楊愛鶴

(上海移為通信技術(shù)有限公司，上海 200233)

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)行車記錄儀的優(yōu)化設(shè)計

楊愛鶴

(上海移為通信技術(shù)有限公司，上海 200233)

闡述了北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀與行車記錄儀發(fā)展趨勢，結(jié)合國標(biāo)及交通運輸部部標(biāo)對行車記錄儀的要求，給出北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)行車記錄儀的硬件、軟件設(shè)計思路，并為GNSS(全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng))定位數(shù)據(jù)漂移、數(shù)據(jù)處理與傳輸?shù)汝P(guān)鍵點提供了解決方法。產(chǎn)品已通過交通運輸信息工程質(zhì)量檢測中心檢測。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)；行車記錄儀；漂移；數(shù)據(jù)傳輸；數(shù)據(jù)處理；流量控制

引 言

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是我國自主發(fā)展、獨立運行的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，系統(tǒng)建設(shè)目標(biāo)是建成獨立自主、開放兼容、技術(shù)先進(jìn)、穩(wěn)定可靠、覆蓋全球的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，促進(jìn)衛(wèi)星導(dǎo)航產(chǎn)業(yè)鏈形成，并完善國家衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用產(chǎn)業(yè)支撐、推廣和保障體系，推動衛(wèi)星導(dǎo)航在國民經(jīng)濟(jì)社會各行業(yè)的廣泛應(yīng)用。

行車記錄儀作為車輛管理、調(diào)度、安全保障、交通事故判定等方面的有效工具，在歐盟、日本等國家70年代就開始以立法形式在部分客運車輛及貨車上強制安裝使用。我國自80年代后期開始研制使用汽車行駛記錄儀，2003年推出推薦性國家標(biāo)準(zhǔn)《汽車行駛記錄儀》(GB/T 19056)。2014年初中華人民共和國交通運輸部發(fā)布《道路運輸車輛動態(tài)監(jiān)督管理辦法》(中華人民共和國交通運輸部、中華人民共和國公安部、國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局令2014年第5號)，要求公路營運的載客汽車、危險貨物運輸車輛、半掛牽引車及重型載貨汽車(總質(zhì)量為12噸以上的普通貨運車輛)在2015年12月31日前全部安裝、使用衛(wèi)星定位裝置，并接入道路貨運車輛公共平臺。隨著北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的日益完善，行車記錄儀已進(jìn)入成熟、必備使用階段。

隨著北斗系統(tǒng)空間端和地基增強系統(tǒng)的不斷建設(shè)，北斗系統(tǒng)在信號捕獲、信號跟蹤、高精度授時、定位精度、抗干擾力等技術(shù)方面先后取得多項重大突破，成為繼美國全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GPS)和俄羅斯全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GLONASS)之后的第三個成熟的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。交通運輸作為北斗的主要應(yīng)用領(lǐng)域，成為軍民融合式北斗應(yīng)用推廣的排頭兵。

2011年10月交通運輸部啟動了“重點運輸過程監(jiān)控管理服務(wù)示范系列工程”，標(biāo)志著交通運輸領(lǐng)域北斗應(yīng)用示范工程正式啟動實施，率先應(yīng)用于重點營運車輛監(jiān)控管理。該項目涉及“兩客一?！边\輸車輛(包括旅游包車、長途班線客車和危險化學(xué)品運輸車)、應(yīng)急保障車輛、重載普貨車輛等重點營運車輛，通過北斗系統(tǒng)提高運輸過程超速、疲勞駕駛、非法運營等違法違規(guī)行為的監(jiān)控能力，提升管理水平，減少交通事故，提高經(jīng)濟(jì)效益，同時驗證北斗系統(tǒng)性能指標(biāo)。行車記錄儀即是該工程的具體產(chǎn)品。

1 行車記錄儀功能概述

行車記錄儀具有下述功能：具有數(shù)據(jù)記錄功能，可以記錄行駛速度、位置信息、照片、錄音、駕駛?cè)松矸?、里程、安裝參數(shù)等；具有分析判斷功能，通過屏幕或語音為用戶發(fā)出安全警示，如疑點、超時、非法駕駛、超速、速度狀態(tài)異常等；感知車輛狀態(tài)，如車門、供電、車燈、引擎、點火裝置、制動等；具備鎖定、鑒權(quán)，以及對駕駛員進(jìn)行身份認(rèn)證功能；具備自檢功能，可以自動檢查衛(wèi)星定位及通信模塊工作狀態(tài)、主電狀態(tài)、衛(wèi)星定位天線、外設(shè)等是否工作正常，并告知用戶自檢結(jié)果。除此之外，設(shè)備可以定位并接收位置數(shù)據(jù)，通過串口對設(shè)備進(jìn)行輸出和配置，SD、USB進(jìn)行數(shù)據(jù)輸出、參數(shù)修改、固件更新；固件更新、參數(shù)修改過程中遇到掉電等意外情況時支持自動恢復(fù)功能，保證更新失敗時終端能夠正常使用。

