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(shí)急時(shí)，美國(guó)可以在GPS系統(tǒng)中加入誤差甚至關(guān)閉GPS信號(hào)。從戰(zhàn)略安全、經(jīng)濟(jì)利益等方面，國(guó)家必將全力推廣北斗系統(tǒng)的應(yīng)用。目前北斗二號(hào)系統(tǒng)已經(jīng)覆蓋亞太運(yùn)行，各行業(yè)的北斗二號(hào)示范工程開展迅速，因此十分有必要采用北斗模塊設(shè)計(jì)車載監(jiān)控終端。

1 監(jiān)控系統(tǒng)總體架構(gòu)

整個(gè)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(shí)別（Radio Frequency Identification，RFID）、GIS、數(shù)據(jù)庫(kù)、計(jì)算機(jī)控制等多項(xiàng)現(xiàn)代信息技術(shù)，將用車人信息、運(yùn)行狀態(tài)、實(shí)時(shí)位置以及車輛速度等數(shù)據(jù)上傳到管理中心，實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛狀態(tài)和位置監(jiān)控，完成車輛的科學(xué)調(diào)度，并對(duì)人員用車情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)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(yùn)營(yíng)成本。

1.1 管理中心

管理中心的主要功能有身份識(shí)別、區(qū)域限行、實(shí)時(shí)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(kù)服務(wù)器、地圖服務(wù)器、存儲(chǔ)陣列支撐平臺(tái)、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(cè)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(shí)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(jì)

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(shí)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(jì)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(jì)。

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(shí)間和方向信息由BD/GPS定位模塊提供，而車輛發(fā)動(dòng)機(jī)的行使/停止、點(diǎn)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(shí)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(shí)時(shí)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(shí)候，硬件電路自動(dòng)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(jì)，最大限度延長(zhǎng)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(gè)模塊的供電設(shè)計(jì)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(dòng)進(jìn)入對(duì)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(shí)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(bào)采集、統(tǒng)計(jì)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(jì)數(shù)據(jù)；接收來(lái)自管理中心的指令，如報(bào)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(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵功能有：接收并解析來(lái)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(lái)采集車輛使用者信息，同時(shí)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(jì)

3.1 功能業(yè)務(wù)設(shè)計(jì)

為滿足車載環(huán)境的監(jiān)控需要，設(shè)計(jì)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(hào)數(shù)據(jù)線，實(shí)時(shí)采集車輛啟動(dòng)/熄火、行駛/停止等狀態(tài)信息。

②里程統(tǒng)計(jì)：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(jì)算出車輛行駛的里程值，形成車輛實(shí)時(shí)、分段、連續(xù)的運(yùn)行里程。

③提示功能：通過讀卡器識(shí)別用車人信息，并傳輸?shù)焦芾碇行?，平臺(tái)識(shí)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(bào)管理中心。

④遠(yuǎn)程程序升級(jí)：終端采用IAP(In-Application Programming)技術(shù)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程程序升級(jí)。在應(yīng)用程序正常運(yùn)行的情況下對(duì)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(jí)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(shí)接收升級(jí)數(shù)據(jù)包，存放到Flash中；BOOT引導(dǎo)區(qū)的升級(jí)程序根據(jù)升級(jí)標(biāo)志讀取Flash中的升級(jí)程序包。成功寫入后，升級(jí)程序清除升級(jí)標(biāo)志位，更新版本號(hào)，然后跳轉(zhuǎn)到新用戶程序運(yùn)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(hào)、協(xié)議類型、超速報(bào)警門限值、節(jié)能模式時(shí)間門限值、電池異常時(shí)操作模式、清除報(bào)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(wú)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(gè)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(dòng)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(wú)法連接所有服務(wù)器時(shí)，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(chǔ)器中，保存一定時(shí)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(bào)警功能，報(bào)警信息能自動(dòng)發(fā)送到管理中心；報(bào)警將通過聲光形式提示；終端上緊急按鈕可實(shí)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(shí)現(xiàn)保密隱身。需要時(shí)，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(jì)

根據(jù)業(yè)務(wù)功能要求，統(tǒng)計(jì)內(nèi)外部事件個(gè)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(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)。各個(gè)任務(wù)的處理按照實(shí)現(xiàn)劃分優(yōu)先級(jí)進(jìn)行。為提高復(fù)用率，抽象出各個(gè)任務(wù)共性通用的代碼。整體設(shè)計(jì)基本思想是中斷捕獲-數(shù)據(jù)采集-消息驅(qū)動(dòng)-任務(wù)分發(fā)。為平衡響應(yīng)速度和資源占用，設(shè)計(jì)2級(jí)消息隊(duì)列，優(yōu)先級(jí)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(jì)

4.1 可靠性設(shè)計(jì)

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

4.2 EMC安全性設(shè)計(jì)

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(dòng)機(jī)點(diǎn)火啟動(dòng)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(jì)上對(duì)連線采用保險(xiǎn)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(shí)現(xiàn)終端在車載復(fù)雜環(huán)境下程序的穩(wěn)定運(yùn)行和數(shù)據(jù)的安全。

4.3 可維護(hù)性設(shè)計(jì)

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

5 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)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(lái)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(jì)，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(jì)措施，該終端成功量產(chǎn),并可靠穩(wěn)定運(yùn)行在一萬(wàn)多臺(tái)不同型號(hào)的車上。終端具備的強(qiáng)大功能如遠(yuǎn)程升級(jí)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(hào)接口控制文件》公開服務(wù)信號(hào)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(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].數(shù)字通信世界，2012,06:74～76.