北斗衛星導航系統行車(chē)記錄儀的優(yōu)化設計

引言

北斗衛星導航系統是我國自主發(fā)展、獨立運行的全球衛星導航系統，系統建設目標是建成獨立自主、開(kāi)放兼容、技術(shù)先進(jìn)、穩定可靠、覆蓋全球的北斗衛星導航系統，促進(jìn)衛星導航產(chǎn)業(yè)鏈形成，并完善國家衛星導航應用產(chǎn)業(yè)支撐、推廣和保障體系，推動(dòng)衛星導航在國民經(jīng)濟社會(huì )各行業(yè)的廣泛應用。

行車(chē)記錄儀作為車(chē)輛管理、調度、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(kāi)始以立法形式在部分客運車(chē)輛及貨車(chē)上強制安裝使用。我國自80年代后期開(kāi)始研制使用汽車(chē)行駛記錄儀，2003年推出推薦性國家標準《汽車(chē)行駛記錄儀》(GB/T190 56)。2014年初中華人民共和國交通運輸部發(fā)布《道路運輸車(chē)輛動(dòng)態(tài)監督管理辦法》(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)監督管理總局令2014年第5號)，要求公路營(yíng)運的載客汽車(chē)、危險貨物運輸車(chē)輛、半掛牽引車(chē)及重型載貨汽車(chē)(總質(zhì)量為12噸以上的普通貨運車(chē)輛)在2015年12月31日前全部安裝、使用衛星定位裝置，并接入道路貨運車(chē)輛公共平臺。隨著(zhù)北斗衛星導航系統的日益完善，行車(chē)記錄儀已進(jìn)入成熟、必備使用階段。

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

2011年10月交通運輸部啟動(dòng)了“重點(diǎn)運輸過(guò)程監控管理服務(wù)示范系列工程”，標志著(zhù)交通運輸領(lǐng)域北斗應用示范工程正式啟動(dòng)實(shí)施，率先應用于重點(diǎn)營(yíng)運車(chē)輛監控管理。該項目涉及“兩客一危”運輸車(chē)輛(包括旅游包車(chē)、長(cháng)途班線(xiàn)客車(chē)和危險化學(xué)品運輸車(chē))、應急保障車(chē)輛、重載普貨車(chē)輛等重點(diǎn)營(yíng)運車(chē)輛，通過(guò)北斗系統提高運輸過(guò)程超速、疲勞駕駛、非法運營(yíng)等違法違規行為的監控能力，提升管理水平，減少交通事故，提高經(jīng)濟效益，同時(shí)驗證北斗系統性能指標。行車(chē)記錄儀即是該工程的具體產(chǎn)品。

1 行車(chē)記錄儀功能概述

行車(chē)記錄儀具有下述功能：具有數據記錄功能，可以記錄行駛速度、位置信息、照片、錄音、駕駛人身份、里程、安裝參數等;具有分析判斷功能，通過(guò)屏幕或語(yǔ)音為用戶(hù)發(fā)出安全警示，如疑點(diǎn)、超時(shí)、非法駕駛、超速、速度狀態(tài)異常等;感知車(chē)輛狀態(tài)，如車(chē)門(mén)、供電、車(chē)燈、引擎、點(diǎn)火裝置、制動(dòng)等;具備鎖定、鑒權，以及對駕駛員進(jìn)行身份認證功能;具備自檢功能，可以自動(dòng)檢查衛星定位及通信模塊工作狀態(tài)、主電狀態(tài)、衛星定位天線(xiàn)、外設等是否工作正常，并告知用戶(hù)自檢結果。除此之外，設備可以定位并接收位置數據，通過(guò)串口對設備進(jìn)行輸出和配置，SD、USB進(jìn)行數據輸出、參數修改、固件更新;固件更新、參數修改過(guò)程中遇到掉電等意外情況時(shí)支持自動(dòng)恢復功能，保證更新失敗時(shí)終端能夠正常使用。