為方便管理與監(jiān)控，監(jiān)控中心可以通過無線網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程對設(shè)備進(jìn)行參數(shù)配置與修改、查詢或執(zhí)行特定操作，并實現(xiàn)設(shè)備在監(jiān)控中心注冊和注銷功能、固件更新功能、終端的復(fù)位或恢復(fù)出廠設(shè)置等功能。設(shè)備的拍照、錄音功能確保了行駛安全與道路交通事故的鑒定與分析更準(zhǔn)確無誤。

2 硬件架構(gòu)

根據(jù)上述功能，可以設(shè)計出硬件基本架構(gòu)。因有遠(yuǎn)程監(jiān)控和人機(jī)界面交互功能，項目采用了移遠(yuǎn)通信模塊M10，負(fù)責(zé)遠(yuǎn)程通信、MMI人機(jī)界面交互、錄音以及電話功能；主芯片采用基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的微控制器LPC1788，進(jìn)行拍照、數(shù)據(jù)采集與存儲以及事件狀態(tài)判斷；北斗芯片采用和芯星通UM220。為支持掉電、事故等意外情況時設(shè)備能夠自動恢復(fù)功能并及時保存實時數(shù)據(jù)，項目采用了鐵電存儲器，以加快訪問速度，并保證數(shù)據(jù)在各種惡劣環(huán)境下可以長時間保存。原理框圖如圖1所示。

圖1

3 軟件關(guān)鍵技術(shù)分析及對策

LPC1788采用單一進(jìn)程掛載FATFS文件系統(tǒng)的軟件架構(gòu)(無操作系統(tǒng))，采集、分析、存取各種數(shù)據(jù)。在實際使用中，會遇到以下問題。

3.1 GNSS定位漂移

當(dāng)前正式運營的導(dǎo)航系統(tǒng)北斗二號采用無源時間測距技術(shù)進(jìn)行定位。理論上，用戶接收至少4顆導(dǎo)航衛(wèi)星發(fā)出的信號，根據(jù)信號傳輸時間測定用戶到這些衛(wèi)星的距離，依據(jù)三球交匯的原理，用戶終端自行計算得出其三維坐標(biāo)與速度。而在實際使用中存在各種因素導(dǎo)致衛(wèi)星測量誤差出現(xiàn)定位漂移，如星歷誤差(衛(wèi)星位置誤差)、衛(wèi)星時鐘誤差、大氣傳播延遲修正殘差、天線多路徑效應(yīng)誤差、高程量取誤差、接收機(jī)測距誤差及其本身的噪聲等。

本項目除使用AGPS獲取完整星歷(衛(wèi)星位置、速度)以使用更多衛(wèi)星改善DOP值(精度因子)外，采用以下組合方案進(jìn)行改善：

首先，在北斗芯片冷啟動定位成功后丟掉前5個點，此時的點為上次啟動芯片最后一次成功定位的點位置，以避免硬件上電初期的不穩(wěn)定或廠家為縮短定位時間而采取快速定位的策略導(dǎo)致定位不準(zhǔn)，保持位置信息的延續(xù)性。

其次，設(shè)置速度最大閥值，若NMEA速度超過該值則直接丟棄該點。例如地面最快的跑車速度也不會超過350 km/h, 若超過此值則屬漂移直接丟棄該點，或兩點距離(每秒取點)超過此值則丟棄后一點。

再次，設(shè)置速度最小閥值，若NMEA速度或兩點相對速度小于該值則判定設(shè)備靜止，強制速度為0，位置信息采用上次點數(shù)據(jù)，從而消除靜態(tài)漂移。重力加速傳感器感知車輛是否運動，與點火器配合使用，可獲得車輛靜止熄火信息，此時需設(shè)置定位信息為同一點，可在一定條件下避免靜態(tài)漂移。因車速傳感器無法區(qū)分拖車狀態(tài)，不能作為車輛靜止標(biāo)志和消除漂移的參考條件。

