基于北斗與GPS 的多模通信車載終端設(shè)計(jì)及應(yīng)用

師慶敏

（山東省德州市國(guó)防動(dòng)員辦公室，山東 德州 253000）

0 引 言

在信息時(shí)代背景下，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在交通運(yùn)輸行業(yè)、工業(yè)控制等領(lǐng)域中取得良好的應(yīng)用效果，為智能城市、智慧物流的搭建提供重要技術(shù)支持[1]。車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)作為一種常用的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，可以智能化管控汽車。互聯(lián)網(wǎng)經(jīng)濟(jì)雖然為傳統(tǒng)物流行業(yè)的創(chuàng)新發(fā)展提供前所未有的機(jī)遇，但是仍然存在社會(huì)物流總額不斷增加、交通運(yùn)輸速率慢、成本高等問(wèn)題。因此，需應(yīng)用北斗與全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS）雙模定位技術(shù)，設(shè)計(jì)一種適應(yīng)性強(qiáng)、安全性高、成本低的多模通信車載終端，將社會(huì)物流總額降到最低，促使物流產(chǎn)業(yè)向智能化、經(jīng)濟(jì)化方向不斷發(fā)展[2]。

1 雙模定位技術(shù)概述

1.1 全球定位系統(tǒng)

GPS 主要是基于衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)原理形成的一種全球性定位與導(dǎo)航技術(shù)。GPS 技術(shù)在智慧物流、智能制造等領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用效果。GPS 主要包括3 個(gè)部分：一是空間衛(wèi)星，包含備用衛(wèi)星和工作衛(wèi)星，這2 個(gè)部分衛(wèi)星主要位于20 194 km 高度的軌道上；二是地控中心，用于智能化監(jiān)控衛(wèi)星和衛(wèi)星軌道，含有主控站、地面天線、監(jiān)測(cè)站3 個(gè)部分；三是終端，用于實(shí)時(shí)獲取和處理定位數(shù)據(jù)、導(dǎo)航數(shù)據(jù)，并結(jié)合接口配置情況，向上層單元發(fā)送和傳輸相關(guān)數(shù)據(jù)[3]。

1.2 北斗定位系統(tǒng)

北斗定位系統(tǒng)作為一種常用的衛(wèi)星定位系統(tǒng)，主要包括靜止軌道衛(wèi)星、傾斜軌道同步衛(wèi)星、中地球軌道衛(wèi)星3 種。北斗定位終端作為一種常用的北斗產(chǎn)品，主要作用是實(shí)時(shí)接收和處理衛(wèi)星信號(hào)。該定位終端具有定位精確度高、通信能力強(qiáng)、編程接口多樣等特點(diǎn)，為用戶提供強(qiáng)大的位置服務(wù)功能[4]。

1.3 北斗與GPS 雙模定位技術(shù)

北斗與GPS 雙模定位技術(shù)將北斗定位系統(tǒng)與GPS 融合，保障定位效果。與傳統(tǒng)單模GPS 技術(shù)相比，雙模定位技術(shù)可以獲得良好的定位效果，廣泛應(yīng)用于城市交通、隧道等領(lǐng)域。該雙模定位技術(shù)可以從北斗衛(wèi)星和GPS 衛(wèi)星中獲取所需要的定位數(shù)據(jù)，從而提高衛(wèi)星定位精確度，進(jìn)而獲得更加準(zhǔn)確的定位結(jié)果[5]。目前，國(guó)內(nèi)所研發(fā)的定位和導(dǎo)航模塊，均用到北斗與GPS 雙模定位技術(shù)。因此，文章在設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)多模通信車載終端定位與導(dǎo)航模塊時(shí)，選用ST1612B 北斗/GPS 雙模芯片。

2 多模通信車載終端整體結(jié)構(gòu)與硬件設(shè)計(jì)

2.1 多模通信車載終端整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

多模通信車載終端的整體結(jié)構(gòu)如圖1 所示，主要包括以下5 個(gè)模塊。一是終端電源管理模塊，多模終端應(yīng)用外部電源輸入模塊時(shí)，可以為用戶提供多種可變電源，保證芯片穩(wěn)定性和電源輸入的及時(shí)性，促使多模終端能夠正常、穩(wěn)定、安全地運(yùn)行。二是定位模塊，多模終端通過(guò)運(yùn)用中的北斗/GPS 定位模塊，可以實(shí)時(shí)化、全面化采集當(dāng)前位置信息，避免遭受外界信源的干擾[6]。三是通信模塊，利用藍(lán)牙、以太網(wǎng)等多種通信技術(shù)，為多模終端提供海量數(shù)據(jù)傳輸、固件更新等多種功能，保障終端通信穩(wěn)定性和可靠性。四是存儲(chǔ)模塊，為提高多模終端運(yùn)行性能，需要設(shè)置安全數(shù)字存儲(chǔ)（Secure Digital memory ，SD）卡等多個(gè)存儲(chǔ)設(shè)備，提高終端存儲(chǔ)空間。五是數(shù)據(jù)采集模塊，需要將控制器局域網(wǎng)絡(luò)（Controller Area Network，CAN）接口和RS-485 接口設(shè)置在多模終端內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)車輛信息數(shù)據(jù)的全面化、實(shí)時(shí)化采集和整理。

