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

引言

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是我國(guó)自主發(fā)展、獨(dú)立運(yùn)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(dú)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(guó)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(dòng)衛(wèi)星導(dǎo)航在國(guó)民經(jīng)濟(jì)社會(huì)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(guó)家70年代就開始以立法形式在部分客運(yùn)車輛及貨車上強(qiáng)制安裝使用。我國(guó)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(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《汽車行駛記錄儀》(GB/T190 56)。2014年初中華人民共和國(guó)交通運(yùn)輸部發(fā)布《道路運(yùn)輸車輛動(dòng)態(tài)監(jiān)督管理辦法》(中華人民共和國(guó)交通運(yùn)輸部、中華人民共和國(guó)公安部、國(guó)家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局令2014年第5號(hào))，要求公路營(yíng)運(yùn)的載客汽車、危險(xiǎn)貨物運(yùn)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(yùn)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(yùn)車輛公共平臺(tái)。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(qiáng)系統(tǒng)的不斷建設(shè)，北斗系統(tǒng)在信號(hào)捕獲、信號(hào)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(xiàng)重大突破，成為繼美國(guó)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(gè)成熟的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。交通運(yùn)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(yùn)輸部啟動(dòng)了“重點(diǎn)運(yùn)輸過程監(jiān)控管理服務(wù)示范系列工程”，標(biāo)志著交通運(yùn)輸領(lǐng)域北斗應(yīng)用示范工程正式啟動(dòng)實(shí)施，率先應(yīng)用于重點(diǎn)營(yíng)運(yùn)車輛監(jiān)控管理。該項(xiàng)目涉及“兩客一危”運(yùn)輸車輛(包括旅游包車、長(zhǎng)途班線客車和危險(xiǎn)化學(xué)品運(yùn)輸車)、應(yīng)急保障車輛、重載普貨車輛等重點(diǎn)營(yíng)運(yùn)車輛，通過北斗系統(tǒng)提高運(yùn)輸過程超速、疲勞駕駛、非法運(yùn)營(yíng)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(shí)驗(yàn)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)松矸荨⒗锍?、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(diǎn)、超時(shí)、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(diǎn)火裝置、制動(dòng)等;具備鎖定、鑒權(quán)，以及對(duì)駕駛員進(jìn)行身份認(rèn)證功能;具備自檢功能，可以自動(dòng)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(duì)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(shí)支持自動(dòng)恢復(fù)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(jiān)控，監(jiān)控中心可以通過無線網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程對(duì)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(shí)現(xiàn)設(shè)備在監(jiān)控中心注冊(cè)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(jì)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(xiàng)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(chǔ)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(shè)備能夠自動(dòng)恢復(fù)功能并及時(shí)保存實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，項(xiàng)目采用了鐵電存儲(chǔ)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(zhǎng)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(duì)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(shí)際使用中，會(huì)遇到以下問題。

3.1 GNSS定位漂移

當(dāng)前正式運(yùn)營(yíng)的導(dǎo)航系統(tǒng)北斗二號(hào)采用無源時(shí)間測(cè)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(hào)，根據(jù)信號(hào)傳輸時(shí)間測(cè)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(jì)算得出其三維坐標(biāo)與速度。而在實(shí)際使用中存在各種因素導(dǎo)致衛(wèi)星測(cè)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(shí)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(cè)距誤差及其本身的噪聲等。

本項(xiàng)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(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(wěn)定或廠家為縮短定位時(shí)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(diǎn)。例如地面最快的跑車速度也不會(huì)超過350 km/h，若超過此值則屬漂移直接丟棄該點(diǎn)，或兩點(diǎn)距離(每秒取點(diǎn))超過此值則丟棄后一點(diǎn)。

再次，設(shè)置速度最小閥值，若NMEA速度或兩點(diǎn)相對(duì)速度小于該值則判定設(shè)備靜止，強(qiáng)制速度為0，位置信息采用上次點(diǎn)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(yùn)動(dòng)，與點(diǎn)火器配合使用，可獲得車輛靜止熄火信息，此時(shí)需設(shè)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(chǔ)器，并支持SD卡和U盤。片上NMVRM用于存放遠(yuǎn)程升級(jí)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(chǔ)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(hào)、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(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(tái)等)也存放于各自目錄下，如圖2所示。

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(shí)時(shí)數(shù)據(jù)完整上傳，須建立臨時(shí)多媒體文件存于相應(yīng)目錄下，平臺(tái)確認(rèn)接收完整后自動(dòng)刪除。多媒體文件可以按類型、通道、時(shí)間、事件類型的不同需求檢索上傳，除時(shí)間可從文件屬性中獲得，項(xiàng)目對(duì)其實(shí)行命名規(guī)則(媒體文件名規(guī)定為4字節(jié))以識(shí)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(chǎng)景復(fù)雜度、壓縮率、象素有關(guān)，定時(shí)、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(gè)多媒體文件的操作而造成丟失數(shù)據(jù)。

處理過的數(shù)據(jù)會(huì)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(shí)寫入，疑點(diǎn)、疲勞駕駛、拍照、速度狀態(tài)等文件需等事件發(fā)生后寫入。這存在一定概率的文件寫沖突，造成文件亂碼或存儲(chǔ)位置錯(cuò)誤。由于是單線程，在解析、執(zhí)行操作命令時(shí)，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(shí)，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(chǔ)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(shí)，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(chǔ)。流程如圖4所示。

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(gè)串口可以同時(shí)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(huì)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(shí)，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(yùn)行效率不高。項(xiàng)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(jí)外，還需增加流量控制，為L(zhǎng)PC1788留出處理時(shí)間，增強(qiáng)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(jí)，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(shí)，置位本地RTS，禁止對(duì)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(tái)發(fā)補(bǔ)包和命令補(bǔ)包，也可自行內(nèi)部補(bǔ)包，提高上傳平臺(tái)效率及平臺(tái)感受。以多媒體拍照數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，并開啟緩沖發(fā)送隊(duì)列。當(dāng)遇到CTS為高時(shí)，將上傳多媒體ID與未上傳的分包序號(hào)存人隊(duì)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(shí)，相關(guān)參數(shù)出隊(duì)列，重新執(zhí)行與M10的數(shù)據(jù)傳送，在已存儲(chǔ)的臨時(shí)文件中按分包序號(hào)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(jì)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(xiàng)目產(chǎn)品(見圖5)已通過交通運(yùn)輸信息工程質(zhì)量檢測(cè)中心檢測(cè)，進(jìn)入道路貨運(yùn)車輛公共監(jiān)管與服務(wù)平臺(tái)工作終端技術(shù)支持小組檢測(cè)，以及CCC認(rèn)證。

這是第一代產(chǎn)品，還有許多待改進(jìn)、擴(kuò)展的地方：支持對(duì)CAN協(xié)議分析，進(jìn)行實(shí)時(shí)故障診斷，了解車輛車身調(diào)平、胎壓、空調(diào)系統(tǒng)、自動(dòng)燈開關(guān)等狀態(tài)，并進(jìn)行遠(yuǎn)程操作;目前產(chǎn)品采用RSA加密、IC卡認(rèn)證與鑒權(quán)以確保信息安全，杜絕非法使用車輛，可做調(diào)整以適應(yīng)于軍用、警用等。