引言

北斗衛星導航系統是我國自主發展、獨立運行的全球衛星導航系統，系統建設目標是建成獨立自主、開放兼容、技術先進、穩定可靠、覆蓋全球的北斗衛星導航系統，促進衛星導航產業鏈形成，并完善國家衛星導航應用產業支撐、推廣和保障體系，推動衛星導航在國民經濟社會各行業的廣泛應用。

行車記錄儀作為車輛管理、調度、安全保障、交通事故判定等方面的有效工具，在歐盟、日本等國家70年代就開始以立法形式在部分客運車輛及貨車上強制安裝使用。我國自80年代后期開始研制使用汽車行駛記錄儀，2003年推出推薦性國家標準《汽車行駛記錄儀》(GB/T190 56)。2014年初中華人民共和國交通運輸部發布《道路運輸車輛動態監督管理辦法》(中華人民共和國交通運輸部、中華人民共和國公安部、國家安全生產監督管理總局令2014年第5號)，要求公路營運的載客汽車、危險貨物運輸車輛、半掛牽引車及重型載貨汽車(總質量為12噸以上的普通貨運車輛)在2015年12月31日前全部安裝、使用衛星定位裝置，并接入道路貨運車輛公共平臺。隨著北斗衛星導航系統的日益完善，行車記錄儀已進入成熟、必備使用階段。

隨著北斗系統空間端和地基增強系統的不斷建設，北斗系統在信號捕獲、信號跟蹤、高精度授時、定位精度、抗干擾力等技術方面先后取得多項重大突破，成為繼美國全球衛星定位系統(GPS)和俄羅斯全球衛星導航系統(GLONASS)之后的第三個成熟的衛星導航系統。交通運輸作為北斗的主要應用領域，成為軍民融合式北斗應用推廣的排頭兵。

2011年10月交通運輸部啟動了“重點運輸過程監控管理服務示范系列工程”，標志著交通運輸領域北斗應用示范工程正式啟動實施，率先應用于重點營運車輛監控管理。該項目涉及“兩客一危”運輸車輛(包括旅游包車、長途班線客車和危險化學品運輸車)、應急保障車輛、重載普貨車輛等重點營運車輛，通過北斗系統提高運輸過程超速、疲勞駕駛、非法運營等違法違規行為的監控能力，提升管理水平，減少交通事故，提高經濟效益，同時驗證北斗系統性能指標。行車記錄儀即是該工程的具體產品。

1 行車記錄儀功能概述

行車記錄儀具有下述功能：具有數據記錄功能，可以記錄行駛速度、位置信息、照片、錄音、駕駛人身份、里程、安裝參數等;具有分析判斷功能，通過屏幕或語音為用戶發出安全警示，如疑點、超時、非法駕駛、超速、速度狀態異常等;感知車輛狀態，如車門、供電、車燈、引擎、點火裝置、制動等;具備鎖定、鑒權，以及對駕駛員進行身份認證功能;具備自檢功能，可以自動檢查衛星定位及通信模塊工作狀態、主電狀態、衛星定位天線、外設等是否工作正常，并告知用戶自檢結果。除此之外，設備可以定位并接收位置數據，通過串口對設備進行輸出和配置，SD、USB進行數據輸出、參數修改、固件更新;固件更新、參數修改過程中遇到掉電等意外情況時支持自動恢復功能，保證更新失敗時終端能夠正常使用。

為方便管理與監控，監控中心可以通過無線網絡遠程對設備進行參數配置與修改、查詢或執行特定操作，并實現設備在監控中心注冊和注銷功能、固件更新功能、終端的復位或恢復出廠設置等功能。設備的拍照、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確無誤。

2 硬件架構

根據上述功能，可以設計出硬件基本架構。因有遠程監控和人機界面交互功能，項目采用了移遠通信模塊M10，負責遠程通信、MMI人機界面交互、錄音以及電話功能;主芯片采用基于ARM Cortex—M3內核的微控制器LPC1788，進行拍照、數據采集與存儲以及事件狀態判斷;北斗芯片采用和芯星通UM220。為支持掉電、事故等意外情況時設備能夠自動恢復功能并及時保存實時數據，項目采用了鐵電存儲器，以加快訪問速度，并保證數據在各種惡劣環境下可以長時間保存。原理框圖如圖1所示。

3 軟件關鍵技術分析及對策

LPC1788采用單一進程掛載FATFS文件系統的軟件架構(無操作系統)，采集、分析、存取各種數據。在實際使用中，會遇到以下問題。

3.1 GNSS定位漂移

當前正式運營的導航系統北斗二號采用無源時間測距技術進行定位。理論上，用戶接收至少4顆導航衛星發出的信號，根據信號傳輸時間測定用戶到這些衛星的距離，依據三球交匯的原理，用戶終端自行計算得出其三維坐標與速度。而在實際使用中存在各種因素導致衛星測量誤差出現定位漂移，如星歷誤差(衛星位置誤差)、衛星時鐘誤差、大氣傳播延遲修正殘差、天線多路徑效應誤差、高程量取誤差、接收機測距誤差及其本身的噪聲等。