圖1 多模通信車載終端整體結(jié)構(gòu)

2.2 多模通信車載終端邏輯設(shè)計(jì)

2.2.1 電源管理

在多模終端中，不同模塊對(duì)電源需求量存在一定的差異，因此需要采用電壓芯片轉(zhuǎn)換的方式，實(shí)時(shí)獲取電源輸入相關(guān)數(shù)據(jù)，確保終端芯片能夠正常穩(wěn)定運(yùn)行。多模終端通過(guò)運(yùn)用LM2596 系列芯片，獲得電壓為5.0 V和7.2 V的電源。為延長(zhǎng)外部電源使用壽命，避免該電源出現(xiàn)突然失效問(wèn)題，文章重點(diǎn)設(shè)計(jì)鋰電池供電模塊該模塊。主要選用充電芯片和升壓芯片2 種，為多模終端提供電能[7]。

2.2.2 外部存儲(chǔ)模塊

在設(shè)計(jì)外部存儲(chǔ)模塊時(shí)，多模終端新增的SD 卡具有存儲(chǔ)容量大等特點(diǎn)，主要用于存儲(chǔ)配置文件、日志文件等信息。SD 卡借助卡槽連接于多模終端中，方便用戶快速更新SD 卡。供電時(shí)，需要將終端電壓設(shè)置為3.3 V，并選用濾波電容的方式，保證供電的連續(xù)性和穩(wěn)定性[8]。

2.2.3 定位/通信模塊

雙模定位模塊對(duì)串行接口提供良好的支持效果，允許用戶自行設(shè)置所需要的波特率。供電電壓需要統(tǒng)一設(shè)置為3.3 V，運(yùn)行北斗與衛(wèi)星進(jìn)行通信編碼。同時(shí)，將天線設(shè)置在雙模定位模塊中，避免因定位信息環(huán)境較弱而降低模塊定位的精確度。另外，運(yùn)用以太網(wǎng)接口，有效連接媒體獨(dú)立接口與終端外部接口，確保終端在指定的場(chǎng)景下可以高效傳輸所需數(shù)據(jù)[9]。

2.2.4 數(shù)據(jù)采集模塊

多模終端選用的為TJA1050 型號(hào)芯片采集CAN外設(shè)數(shù)據(jù)，并將該芯片直接連接于CAN 總線，從而提高終端的可擴(kuò)展能力。TJA1050 芯片可以將數(shù)據(jù)傳輸速度控制為1 Mb/s，并為終端外部提供5 V 電壓，保證數(shù)據(jù)采集的高效性、智能性以及完整性。

3 多模通信車載終端系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 藍(lán)牙應(yīng)用程序

藍(lán)牙模塊的設(shè)計(jì)，可以為手機(jī)客戶端提供強(qiáng)大的數(shù)據(jù)查詢、運(yùn)貨車訂單管理等功能，可以將通用分組無(wú)線業(yè)務(wù)（General Packet Radio Service，GPRS）流量費(fèi)用降到最低，方便用戶借助多模終端智能化管理相關(guān)業(yè)務(wù)。通過(guò)采用命令幀設(shè)置方式，科學(xué)設(shè)置藍(lán)牙模塊的廣播時(shí)間間隔、連接參數(shù)、串口波特率等參數(shù)。利用多模終端，將命令幀發(fā)送并傳輸至藍(lán)牙模塊。此外，在命令模式下，命令幀發(fā)送時(shí)間間隔設(shè)置為50 ms，采用透?jìng)髂Ｊ剑踩?shí)時(shí)發(fā)送藍(lán)牙用戶數(shù)據(jù)。藍(lán)牙處理流程如圖2 所示。