3.2 數(shù)據(jù)處理

根據(jù)硬件特性，LPC1788自帶片上NVRAM和EEPROM，另增加鐵電存儲器，并支持SD卡和U盤。片上NMVRM用于存放遠(yuǎn)程升級代碼，設(shè)備初始值和配置參數(shù)(車輛信息、狀態(tài)量配置信息、脈沖系數(shù)、初次安裝日期、超速閥值等)；鐵電存儲器用于保存臨時變量(多媒體ID、駕駛員登入最后一次時間、駕證等)、0.2 s間隔的速度傳感器速度、狀態(tài)信號、位置信息；SD卡、U盤用于本地固件更新與參數(shù)修改，并以文件形式存放處理過的各種數(shù)據(jù)。

處理過的數(shù)據(jù)分別按發(fā)生事件的不同存在不同的文件里：外部電源的插拔、駕駛員登入/登出、參數(shù)修改、疑點發(fā)生、疲勞駕駛、行駛速度、位置信息。拍照和錄音按不同的事件(定時、定距、劫警、平臺等)也存放于各自目錄下，如圖2所示。

圖 2

此處特別說明多媒體數(shù)據(jù)處理。多媒體數(shù)據(jù)可本地保存或立即上傳監(jiān)控中心。為確保實時數(shù)據(jù)完整上傳，須建立臨時多媒體文件存于相應(yīng)目錄下，平臺確認(rèn)接收完整后自動刪除。多媒體文件可以按類型、通道、時間、事件類型的不同需求檢索上傳，除時間可從文件屬性中獲得，項目對其實行命名規(guī)則(媒體文件名規(guī)定為4字節(jié))以識別其他要素，如圖3所示。還需注意，圖片數(shù)據(jù)量與拍攝場景復(fù)雜度、壓縮率、象素有關(guān)，定時、定距拍攝間隔的設(shè)置應(yīng)加以限制，以避免因數(shù)據(jù)量過大即進(jìn)行下一個多媒體文件的操作而造成丟失數(shù)據(jù)。

圖 3

處理過的數(shù)據(jù)會根據(jù)不同的需要寫入SD卡中。其中，速度、位置信息需要定時寫入，疑點、疲勞駕駛、拍照、速度狀態(tài)等文件需等事件發(fā)生后寫入。這存在一定概率的文件寫沖突，造成文件亂碼或存儲位置錯誤。由于是單線程，在解析、執(zhí)行操作命令時，也可能因中斷響應(yīng)造成漏存數(shù)據(jù)。要解決該問題，可設(shè)置存放采集數(shù)據(jù)的RAM部分冗余，在其他文件寫時，采集到的數(shù)據(jù)仍可繼續(xù)存于RAM中，避開寫沖突。

因存儲空間有限，保存文件需要自清理。以位置信息文件為例，預(yù)留雙倍指定容量，一為正式文件，另一為備份文件。當(dāng)正式文件存滿時，將正式文件的內(nèi)容復(fù)制至備份文件并清空，后續(xù)數(shù)據(jù)繼續(xù)存入正式文件；若正式文件再次存滿，則刪除備份文件，再次將正式文件內(nèi)容備份并清空以做后續(xù)數(shù)據(jù)存儲。流程如圖4所示。

圖 4

3.3 數(shù)據(jù)傳輸

從圖1中可以看出，M10、北斗和前面板三個串口可以同時向LPC1788發(fā)送數(shù)據(jù)。LPC1788在單線程且內(nèi)存有限的情況下，會因中斷響應(yīng)、處理流程等原因丟失數(shù)據(jù)，如LPC1788處理照片上傳時，M10錄音數(shù)據(jù)需要保存。解決此類問題，可以使用每包雙向確認(rèn)進(jìn)行可靠連接傳輸，但該過程復(fù)雜、運行效率不高。項目采用面向非連接協(xié)議，直接發(fā)包，除設(shè)置其中斷優(yōu)先級外，還需增加流量控制，為LPC1788留出處理時間，增強數(shù)據(jù)傳送可靠性。

