基于北斗與GPS 的多模通信車載終端設計及應用

師慶敏

（山東省德州市國防動員辦公室，山東 德州 253000）

0 引 言

在信息時代背景下，物聯網技術在交通運輸行業、工業控制等領域中取得良好的應用效果，為智能城市、智慧物流的搭建提供重要技術支持[1]。車聯網技術作為一種常用的物聯網技術，可以智能化管控汽車?；ヂ摼W經濟雖然為傳統物流行業的創新發展提供前所未有的機遇，但是仍然存在社會物流總額不斷增加、交通運輸速率慢、成本高等問題。因此，需應用北斗與全球定位系統（Global Positioning System，GPS）雙模定位技術，設計一種適應性強、安全性高、成本低的多模通信車載終端，將社會物流總額降到最低，促使物流產業向智能化、經濟化方向不斷發展[2]。

1 雙模定位技術概述

1.1 全球定位系統

GPS 主要是基于衛星實現原理形成的一種全球性定位與導航技術。GPS 技術在智慧物流、智能制造等領域具有良好的應用效果。GPS 主要包括3 個部分：一是空間衛星，包含備用衛星和工作衛星，這2 個部分衛星主要位于20 194 km 高度的軌道上；二是地控中心，用于智能化監控衛星和衛星軌道，含有主控站、地面天線、監測站3 個部分；三是終端，用于實時獲取和處理定位數據、導航數據，并結合接口配置情況，向上層單元發送和傳輸相關數據[3]。

1.2 北斗定位系統

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

1.3 北斗與GPS 雙模定位技術

北斗與GPS 雙模定位技術將北斗定位系統與GPS 融合，保障定位效果。與傳統單模GPS 技術相比，雙模定位技術可以獲得良好的定位效果，廣泛應用于城市交通、隧道等領域。該雙模定位技術可以從北斗衛星和GPS 衛星中獲取所需要的定位數據，從而提高衛星定位精確度，進而獲得更加準確的定位結果[5]。目前，國內所研發的定位和導航模塊，均用到北斗與GPS 雙模定位技術。因此，文章在設計和實現多模通信車載終端定位與導航模塊時，選用ST1612B 北斗/GPS 雙模芯片。

2 多模通信車載終端整體結構與硬件設計

2.1 多模通信車載終端整體結構設計

多模通信車載終端的整體結構如圖1 所示，主要包括以下5 個模塊。一是終端電源管理模塊，多模終端應用外部電源輸入模塊時，可以為用戶提供多種可變電源，保證芯片穩定性和電源輸入的及時性，促使多模終端能夠正常、穩定、安全地運行。二是定位模塊，多模終端通過運用中的北斗/GPS 定位模塊，可以實時化、全面化采集當前位置信息，避免遭受外界信源的干擾[6]。三是通信模塊，利用藍牙、以太網等多種通信技術，為多模終端提供海量數據傳輸、固件更新等多種功能，保障終端通信穩定性和可靠性。四是存儲模塊，為提高多模終端運行性能，需要設置安全數字存儲（Secure Digital memory ，SD）卡等多個存儲設備，提高終端存儲空間。五是數據采集模塊，需要將控制器局域網絡（Controller Area Network，CAN）接口和RS-485 接口設置在多模終端內，從而實現車輛信息數據的全面化、實時化采集和整理。

圖1 多模通信車載終端整體結構

2.2 多模通信車載終端邏輯設計

2.2.1 電源管理

在多模終端中，不同模塊對電源需求量存在一定的差異，因此需要采用電壓芯片轉換的方式，實時獲取電源輸入相關數據，確保終端芯片能夠正常穩定運行。多模終端通過運用LM2596 系列芯片，獲得電壓為5.0 V和7.2 V的電源。為延長外部電源使用壽命，避免該電源出現突然失效問題，文章重點設計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 外部存儲模塊

在設計外部存儲模塊時，多模終端新增的SD 卡具有存儲容量大等特點，主要用于存儲配置文件、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，需要將終端電壓設置為3.3 V，并選用濾波電容的方式，保證供電的連續性和穩定性[8]。

