基于BDS 和GPRS 的公交车车载终端的设计

2021-04-02嵇明杨国平李蔚冉

农业装备与车辆工程 2021年3期

嵇明，杨国平，李蔚冉

（201620 上海市上海工程技术大学机械与汽车工程学院）

0 引言

为了缓解公共交通拥挤的问题，实现车辆的现代化管理，智能交通系统越来越受到国家的重视。智能交通系统将通信技术、人工智能、电控技术、卫星定位等众多先进技术融合到一起，终而对交通系统进行高效统筹[1-2]。智能车载终端是智能交通领域中重要的一环，它通过对车辆的实时定位及信息交互，对车辆进行动态监管。公交车作为公共交通中最为重要的一环，能够极大地缓解交通压力，但是随着公交车线路及数量的增多，如何实现公交车的最佳统筹是目前面临的难题之一。因此，国内许多学者将目光聚焦到公交车智能终端的研发。目前，国内公交车的智能终端大多基于GPS 定位系统及GPRS 通信[3-4]，却很少涉及北斗系统。北斗卫星导航系统（BDS）是我国独立自主研发的定位系统，至2020 年已基本实现卫星信号全球覆盖。本文基于BDS 和GPRS 通信设计的公交车智能车载终端，以ARM9 为内核的S3C2440A 型微处理器为主控芯片，能够实现对车辆的实时定位和监控。

1 总体设计

1.1 车载监控系统

车载监控系统如图1 所示。车载终端在车载监控系统中有着重要的作用，它是连接北斗卫星系统与监控中心管理系统的桥梁。

图1 车载监控系统Fig.1 Schematic diagram of vehicle monitoring system

整个系统的工作流程如下：北斗卫星向与车载终端中的北斗定位模块发送信号，信号经过车载终端处理后，基于GPRS 通信向基站发送处理后所需的经纬度、车速等相关信息，基站再向移动终端或者监控中心传递信息，同时，监控中心也能基于收到的信息向车载终端发送调度指令，进行车辆远程监管。

1.2 硬件平台

为了能够进行车载监控，实现车载终端与北斗卫星及监控中心的通信，本文设计的车载终端硬件以S3C2440A 型MCU 为主控芯片，除了普通外围电路外，还配有北斗定位模块和GPRS无线通信模块，其中，北斗定位模块的型号为TD3026，GPRS 通信模块型号为TSINTEC M66。整个硬件结构如图2 所示。

图2 硬件结构Fig.2 Structure of hardware

1.3 软件平台

嵌入式Linux 是主流的几种嵌入式系统之一。因其开源性和免费的OS，在价格上有着极大的竞争力。除了价格上的优势，Linux 在系统稳定性上适用于各种CPU 及硬件平台，具备主流芯片的驱动集。在开发性方面，小内核可以进行高效率的开发与定制，具备很强的移植性能；在网络通信方面，继承了Unix 的特性，支持所有的因特网组协议[5-6]。

因此，本文以Linux 系统为车载终端的软件平台,进行了嵌入式Linux 系统的移植分析，并设计了相关功能应用软件。

2 硬件设计

2.1 北斗定位模块电路设计

北斗定位模块主要用于车载终端与北斗卫星之间的通信。本文选择的TD3026 北斗定位模块是一款内部集成双模信号基带和射频芯片，能够实现BDS/GPS 单一信号或混合信号收发。内部供电所需电压为3.3 V，串口TXD1，RXD2 能够与车载终端串口进行连接，并实现定位数据的交换，通常串口设置默认波特率为9 600 b/s。TD3026模块的定位电路如图3 所示。

图3 TD3026 模块定位电路Fig.3 Positioning circuit of TD3026 module

2.2 GPRS 通信模块电路设计

GPRS 通信模块主要用于车载终端与手机移动端或后台管理平台之间的通信。本文选择的TSINTEC M66 模块拥有四频段GSM/GPRS，具备电源、URAT 串口、SIM 卡等多种接口，最大传输速率达到85.6 kb/s，支持标准的AT 命令。其中，AT 指令是MCU 控制GPRS 模块的常用指令，而在使用指令前需要对硬件进行URAT 串口连接及相关波特率和网关等配置。本文选择的TSINTEC M66 模块在与主控芯片连接时需要通过RS232 转接，如图4 所示。