為方便管理與監控，監控中心可以通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )遠程對設備進(jìn)行參數配置與修改、查詢(xún)或執行特定操作，并實(shí)現設備在監控中心注冊和注銷(xiāo)功能、固件更新功能、終端的復位或恢復出廠(chǎng)設置等功能。設備的拍照、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確無(wú)誤。

2 硬件架構

根據上述功能，可以設計出硬件基本架構。因有遠程監控和人機界面交互功能，項目采用了移遠通信模塊M10，負責遠程通信、MMI人機界面交互、錄音以及電話(huà)功能;主芯片采用基于A(yíng)RM Cortex—M3內核的微控制器LPC1788，進(jìn)行拍照、數據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(shí)設備能夠自動(dòng)恢復功能并及時(shí)保存實(shí)時(shí)數據，項目采用了鐵電存儲器，以加快訪(fǎng)問(wèn)速度，并保證數據在各種惡劣環(huán)境下可以長(cháng)時(shí)間保存。原理框圖如圖1所示。

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文件系統的軟件架構(無(wú)操作系統)，采集、分析、存取各種數據。在實(shí)際使用中，會(huì )遇到以下問(wèn)題。

3.1 GNSS定位漂移

當前正式運營(yíng)的導航系統北斗二號采用無(wú)源時(shí)間測距技術(shù)進(jìn)行定位。理論上，用戶(hù)接收至少4顆導航衛星發(fā)出的信號，根據信號傳輸時(shí)間測定用戶(hù)到這些衛星的距離，依據三球交匯的原理，用戶(hù)終端自行計算得出其三維坐標與速度。而在實(shí)際使用中存在各種因素導致衛星測量誤差出現定位漂移，如星歷誤差(衛星位置誤差)、衛星時(shí)鐘誤差、大氣傳播延遲修正殘差、天線(xiàn)多路徑效應誤差、高程量取誤差、接收機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(衛星位置、速度)以使用更多衛星改善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(dòng)定位成功后丟掉前5個(gè)點(diǎn)，此時(shí)的點(diǎn)為上次啟動(dòng)芯片最后一次成功定位的點(diǎn)位置，以避免硬件上電初期的不穩定或廠(chǎng)家為縮短定位時(shí)間而采取快速定位的策略導致定位不準，保持位置信息的延續性。

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

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

3.2 數據處理

根據硬件特性，LPC1788自帶片上NVRAM和EEPROM，另增加鐵電存儲器，并支持SD卡和U盤(pán)。片上NMVRM用于存放遠程升級代碼，設備初始值和配置參數(車(chē)輛信息、狀態(tài)量配置信息、脈沖系數、初次安裝日期、超速閥值等);鐵電存儲器用于保存臨時(shí)變量(多媒體ID、駕駛員登入最后一次時(shí)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(pán)用于本地固件更新與參數修改，并以文件形式存放處理過(guò)的各種數據。

處理過(guò)的數據分別按發(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、參數修改、疑點(diǎn)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(shí)、定距、劫警、平臺等)也存放于各自目錄下，如圖2所示。

此處特別說(shuō)明多媒體數據處理。多媒體數據可本地保存或立即上傳監控中心。為確保實(shí)時(shí)數據完整上傳，須建立臨時(shí)多媒體文件存于相應目錄下，平臺確認接收完整后自動(dòng)刪除。多媒體文件可以按類(lèi)型、通道、時(shí)間、事件類(lèi)型的不同需求檢索上傳，除時(shí)間可從文件屬性中獲得，項目對其實(shí)行命名規則(媒體文件名規定為4字節)以識別其他要素，如圖3所示。還需注意，圖片數據量與拍攝場(chǎng)景復雜度、壓縮率、象素有關(guān)，定時(shí)、定距拍攝間隔的設置應加以限制，以避免因數據量過(guò)大即進(jìn)行下一個(gè)多媒體文件的操作而造成丟失數據。