圖2 藍(lán)牙處理流程

3.2 交通通信協(xié)議

消息封裝與解析為保證終端使用相同的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，提升可擴(kuò)展性，增加可編程性，終端系統(tǒng)中的每條消息都需要經(jīng)過(guò)封裝才能發(fā)送至服務(wù)器，并且也需要解析來(lái)自服務(wù)器的每條消息。消息封裝的每一步操作都至關(guān)重要，每一步操作都決定了服務(wù)端是否能夠正確地解析來(lái)自終端的應(yīng)用數(shù)據(jù)。若對(duì)部分內(nèi)容理解出錯(cuò)，如消息頭、消息轉(zhuǎn)義以及校驗(yàn)碼等，都將導(dǎo)致服務(wù)端解析失敗。當(dāng)服務(wù)器解析出來(lái)的數(shù)據(jù)與終端發(fā)送的數(shù)據(jù)不相同時(shí)，可對(duì)終端封裝消息的十六進(jìn)制形式進(jìn)行分析，并修正封裝流程，就可獲取正確的數(shù)據(jù)解析。 同樣，終端系統(tǒng)也需要解析來(lái)自服務(wù)器下發(fā)的消息內(nèi)容。一般情況下，當(dāng)通信模塊提示有消息到來(lái)時(shí)，終端系統(tǒng)就將消息放入消息解析函數(shù)，執(zhí)行解析操作。消息解析的主要工作包括判斷消息是否正確接收，即通過(guò)長(zhǎng)度和校驗(yàn)碼判斷，以及將接收到的消息轉(zhuǎn)義，獲取消息體，并根據(jù)消息頭包含的消息ID，將消息內(nèi)容轉(zhuǎn)發(fā)至與消息ID 相對(duì)應(yīng)的消息體執(zhí)行函數(shù)。

3.3 其他部分

3.3.1 打印機(jī)程序

多模終端所搭載的打印機(jī)主要用于統(tǒng)一打印司機(jī)信息、車輛信息、運(yùn)單信息等。利用打印機(jī)打印不同類信息時(shí)，需要結(jié)合打印需求，選用合適的組織方式，并調(diào)用相關(guān)打印函數(shù)，確保所調(diào)用的底層接口完全一致。

3.3.2 顯示器程序接口

顯示器程序接口主要用于完整化顯示終端狀態(tài)、顯示器菜單。利用顯示器顯示數(shù)據(jù)時(shí)，需要科學(xué)控制多模終端系統(tǒng)左右兩顆芯片，并借助控制線，將數(shù)據(jù)、命令發(fā)送至芯片。

4 多模通信車載終端設(shè)計(jì)應(yīng)用成果

多模終端在正常運(yùn)行狀態(tài)下，面板顯示如圖3所示。如果沒(méi)有進(jìn)行按鍵操作，終端運(yùn)行狀態(tài)保持不變，顯示器面板將長(zhǎng)時(shí)間停留于此。通過(guò)采用按鍵的方式，可以啟用菜單程序功能。

圖3 終端定位正常運(yùn)行狀態(tài)下面板顯示

當(dāng)終端定位出現(xiàn)故障，且GPRS 運(yùn)行穩(wěn)定時(shí)，出現(xiàn)的面板顯示情況如圖4 所示。從圖4 中可以看出，該面板中所顯示的顯示器時(shí)間為00:07:04，顯然與圖3 中的16:09:33 不符，因此該顯示器時(shí)間顯示異常，這說(shuō)明多模終端定位模塊無(wú)法實(shí)時(shí)成功定位和顯示數(shù)據(jù)。

在移動(dòng)車輛時(shí)，多模終端運(yùn)用GPRS 技術(shù)，將實(shí)時(shí)定位數(shù)據(jù)、CAN 數(shù)據(jù)等多種數(shù)據(jù)安全可靠地發(fā)送和傳輸至服務(wù)器，由服務(wù)器將地圖上數(shù)據(jù)發(fā)送情況呈現(xiàn)在用戶面前。在更新終端固件時(shí)，利用服務(wù)器發(fā)送和傳輸相關(guān)更新命令，并利用多模終端分析和判斷是否執(zhí)行更新。如果執(zhí)行更新，需要將固定件請(qǐng)求指令發(fā)送和傳輸至服務(wù)器，由服務(wù)器接收固件，并對(duì)終端固件進(jìn)行有效更新。主要運(yùn)用引導(dǎo)加載程序（Bootloader），保證固件更新實(shí)現(xiàn)效果，從而獲得如圖5 所示的終端更新日志，為后期串口工具的成功打印打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

圖5 終端更新日志

圖4 終端定位異常面板

5 結(jié) 論

文章運(yùn)用北斗與GPS 雙模定位技術(shù)，結(jié)合智慧物流、智能制造等行業(yè)的發(fā)展需求，完成對(duì)多模通信車載終端設(shè)計(jì)。首先，運(yùn)用GPRS 技術(shù)和藍(lán)牙技術(shù)等通信技術(shù)，為多模終端提供良好的通信環(huán)境。同時(shí)，借助外部存儲(chǔ)、顯示器、打印機(jī)等模塊，為多模終端提供強(qiáng)大的輔助功能。此外，借助GPS 位置信息、傳感器數(shù)據(jù)等多種數(shù)據(jù)，為多模終端提供豐富、實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)源，從而達(dá)到遠(yuǎn)程化管控車況和運(yùn)單的目的。最后，有效驗(yàn)證文章多模終端設(shè)計(jì)方案的有效性和可行性。