采用北斗模塊的車載監控終端設計與實現

潘未莊,陳石平

（廣州海格通信集團股份有限公司,廣州,510663）

0 引言

衛星導航系統發展迅速，已成為全球性的高新技術產業。目前基于GPS的車載監控終端容易受制于人，在戰時急時，美國可以在GPS系統中加入誤差甚至關閉GPS信號。從戰略安全、經濟利益等方面，國家必將全力推廣北斗系統的應用。目前北斗二號系統已經覆蓋亞太運行，各行業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計車載監控終端。

1 監控系統總體架構

整個車輛監控系統總體架構如圖1所示，由管理中心和車載監控終端兩部分組成。系統綜合BD/GPS衛星定位、GPRS、射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）、GIS、數據庫、計算機控制等多項現代信息技術，將用車人信息、運行狀態、實時位置以及車輛速度等數據上傳到管理中心，實現對車輛狀態和位置監控，完成車輛的科學調度，并對人員用車情況進行統計分析，為車輛監控管理提供有效數據，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、區域限行、實時監控、應急調度等。由防火墻、通信服務器、門戶服務器、數據庫服務器、地圖服務器、存儲陣列支撐平臺、管理軟件包等組成。

1.2 車載監控終端

終端通過BD模塊、RFID讀卡器等傳感器監測車輛的位置狀態，并以通過GPRS APN專線方式向通信服務器回傳信息,同時監聽管理中心指令，執行相關操作。

2 車載監控終端方案設計

車載監控終端原理框圖如圖2所示，由主機（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的指令切換定位模式，保證車載終端定位結果的準確性、可用性。車載監控終端電氣接口，物理接口和數據協議完全兼容現有的單GPS定位系統，設計上充分考慮到車載應用的電磁環境和溫度濕度特性，具備良好的電磁兼容性，靈活可配置的功耗模式，在定位數據的可用行、安全性和可靠性方面做了專門的優化設計。

圖2 車載監控終端原理框圖

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、經緯度位置、時間和方向信息由BD/GPS定位模塊提供，而車輛發動機的行使/停止、點火狀態等由IO轉換器直接采集。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，是實現車輛行駛軌跡監管的核心模塊。

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，由內置電池供電。并由通信數據傳輸模塊通知系統。電源管理方式采用低功耗設計，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轉換芯片；選用具備待機、休眠和關斷等節能模式的M3內核處理器；選用有休眠功能的外設及元器件；各個模塊的供電設計為可控，控制程序根據車輛行駛狀態和電池等綜合情況，自動進入對應的節能待機或者睡眠模式。

③數據傳輸單元

數據傳輸單元核心是GPRS模塊。GPRS模塊是和管理中心進行數據交互的接口，向管理中心傳輸數據，同時接收管理中心的指令、終端各種參數的設置。主要傳輸數據有：上報采集、統計的數據，如定位數據、車輛狀態數據、里程統計數據；接收來自管理中心的指令，如報警解除、緊急關閉、定位模式設置等。

④處理器單元

處理器單元是車載終端的控制核心。實現的關鍵功能有：接收并解析來自BD/GPS定位模塊數據；接收并解析車輛的狀態信息；負責GPRS模塊進行數據傳輸和其它外設控制等。

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內核處理器和RFID通用讀卡機專用芯片組成，通過串口連接控制單元。

3 車載終端軟硬件協同設計

3.1 功能業務設計

為滿足車載環境的監控需要，設計如下功能業務：

①車輛行駛軌跡監控：通過定位信息以及ACC等信號數據線，實時采集車輛啟動/熄火、行駛/停止等狀態信息。

②里程統計：根據定位信息，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，并傳輸到管理中心，平臺識別用車人的信息。如忘插卡或插入未授權卡，讀卡器通過蜂鳴器給出聲音提示，并上報管理中心。

