基于BDS 和GPRS 的公交車車載終端的設計

嵇明，楊國平，李蔚冉

（201620 上海市 上海工程技術大學 機械與汽車工程學院）

0 引言

為了緩解公共交通擁擠的問題，實現車輛的現代化管理，智能交通系統越來越受到國家的重視。智能交通系統將通信技術、人工智能、電控技術、衛星定位等眾多先進技術融合到一起，終而對交通系統進行高效統籌[1-2]。智能車載終端是智能交通領域中重要的一環，它通過對車輛的實時定位及信息交互，對車輛進行動態監管。公交車作為公共交通中最為重要的一環，能夠極大地緩解交通壓力，但是隨著公交車線路及數量的增多，如何實現公交車的最佳統籌是目前面臨的難題之一。因此，國內許多學者將目光聚焦到公交車智能終端的研發。目前，國內公交車的智能終端大多基于GPS 定位系統及GPRS 通信[3-4]，卻很少涉及北斗系統。北斗衛星導航系統（BDS）是我國獨立自主研發的定位系統，至2020 年已基本實現衛星信號全球覆蓋。本文基于BDS 和GPRS 通信設計的公交車智能車載終端，以ARM9 為內核的S3C2440A 型微處理器為主控芯片，能夠實現對車輛的實時定位和監控。

1 總體設計

1.1 車載監控系統

車載監控系統如圖1 所示。車載終端在車載監控系統中有著重要的作用，它是連接北斗衛星系統與監控中心管理系統的橋梁。

圖1 車載監控系統Fig.1 Schematic diagram of vehicle monitoring system

整個系統的工作流程如下：北斗衛星向與車載終端中的北斗定位模塊發送信號，信號經過車載終端處理后，基于GPRS 通信向基站發送處理后所需的經緯度、車速等相關信息，基站再向移動終端或者監控中心傳遞信息，同時，監控中心也能基于收到的信息向車載終端發送調度指令，進行車輛遠程監管。

1.2 硬件平臺

為了能夠進行車載監控，實現車載終端與北斗衛星及監控中心的通信，本文設計的車載終端硬件以S3C2440A 型MCU 為主控芯片，除了普通外圍電路外，還配有北斗定位模塊和GPRS無線通信模塊，其中，北斗定位模塊的型號為TD3026，GPRS 通信模塊型號為TSINTEC M66。整個硬件結構如圖2 所示。

圖2 硬件結構Fig.2 Structure of hardware

1.3 軟件平臺

嵌入式Linux 是主流的幾種嵌入式系統之一。因其開源性和免費的OS，在價格上有著極大的競爭力。除了價格上的優勢，Linux 在系統穩定性上適用于各種CPU 及硬件平臺，具備主流芯片的驅動集。在開發性方面，小內核可以進行高效率的開發與定制，具備很強的移植性能；在網絡通信方面，繼承了Unix 的特性，支持所有的因特網組協議[5-6]。

因此，本文以Linux 系統為車載終端的軟件平臺,進行了嵌入式Linux 系統的移植分析，并設計了相關功能應用軟件。

2 硬件設計

2.1 北斗定位模塊電路設計

北斗定位模塊主要用于車載終端與北斗衛星之間的通信。本文選擇的TD3026 北斗定位模塊是一款內部集成雙模信號基帶和射頻芯片，能夠實現BDS/GPS 單一信號或混合信號收發。內部供電所需電壓為3.3 V，串口TXD1，RXD2 能夠與車載終端串口進行連接，并實現定位數據的交換，通常串口設置默認波特率為9 600 b/s。TD3026模塊的定位電路如圖3 所示。

圖3 TD3026 模塊定位電路Fig.3 Positioning circuit of TD3026 module

2.2 GPRS 通信模塊電路設計

GPRS 通信模塊主要用于車載終端與手機移動端或后臺管理平臺之間的通信。本文選擇的TSINTEC M66 模塊擁有四頻段GSM/GPRS，具備電源、URAT 串口、SIM 卡等多種接口，最大傳輸速率達到85.6 kb/s，支持標準的AT 命令。其中，AT 指令是MCU 控制GPRS 模塊的常用指令，而在使用指令前需要對硬件進行URAT 串口連接及相關波特率和網關等配置。本文選擇的TSINTEC M66 模塊在與主控芯片連接時需要通過RS232 轉接，如圖4 所示。