此處設(shè)置北斗數(shù)據(jù)接收中斷為最高優(yōu)先級，M10其次，前面板最低。M10和LPC1788分別用GPIO模擬RTS(Request to Send)可以接收數(shù)據(jù)和CTS(Clear to Send)允許發(fā)送數(shù)據(jù)。M10、LPC1788每次發(fā)送數(shù)據(jù)前，查詢本地CTS是否可以發(fā)送數(shù)據(jù)。當(dāng)M10、LPC1788接收數(shù)據(jù)超過閥值時，置位本地RTS，禁止對方發(fā)送數(shù)據(jù)；處理就緒，即清除本地RTS允許接收數(shù)據(jù)。因M10與LPC1788通信采用面向非連接協(xié)議，所以存在因誤碼而丟包的概率?？梢酝ㄟ^監(jiān)控平臺發(fā)補包和命令補包，也可自行內(nèi)部補包，提高上傳平臺效率及平臺感受。以多媒體拍照數(shù)據(jù)實時上傳為例，首先拍照存臨時文件，然后分包傳送數(shù)據(jù)，并開啟緩沖發(fā)送隊列。當(dāng)遇到CTS為高時，將上傳多媒體ID與未上傳的分包序號存入隊列，退出與M10的數(shù)據(jù)發(fā)送流程，并在主函數(shù)中不斷輪詢CTS。當(dāng)CTS為低時，相關(guān)參數(shù)出隊列，重新執(zhí)行與M10的數(shù)據(jù)傳送，在已存儲的臨時文件中按分包序號查找起始地址，組包發(fā)送數(shù)據(jù)。

結(jié) 語

本文分析了北斗行車記錄儀的主要功能和設(shè)計思路，以及在研發(fā)過程中遇到的一些關(guān)鍵問題，并提出解決方案。目前，該項目產(chǎn)品(見圖5)已通過交通運輸信息工程質(zhì)量檢測中心檢測，進(jìn)入道路貨運車輛公共監(jiān)管與服務(wù)平臺工作終端技術(shù)支持小組檢測，以及CCC認(rèn)證。

圖 5

[1] JT/T 808— 2013道路運輸車輛衛(wèi)星定位系統(tǒng)北斗兼容車載終端通訊協(xié)議技術(shù)規(guī)范[S].

[2] JT/T 794—2013道路運輸車輛衛(wèi)星定位系統(tǒng) 北斗兼容車載終端技術(shù)規(guī)范[S].

[3] GB/T 19056— 2012汽車行駛記錄儀[S].

[4] 劉基余.GPS導(dǎo)航定位原理和方法[M].北京：科學(xué)出版社，2003.

[5] 譚浩強.C語言程序設(shè)計[M].北京：清華大學(xué)出版社，1993.

楊愛鶴，授權(quán)專利《手機(jī)上模擬電視分屏現(xiàn)象的解決方法》(專利號200710170943)發(fā)明人，《在手機(jī)上實現(xiàn)觸摸鍵靈敏度調(diào)節(jié)的方法》(專利號200710043543)發(fā)明人，現(xiàn)在上海移為通信有限公司從事衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用產(chǎn)品的研發(fā)。

參考文獻(xiàn)

[1] Intel.Intel X Scale microarchitecture,2001.

[2] Zhang C,Vahid F,Najjar W.A Highly-configurable Cache Architecture for Embedded Systems[J].ACM SIGARCH Computer Architecture News,2003,31(2):136-146.

[3] Albonesi D H.Selective Cache Ways：On-demand Cache Resource Allocation[J].Journal of Instruction Level Parallelism,2000:248-259.

[4] Zhang C,Vahid F,Najjar W.Energy Benefits of a Configurable Line Size Cache for Embedded Systems[C]//IEEE International Symposiumon VLSI Design,2003.

[5] Malik A,Moyer B,Cermak D.A Low Power Unified Cache Architecture Providing Power and Performance Flexibility[C]//Proceedings of the 2000 International Symposium on Low Power Electronics and Design,2000:241-243.

[6] S-H Yang,M D Powell,et al.An Integrated Circuit/ Architecture Approach to Reducing Leakage in Deep-submicron High-performancei-Caches[C]//The 7th IEEE Symp on High-Performance Computer Architecture,Nuevo Leone,Mexico,2001.

[7] 鄭緯民,湯志忠.計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)[M].2版.北京：清華大學(xué)出版社,1998.

何青松(工程師)，研究方向為信息安全。

(責(zé)任編輯：薛士然 收稿日期：2014-09-26)

Optimization Design of Vehicle Traveling Data Recorder Based on BeiDou Navigation Satellite

Yang Aihe

(Queclink Wireless Solutions Co., Ltd.,Shanghai 200233,China)

This article introduces the current situation of BeiDou navigation satellite system and the development trend of vehicle traveling data recorder.Combining with the national standard GB/T 19056 and the requirement of vehicle traveling data recorder from ministry of transport,the article provides the design solution including hardware and software.The design gives the solution about some key points such as GNSS (Global Navigation Satellite System) location data drift,data processing and transmission.The finished product has passed China transport telecommunications&information center detection.

BeiDou navigation satellite system;vehicle traveling data recorder;drifting;data transmission;data process;flow control

TP273

A

?迪娜

2014-10-20)