2.2.3 定位/通信模塊

雙模定位模塊對串行接口提供良好的支持效果，允許用戶自行設置所需要的波特率。供電電壓需要統一設置為3.3 V，運行北斗與衛星進行通信編碼。同時，將天線設置在雙模定位模塊中，避免因定位信息環境較弱而降低模塊定位的精確度。另外，運用以太網接口，有效連接媒體獨立接口與終端外部接口，確保終端在指定的場景下可以高效傳輸所需數據[9]。

2.2.4 數據采集模塊

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

3 多模通信車載終端系統軟件設計

3.1 藍牙應用程序

藍牙模塊的設計，可以為手機客戶端提供強大的數據查詢、運貨車訂單管理等功能，可以將通用分組無線業務（General Packet Radio Service，GPRS）流量費用降到最低，方便用戶借助多模終端智能化管理相關業務。通過采用命令幀設置方式，科學設置藍牙模塊的廣播時間間隔、連接參數、串口波特率等參數。利用多模終端，將命令幀發送并傳輸至藍牙模塊。此外，在命令模式下，命令幀發送時間間隔設置為50 ms，采用透傳模式，安全、實時發送藍牙用戶數據。藍牙處理流程如圖2 所示。

圖2 藍牙處理流程

3.2 交通通信協議

消息封裝與解析為保證終端使用相同的協議標準，提升可擴展性，增加可編程性，終端系統中的每條消息都需要經過封裝才能發送至服務器，并且也需要解析來自服務器的每條消息。消息封裝的每一步操作都至關重要，每一步操作都決定了服務端是否能夠正確地解析來自終端的應用數據。若對部分內容理解出錯，如消息頭、消息轉義以及校驗碼等，都將導致服務端解析失敗。當服務器解析出來的數據與終端發送的數據不相同時，可對終端封裝消息的十六進制形式進行分析，并修正封裝流程，就可獲取正確的數據解析。 同樣，終端系統也需要解析來自服務器下發的消息內容。一般情況下，當通信模塊提示有消息到來時，終端系統就將消息放入消息解析函數，執行解析操作。消息解析的主要工作包括判斷消息是否正確接收，即通過長度和校驗碼判斷，以及將接收到的消息轉義，獲取消息體，并根據消息頭包含的消息ID，將消息內容轉發至與消息ID 相對應的消息體執行函數。

3.3 其他部分

3.3.1 打印機程序

多模終端所搭載的打印機主要用于統一打印司機信息、車輛信息、運單信息等。利用打印機打印不同類信息時，需要結合打印需求，選用合適的組織方式，并調用相關打印函數，確保所調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、顯示器菜單。利用顯示器顯示數據時，需要科學控制多模終端系統左右兩顆芯片，并借助控制線，將數據、命令發送至芯片。

4 多模通信車載終端設計應用成果

多模終端在正常運行狀態下，面板顯示如圖3所示。如果沒有進行按鍵操作，終端運行狀態保持不變，顯示器面板將長時間停留于此。通過采用按鍵的方式，可以啟用菜單程序功能。

圖3 終端定位正常運行狀態下面板顯示

當終端定位出現故障，且GPRS 運行穩定時，出現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間為00:07:04，顯然與圖3 中的16:09:33 不符，因此該顯示器時間顯示異常，這說明多模終端定位模塊無法實時成功定位和顯示數據。

在移動車輛時，多模終端運用GPRS 技術，將實時定位數據、CAN 數據等多種數據安全可靠地發送和傳輸至服務器，由服務器將地圖上數據發送情況呈現在用戶面前。在更新終端固件時，利用服務器發送和傳輸相關更新命令，并利用多模終端分析和判斷是否執行更新。如果執行更新，需要將固定件請求指令發送和傳輸至服務器，由服務器接收固件，并對終端固件進行有效更新。主要運用引導加載程序（Bootloader），保證固件更新實現效果，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實的基礎。

圖5 終端更新日志

圖4 終端定位異常面板

5 結 論

文章運用北斗與GPS 雙模定位技術，結合智慧物流、智能制造等行業的發展需求，完成對多模通信車載終端設計。首先，運用GPRS 技術和藍牙技術等通信技術，為多模終端提供良好的通信環境。同時，借助外部存儲、顯示器、打印機等模塊，為多模終端提供強大的輔助功能。此外，借助GPS 位置信息、傳感器數據等多種數據，為多模終端提供豐富、實時的數據源，從而達到遠程化管控車況和運單的目的。最后，有效驗證文章多模終端設計方案的有效性和可行性。