图4 S3C2440A 与M66 模块连接图Fig.4 Connection diagram of S3C2440A and M66 modules

TSINTEC M66 模块的电路图如图5 所示。其中，2～4 号引脚用于SIM 卡电路，如图6 所示；7～8 号引脚用于UART 串口与MCU 进行通信；15～16 号引脚用于开启和关闭 GPRS 模块，14 号引脚连接天线进行数据传输。

图5 M66 模块电路Fig.5 Circuit of M66 module

图6 SIM 卡电路Fig.6 Circuit of SIM card

2.3 电源模块电路设计

由于汽车蓄电池的电压一般为12 V，但是MCU 的外部工作电压为5 V，其内核电压为1.3 V，TD3026模块及其他模块的工作电压在3.3 V左右，因此，需要设计降压电路完成MCU 及其余模块的配置。降压斩波电路是一种常见的降压电路[7]，其工作原理如图7 所示。

图7 降压斩波电路原理图Fig.7 Schematic diagram of buck circuit

式（1）是降压占波电路的降压原理公式。式中，负载电压U0可以通过导通时间ton和总时间的比值，即导通占空比α来控制。

通过调节α值可以把电压从12 V 降低至5 V，而若要实现3.3 V 和1.3 V 的精确降压，则需要其他的降压模块来实现。本文选择LM1084-3.3 降压模块把电压从5 V 降至3.3 V，其降压电路如图8 所示。再选用LM1117IMPX-ADJ 降压模块把电压从3.3 V 降至1.3 V，其降压电路如图9 所示。

图8 5 V 转3.3 V 电路Fig.8 The circuit of 5 V to 3.3 V

图9 3.3 V 转1.3 V 电路Fig.9 The circuit of 3.3 V to 1.3 V

3 软件设计

车载终端的软件部分是基于Linux 系统编写的。Linux 的系统移植通常包含4 个部分：Bootloader 的移植、内核的移植、文件系统移植和和驱动程序的移植[8]。针对S3C2440A 型MCU，选择U-BOOT 作为Bootloader[9]，内核移植可以通过配置编写一些与底层硬件相关的代码，再进行编译即可实现，文件系统移植需要制作根文件系统，驱动程序的移植则需要定义设备驱动，再通过总线实现驱动和设备的绑定。

本文设计的车载终端软件共分为3 大部分：主程序北斗定位和GPRS 通信。主程序部分的操作流程如图10 所示。

图10 车载终端主程序操作流程图Fig.10 Main program flow chart of vehicle terminal

系统上电后，首先会进行硬件初始化和设备自检，自检正常后再进入驾驶员身份确认，输入相关信息后才能够启动各模块。北斗定位模块会先进行定位信息确认，若收到请求则进行相关的信息处理与存储。GPRS 通信模块首先会向终端注册网络，然后定时接受或发送相关信息或指令。具体的北斗定位信息采集软件流程和GPRS 无线通信的流程则分别如图11 和图12 所示。

图11 北斗定位信息采集流程图Fig.11 Processing flow chart of BDS data acquisition

图12 GPRS 通信软件处理流程图Fig.12 Processing flow chart of GPRS

4 功能测试

功能测试用于验证设计的车载终端能否实现车辆的定位及远程监控。测试主要借助上海产业技术研究院智能交通中心的车辆管理平台作为后台系统，因此，在测试前需要填写相关参数，才能使车载终端和后台系统建立起TCP/IP 协议通信。参数配置界面如图13 所示，主要的参数包含SIM 卡号码、通讯序列号、车牌、车载类型等。

图13 参数配置界面Fig.13 Configuration chart of parameters

将如图14 所示的车载终端实物图安装在待测车辆上，为了降低干扰,把GPRS 天线部分置于车外，保持待测车辆的运行速度。在实验过程中，车载终端会把相关信息经过GPRS 传送至车辆管理平台，然后再通过平台发布给对应的手机移动端，最后在手机App 上看到的运行结果如图15 所示，证明了本文设计的智能车载终端能够与北斗系统和车辆管理平台进行无线通信，能够实现车辆的定位和远程监控功能。