占優(yōu)先級(jí)的中斷時(shí)，優(yōu)先響應(yīng)子優(yōu)先級(jí)高的中斷。因此可以利用高搶占優(yōu)先級(jí)可以打斷低搶占優(yōu)先級(jí)中斷的這一特性來(lái)保證軟件的實(shí)時(shí)性。讓對(duì)實(shí)時(shí)性要求高的任務(wù)打斷對(duì)實(shí)時(shí)性要求低的任務(wù)。

在本文中，根據(jù)北斗數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^(guò)程涉及到的業(yè)務(wù)情況，在程序中設(shè)計(jì)了本系統(tǒng)的中斷處理機(jī)制，具體過(guò)程如圖所示：

（1）確定各業(yè)務(wù)的實(shí)時(shí)等級(jí)，安排在不同的優(yōu)先級(jí)，分配不同的中斷級(jí)別；

（2）使能外設(shè)的相應(yīng)中斷，配置寄存器的中斷使能位，同時(shí)開(kāi)啟GPIO端口的時(shí)鐘；

（3）初始化NVIC_InitTypeDef結(jié)構(gòu)體，調(diào)用NVIC_IRQChannelPreemptionPriority（）函數(shù)設(shè)置搶占優(yōu)先級(jí)和響應(yīng)優(yōu)先級(jí)，配置中斷優(yōu)先級(jí)分組，調(diào)用NVIC_IRQChannelCmd（）函數(shù)使能中斷請(qǐng)求，調(diào)用NVIC_IRQChannel（）函數(shù)設(shè)置不同的中斷源；

（4）在stm32f0xx_it.c中編寫(xiě)中斷服務(wù)函數(shù)，根據(jù)給出的中斷向量表，定制對(duì)應(yīng)業(yè)務(wù)的中斷服務(wù)函數(shù)。

4 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的基于北斗導(dǎo)航的車(chē)輛信息管理系統(tǒng)，在微控制器STM32構(gòu)成的嵌入式系統(tǒng)下，通過(guò)與北斗衛(wèi)星模塊進(jìn)行通信，獲取實(shí)時(shí)的衛(wèi)星數(shù)據(jù)，掌握車(chē)輛的軌跡數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)通過(guò)GPRS的蜂窩網(wǎng)絡(luò)，遠(yuǎn)程傳輸?shù)胶笈_(tái)的數(shù)據(jù)服務(wù)器，服務(wù)器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析處理，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)輛信息的數(shù)字化管理，提高車(chē)輛信息管理的安全性與便捷性。

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