圖4 S3C2440A 與M66 模塊連接圖Fig.4 Connection diagram of S3C2440A and M66 modules

TSINTEC M66 模塊的電路圖如圖5 所示。其中，2～4 號引腳用于SIM 卡電路，如圖6 所示；7～8 號引腳用于UART 串口與MCU 進行通信；15～16 號引腳用于開啟和關閉 GPRS 模塊，14 號引腳連接天線進行數據傳輸。

圖5 M66 模塊電路Fig.5 Circuit of M66 module

圖6 SIM 卡電路Fig.6 Circuit of SIM card

2.3 電源模塊電路設計

由于汽車蓄電池的電壓一般為12 V，但是MCU 的外部工作電壓為5 V，其內核電壓為1.3 V，TD3026模塊及其他模塊的工作電壓在3.3 V左右，因此，需要設計降壓電路完成MCU 及其余模塊的配置。降壓斬波電路是一種常見的降壓電路[7]，其工作原理如圖7 所示。

圖7 降壓斬波電路原理圖Fig.7 Schematic diagram of buck circuit

式（1）是降壓占波電路的降壓原理公式。式中，負載電壓U0可以通過導通時間ton和總時間的比值，即導通占空比α來控制。

通過調節α值可以把電壓從12 V 降低至5 V，而若要實現3.3 V 和1.3 V 的精確降壓，則需要其他的降壓模塊來實現。本文選擇LM1084-3.3 降壓模塊把電壓從5 V 降至3.3 V，其降壓電路如圖8 所示。再選用LM1117IMPX-ADJ 降壓模塊把電壓從3.3 V 降至1.3 V，其降壓電路如圖9 所示。

圖8 5 V 轉3.3 V 電路Fig.8 The circuit of 5 V to 3.3 V

圖9 3.3 V 轉1.3 V 電路Fig.9 The circuit of 3.3 V to 1.3 V

3 軟件設計

車載終端的軟件部分是基于Linux 系統編寫的。Linux 的系統移植通常包含4 個部分：Bootloader 的移植、內核的移植、文件系統移植和和驅動程序的移植[8]。針對S3C2440A 型MCU，選擇U-BOOT 作為Bootloader[9]，內核移植可以通過配置編寫一些與底層硬件相關的代碼，再進行編譯即可實現，文件系統移植需要制作根文件系統，驅動程序的移植則需要定義設備驅動，再通過總線實現驅動和設備的綁定。

本文設計的車載終端軟件共分為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圖10 所示。

圖10 車載終端主程序操作流程圖Fig.10 Main program flow chart of vehicle terminal

系統上電后，首先會進行硬件初始化和設備自檢，自檢正常后再進入駕駛員身份確認，輸入相關信息后才能夠啟動各模塊。北斗定位模塊會先進行定位信息確認，若收到請求則進行相關的信息處理與存儲。GPRS 通信模塊首先會向終端注冊網絡，然后定時接受或發送相關信息或指令。具體的北斗定位信息采集軟件流程和GPRS 無線通信的流程則分別如圖11 和圖12 所示。

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

圖12 GPRS 通信軟件處理流程圖Fig.12 Processing flow chart of GPRS

4 功能測試

功能測試用于驗證設計的車載終端能否實現車輛的定位及遠程監控。測試主要借助上海產業技術研究院智能交通中心的車輛管理平臺作為后臺系統，因此，在測試前需要填寫相關參數，才能使車載終端和后臺系統建立起TCP/IP 協議通信。參數配置界面如圖13 所示，主要的參數包含SIM 卡號碼、通訊序列號、車牌、車載類型等。

圖13 參數配置界面Fig.13 Configuration chart of parameters

將如圖14 所示的車載終端實物圖安裝在待測車輛上，為了降低干擾,把GPRS 天線部分置于車外，保持待測車輛的運行速度。在實驗過程中，車載終端會把相關信息經過GPRS 傳送至車輛管理平臺，然后再通過平臺發布給對應的手機移動端，最后在手機App 上看到的運行結果如圖15 所示，證明了本文設計的智能車載終端能夠與北斗系統和車輛管理平臺進行無線通信，能夠實現車輛的定位和遠程監控功能。

圖14 車載終端實物圖Fig.14 Object of vehicle terminal

圖15 APP 端測試結果Fig.15 Test result of APP

5 總結

基于BDS 和GPRS 設計的公交車智能車載終端包含了硬件設計和軟件設計2 部分，硬件部分主要對北斗定位模塊、GPRS 通信模塊和電源模塊的電路進行了詳細的設計，軟件部分則是基于Linux 系統進行移植。最后對實物進行實驗測試，驗證了該車載終端能夠實現公交車量的系統和遠程監控。