智能车载终端子系统的设计与研究

石存杰

(上汽集团商用车技术中心，上海 200438)

在“十二五”规划期间，伴随着我国经济快速恢复和发展，各行业对危险品的用量和品种也不断增加，对道路安全危害的风险在逐步扩大[1]。据国内外统计数据表明，危险品运输事故占危险品事故总数的30%～40%，对人民的生命和财产造成了巨大损失，严重污染了周边环境[2-3]。

目前，危险品运输已成为区域公共安全的主要风险源之一[4]。我国已有生产厂家设计出了基于GPS和GIS的危险品运输车辆监控系统[5]，但是由于现有系统智能化程度不足，很难适应信息社会日益发展的需要和对监控系统的新要求。由于缺乏现代化的技术手段，问题突出表现在：(1)对“事前预防”缺乏有效的车辆实时跟踪监管平台；(2)缺乏事故发生时刻的主动报警；(3)缺乏应急管理信息服务平台[6]。为此，设计了一种用于危险品运输安全的智能车载终端，可在危险品运输全过程中实现对“人-车-物”的全面感知、动态监控、智能预警以及应急求救等，最大限度地预防危险品事故的发生以及事故发生后减少损失，对危险品运输安全将起到十分重要的作用。

1 总体方案设计

智能车载终端是集成危险品运输实时监测、位置追踪、预警以及紧急救援于一体的综合管理平台。负责对驾驶人员驾驶状态实时监控、车辆运行状态的实时监控以及危险品状态实时监控。通过安装在车上的各类MEMS传感器模块可以实时获取运输车辆的各类参数，如车辆侧倾角、加速度、行驶速度、温度、压力、危险品液位、阀门开关、漏液浓度等信息。这些信息传输到车载终端微处理器，经数据处理后与安全阈值进行比较，当监测到的数据接近阈值时，智能车载终端发出警示信息提醒驾驶人员谨慎驾驶，并在车载终端屏幕上显示警示的内容，便于驾驶人员采取相应措施，因此需要一个准确、可靠的信息采集和监控系统[7]。

除了运用传感器技术外，智能车载终端还集成有卫星导航模块、无线通信模块和拨号联网模块，其总体结构如图1所示。

图1 智能车载终端结构图

2 终端的硬件设计

智能车载终端所用到的主要硬件设备包括通信导航模块、MEMS传感器模块、微处理器模块以及电源处理模块等。

2.1 通信导航模块

SIM908是一款集成GPS导航技术的四频GSM/GPRS模块。其体积小,重量轻,功耗低,紧凑的模块尺寸将GPRS和GPS整合在SMT封装，工业级标准接口和GPS功能在GSM和GPS信号覆盖的部分能实现不同程度的无缝追踪。支持4种频段850 MHz/900 MHz/1 800 MHz/1 900 MHz；使用AT命令控制且支持增强型AT命令集；GPRS支持最大速率为 85.6 kb/s(下行速率)，GSM支持文本和PDU模式，GPS支持冷、热启动方式，定位精度小于2.5 m。

2.2 微处理器模块

MC9S12XET256是飞思卡尔公司提供一款具有32位性能、以及16位微处理器所有优势和效率的微处理器，保持了目前飞思卡尔现有的16位MCU的低成本、小功耗、电磁兼容和代码效率高的优点。其片上资源丰富，包括多达64 KB的RAM、8个异步串行通信接口(SCI)、3个串行外设接口(SPI)、2个16通道的12位 A/D转换器、2个内部IC的总线模块(I2C)和一个8通道的16位标准定时器模块(TIM)。模块中提供的I/O端口可以用于接收MEMS传感器采集到的信号。

2.3 电源处理模块

电源处理模块的作用是将运输车上提供的电能转换为稳定可靠的直流电源供智能车载终端各个模块使用。车上主要提供12 V和24 V两种直流电源。车载电源长时间工作在恶劣的环境下，电压不够稳定，作为输入源对设计的电路也存在一定的干扰，并且选用的模块需求5 V、4 V、3.3 V 3种直流稳压电源。因此电源处理模块设计时采用了二级电源供电模式，第一级电源转换由车载12 V电源转换到5 V，第二级分别从5 V转换到4.0 V和3.3 V。

第一级电源处理模块选择LM2596开关电压调节器，能够输出3 A的驱动电流，同时具有负载调节特性。第二级电源处理模块选择LM2596Adj开关电压调节器进行5 V～4 V的电源转换以及AMS1117线性稳压芯片进行5 V～3.3 V的电压转换。设计的智能车载终端硬件核心电路板如图2所示。

图2 核心电路板实物图

3 终端的软件设计

3.1 下位机软件设计

下位机的主要功能可以分为数据处理与过程控制，采用模块化程序设计方案，即由一个主程序和若干个功能子程序共同组成。其中，功能子程序主要由初始化、MEMS传感器数据采集、数据解算和数据上传等组成。程序设计中，依据信息处理的复杂程度分配了合理的延时时间，这样可以确保数据处理完整同时又不会发生子程序运行时间过长等问题。为了减少采集到的数据误差，采用了数字滤波技术，在程序设计中主要用到算术平均滤波。下位机主程序的流程如图3所示。