處理過(guò)的數據會(huì )根據不同的需要寫(xiě)入SD卡中。其中，速度、位置信息需要定時(shí)寫(xiě)入，疑點(diǎn)、疲勞駕駛、拍照、速度狀態(tài)等文件需等事件發(fā)生后寫(xiě)入。這存在一定概率的文件寫(xiě)沖突，造成文件亂碼或存儲位置錯誤。由于是單線(xiàn)程，在解析、執行操作命令時(shí)，也可能因中斷響應造成漏存數據。要解決該問(wèn)題，可設置存放采集數據的RAM部分冗余，在其他文件寫(xiě)時(shí)，采集到的數據仍可繼續存于RAM中，避開(kāi)寫(xiě)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，預留雙倍指定容量，一為正式文件，另一為備份文件。當正式文件存滿(mǎn)時(shí)，將正式文件的內容復制至備份文件并清空，后續數據繼續存入正式文件;若正式文件再次存滿(mǎn)，則刪除備份文件，再次將正式文件內容備份并清空以做后續數據存儲。流程如圖4所示。

3. 3 數據傳輸

從圖1中可以看出，M10、北斗和前面板三個(gè)串口可以同時(shí)向LPC1788發(fā)送數據。LPC1788在單線(xiàn)程且內存有限的情況下，會(huì )因中斷響應、處理流程等原因丟失數據，如LPC1788處理照片上傳時(shí)，M10錄音數據需要保存。解決此類(lèi)問(wèn)題，可以使用每包雙向確認進(jìn)行可靠連接傳輸，但該過(guò)程復雜、運行效率不高。項目采用面向非連接協(xié)議，直接發(fā)包，除設置其中斷優(yōu)先級外，還需增加流量控制，為L(cháng)PC1788留出處理時(shí)間，增強數據傳送可靠性。

此處設置北斗數據接收中斷為最高優(yōu)先級，M10其次，前面板最低。M10和LPC1788分別用GPIO模擬RTS(Request to Send)可以接收數據和CTS(Clear to Send)允許發(fā)送數據。M10、LPC1788每次發(fā)送數據前，查詢(xún)本地CTS是否可以發(fā)送數據。當M10、LPC1788接收數據超過(guò)閥值時(shí)，置位本地RTS，禁止對方發(fā)送數據;處理就緒，即清除本地RTS允許接收數據。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^(guò)監控平臺發(fā)補包和命令補包，也可自行內部補包，提高上傳平臺效率及平臺感受。以多媒體拍照數據實(shí)時(shí)上傳為例，首先拍照存臨時(shí)文件，然后分包傳送數據，并開(kāi)啟緩沖發(fā)送隊列。當遇到CTS為高時(shí)，將上傳多媒體ID與未上傳的分包序號存人隊列，退出與M10的數據發(fā)送流程，并在主函數中不斷輪詢(xún)CTS。當CTS為低時(shí)，相關(guān)參數出隊列，重新執行與M10的數據傳送，在已存儲的臨時(shí)文件中按分包序號查找起始地址，組包發(fā)送數據。

結語(yǔ)

本文分析了北斗行車(chē)記錄儀的主要功能和設計思路，以及在研發(fā)過(guò)程中遇到的一些關(guān)鍵問(wèn)題，并提出解決方案。目前，該項目產(chǎn)品(見(jiàn)圖5)已通過(guò)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(chē)輛公共監管與服務(wù)平臺工作終端技術(shù)支持小組檢測，以及CCC認證。

這是第一代產(chǎn)品，還有許多待改進(jìn)、擴展的地方：支持對CAN協(xié)議分析，進(jìn)行實(shí)時(shí)故障診斷，了解車(chē)輛車(chē)身調平、胎壓、空調系統、自動(dòng)燈開(kāi)關(guān)等狀態(tài)，并進(jìn)行遠程操作;目前產(chǎn)品采用RSA加密、IC卡認證與鑒權以確保信息安全，杜絕非法使用車(chē)輛，可做調整以適應于軍用、警用等。