④遠程程序升級：終端采用IAP(In-Application Programming)技術實現遠程程序升級。在應用程序正常運行的情況下對另外一段程序Flash進行讀寫操作，不影響終端功能的正常使用。管理中心下達遠程升級命令，終端處理器的接收程序與管理中心進行信息交互，同時接收升級數據包，存放到Flash中；BOOT引導區的升級程序根據升級標志讀取Flash中的升級程序包。成功寫入后，升級程序清除升級標志位，更新版本號，然后跳轉到新用戶程序運行新版本的程序。

⑤遠程參數設置：車載終端通過GPRS模塊，接收管理中心的指令，參數進行設置：關閉/開啟定位功能、設置數據上傳頻度、關閉/開啟GPRS上傳功能、管理中心主和備份服務地址和端口號、協議類型、超速報警門限值、節能模式時間門限值、電池異常時操作模式、清除報警狀態等，參數設置成功后保存到Flash中，參數設置后立即更新，無需重新上電。

⑥鏈路備份：終端上保存主通信服務器和多個備份通信服務器地址，當主通信服務器出現故障，終端自動連接到可用的備份通信服務器，保持數據傳輸的暢通完整。

⑦數據補登:當GPRS網絡故障，導致車載終端無法連接所有服務器時，車載終端將按照一定的策略記錄車輛信息數據到非易失性存儲器中，保存一定時間的車輛行駛軌跡數據，待GPRS網絡恢復正常通信后，將保存的數據補登到服務器上。

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隱蔽緊急告警。

⑨保密隱身：終端可根據管理中心的指令，關閉數據傳輸和定位功能，實現保密隱身。需要時，管理中心可以發送指令，讓終端恢復數據傳輸和定位功能。

3.2 軟硬件協同設計

根據業務功能要求，統計內外部事件個數，分析處理器中斷資源，建立任務處理模型，將中斷數據采集和中斷處理剝離，實現快速響應。各個任務的處理按照實現劃分優先級進行。為提高復用率，抽象出各個任務共性通用的代碼。整體設計基本思想是中斷捕獲-數據采集-消息驅動-任務分發。為平衡響應速度和資源占用，設計2級消息隊列，優先級固定。從邏輯上，主控軟件可以劃分了中斷域和處理域。中斷域負責響應中斷，采集數據；處理域負責數據處理。總體流程如圖3所示：

圖3 主控軟件流程示意圖

4 三性設計

4.1 可靠性設計

終端的可靠性設計考慮了車載環境嚴酷性，遵循軟硬件協同設計思想，元器件選型上嚴格篩選，在設計初期進行可靠性模型進行預計，提前發現可靠性缺陷；在軟件設計上進行了充分的測試驗證，包括從函數單元測試，模塊測試到整機軟件測試。

4.2 EMC安全性設計

現代車輛上電子設備愈發眾多，如車載影音系統，車載導航系統等，既不能干擾原有的車載電子設備，又不能被其所干擾。車載環境供電不穩，電磁條件惡劣。發動機點火啟動瞬間有高達600V的尖脈沖；車載供電范圍從8V到30V。車上通過在電源設計上對連線采用保險絲+差模平衡濾波，供電端進行壓敏電阻+TVS+扼流圈的保護組合實現終端在車載復雜環境下程序的穩定運行和數據的安全。

4.3 可維護性設計

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

5 結束語

針對目前車輛的監控管理以及北斗衛星導航系統的大力發展，提出來一種基于BD/GPS雙模衛星定位模塊的車載監控終端設計，介紹了車載監控終端的組成、功能和軟硬件。通過多重可靠性設計措施，該終端成功量產,并可靠穩定運行在一萬多臺不同型號的車上。終端具備的強大功能如遠程升級和參數設置等，極大降低了維護成本，十分適合車載環境應用。

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

[2]李軍煥.基于GPS/GPRS車載終端的設計與實現[J].數字通信世界，2012,06:74～76.