3.2 上位机软件设计

上位机软件不仅要实现下位机之间的通信和对核心电路板硬件模块的控制，而且还要为用户提供一个良好的操作界面以及丰富的软件功能。上位机软件主要包括车载语音通话、短信息服务、联系人操作、车载GPS导航、MEMS传感器监测、危险品视频监测、GPRS车联网以及车辆电子名片配置。

图3 下位机主程序流程图

短消息业务与话音传输同样为GSM数字蜂窝移动通信网络提供主要业务[8]，当遇到危险情况时可及时通知监控中心或向相关部门请求救援，可保证信息交互的有效性和及时性。

联系人操作主要用于保存服务器和紧急求救部门的联系方式。当收到电话或短信息时，系统会自动显示匹配的备注信息；此外，可智能查找联系人，只需输入联系人备注信息（如姓名）或者任意连续电话号码，便可准确定位到要查找的联系人。

GPS数据可以被上位机程序调用,获取车辆经度、维度和海拔等地理位置和速度等信息,并在屏幕上显示。系统后台实时记录车辆行驶轨迹,并且可用于车载导航软件。

MEMS传感器监测主要用于实时监测并显示危险品和运输车辆的状态。传感器采集到的数据经微处理器数据处理后，通过RS-232串口向上位机传送16进制数据帧。上位机通过对数据帧进行解析和数据转换可以得到各个传感器的实时监测值。

视频监测依靠摄像头来实现，在危险品四周分别安装4个高质量的红外摄像头，便于驾驶人员在夜间对危险品状态进行监视。在车辆驾驶室安装2个摄像头，可使监控中心对驾驶室进行监控，防止驾驶人员因疲劳驾驶造成交通事故。

GPRS车联网可以实现与监控中心建立连接，通过网络进行信息交互，可以随时接收来自监控中心的信息，以及上传GPS信息、MEMS传感器数据和视频信息至监控中心，从而方便监控中心对危险品及运输车辆进行实时远程监控。

车辆电子名片是车辆的身份标示，用于保存车辆信息、驾驶人员信息和系统提醒设置。要改变这些参数，需登录车辆管理系统进行密码验证，以防止信息泄露，增强了系统的安全保密性。

4 实车道路试验

自主开发的智能车载终端经试验验证，软硬件运行状态良好。车载通信功能运行稳定，在试验过程中网络信号正常，电话功能运行良好，无明显信号延时；正常收发短信息，每条短信息最多70个字符；联系人查找可以提高检索效率；GPRS可以连接固定IP地址的监控中心，在试验时可以互相收发信息。车载导航功能运行正常，软件界面以1 Hz频率实时更新车辆的经度、纬度、速度等信息，正常地调用嵌入的第三方导航软件，且道路导航效果良好。MEMS传感器模块实时在线显示监测的数据并且以5 Hz的频率不断刷新，通过视频检测功能可清晰地观测车辆的四周和内室情况。

综合利用MEMS传感器技术、GSM无线网络通信技术、GPS卫星定位导航技术、GPRS网络技术以及视频监测等技术，自主开发了一种用于危险品运输安全的智能车载终端硬件平台和软件系统，可以实现对 “人-车-物”的全面感知，实现了对危险品和运输车的动态监测以及监控中心对运输车辆的远程监控和管理。试验结果表明,设计的智能车载终端取得了一定的研究效果，为深入开展危险品运输安全提供了一定的工程应用指导。为了进一步提高危险品运输车辆监管水平，开发出功能丰富的监控中心软件平台将是下一个阶段的研究重点。

[1]边吉荣，宋丽亚，蔺金元.基于 RFID的危险品运输安全管理系统设计[J].宁夏工程技术，2010(3)：242-245.

[2]姚振强，王建，胡永祥，等.基于 RFID/GPRS/GPS/GIS的危险品物流智能监管系统[J].公路交通科技，2013(2)：147-152.

[3]方来华，刘骥，魏利军，等.危险品运输车辆监控预警系统设计与开发[J].中国安全科学学报，2008(5)：109-115.

[4]陈春贻，朱云，黎嘉明，等.危险品运输实时监控及应急救援服务平台构建[J].中国安全科学学报，2009(6)：109-115.

[5]沈立明，徐俊杰，卢健琦.宝钢危险品运输车辆监控系统的技术与实现[J].宝钢技术，2006(5)：28-31.

[6]曹更永，田玉玛.基于物联网技术的道路危险品运输安全应急管理系统设计[J].物流科技，2013(1)：70-72.

[7]孙棣华，刘卫宁，宋伟.一种适于智能交通系统的交通信息采集及监控系统[J].电子技术应用，2002,28(1):33-35.

[8]杨大凯，王剑，蔡柏根.GSM短消息在GPS交通控制中的应用[J].电子技术应用，2002,28(3):52-54.