本項目除使用AGPS獲取完整星歷(衛星位置、速度)以使用更多衛星改善DOP值(精度因子)外，采用以下組合方案進行改善：

首先，在北斗芯片冷啟動定位成功后丟掉前5個點，此時的點為上次啟動芯片最后一次成功定位的點位置，以避免硬件上電初期的不穩定或廠家為縮短定位時間而采取快速定位的策略導致定位不準，保持位置信息的延續性。

其次，設置速度最大閥值，若NMEA速度超過該值則直接丟棄該點。例如地面最快的跑車速度也不會超過350 km/h，若超過此值則屬漂移直接丟棄該點，或兩點距離(每秒取點)超過此值則丟棄后一點。

再次，設置速度最小閥值，若NMEA速度或兩點相對速度小于該值則判定設備靜止，強制速度為0，位置信息采用上次點數據，從而消除靜態漂移。重力加速傳感器感知車輛是否運動，與點火器配合使用，可獲得車輛靜止熄火信息，此時需設置定位信息為同一點，可在一定條件下避免靜態漂移。因車速傳感器無法區分拖車狀態，不能作為車輛靜止標志和消除漂移的參考條件。

3.2 數據處理

根據硬件特性，LPC1788自帶片上NVRAM和EEPROM，另增加鐵電存儲器，并支持SD卡和U盤。片上NMVRM用于存放遠程升級代碼，設備初始值和配置參數(車輛信息、狀態量配置信息、脈沖系數、初次安裝日期、超速閥值等);鐵電存儲器用于保存臨時變量(多媒體ID、駕駛員登入最后一次時間、駕證等)、0.2 s間隔的速度傳感器速度、狀態信號、位置信息;SD卡、U盤用于本地固件更新與參數修改，并以文件形式存放處理過的各種數據。

處理過的數據分別按發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、參數修改、疑點發生、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、定距、劫警、平臺等)也存放于各自目錄下，如圖2所示。

此處特別說明多媒體數據處理。多媒體數據可本地保存或立即上傳監控中心。為確保實時數據完整上傳，須建立臨時多媒體文件存于相應目錄下，平臺確認接收完整后自動刪除。多媒體文件可以按類型、通道、時間、事件類型的不同需求檢索上傳，除時間可從文件屬性中獲得，項目對其實行命名規則(媒體文件名規定為4字節)以識別其他要素，如圖3所示。還需注意，圖片數據量與拍攝場景復雜度、壓縮率、象素有關，定時、定距拍攝間隔的設置應加以限制，以避免因數據量過大即進行下一個多媒體文件的操作而造成丟失數據。

處理過的數據會根據不同的需要寫入SD卡中。其中，速度、位置信息需要定時寫入，疑點、疲勞駕駛、拍照、速度狀態等文件需等事件發生后寫入。這存在一定概率的文件寫沖突，造成文件亂碼或存儲位置錯誤。由于是單線程，在解析、執行操作命令時，也可能因中斷響應造成漏存數據。要解決該問題，可設置存放采集數據的RAM部分冗余，在其他文件寫時，采集到的數據仍可繼續存于RAM中，避開寫沖突。

因存儲空間有限，保存文件需要自清理。以位置信息文件為例，預留雙倍指定容量，一為正式文件，另一為備份文件。當正式文件存滿時，將正式文件的內容復制至備份文件并清空，后續數據繼續存入正式文件;若正式文件再次存滿，則刪除備份文件，再次將正式文件內容備份并清空以做后續數據存儲。流程如圖4所示。

3. 3 數據傳輸

從圖1中可以看出，M10、北斗和前面板三個串口可以同時向LPC1788發送數據。LPC1788在單線程且內存有限的情況下，會因中斷響應、處理流程等原因丟失數據，如LPC1788處理照片上傳時，M10錄音數據需要保存。解決此類問題，可以使用每包雙向確認進行可靠連接傳輸，但該過程復雜、運行效率不高。項目采用面向非連接協議，直接發包，除設置其中斷優先級外，還需增加流量控制，為LPC1788留出處理時間，增強數據傳送可靠性。

此處設置北斗數據接收中斷為最高優先級，M10其次，前面板最低。M10和LPC1788分別用GPIO模擬RTS(Request to Send)可以接收數據和CTS(Clear to Send)允許發送數據。M10、LPC1788每次發送數據前，查詢本地CTS是否可以發送數據。當M10、LPC1788接收數據超過閥值時，置位本地RTS，禁止對方發送數據;處理就緒，即清除本地RTS允許接收數據。因M10與LPC1788通信采用面向非連接協議，所以存在因誤碼而丟包的概率。可以通過監控平臺發補包和命令補包，也可自行內部補包，提高上傳平臺效率及平臺感受。以多媒體拍照數據實時上傳為例，首先拍照存臨時文件，然后分包傳送數據，并開啟緩沖發送隊列。當遇到CTS為高時，將上傳多媒體ID與未上傳的分包序號存人隊列，退出與M10的數據發送流程，并在主函數中不斷輪詢CTS。當CTS為低時，相關參數出隊列，重新執行與M10的數據傳送，在已存儲的臨時文件中按分包序號查找起始地址，組包發送數據。

結語

本文分析了北斗行車記錄儀的主要功能和設計思路，以及在研發過程中遇到的一些關鍵問題，并提出解決方案。目前，該項目產品(見圖5)已通過交通運輸信息工程質量檢測中心檢測，進入道路貨運車輛公共監管與服務平臺工作終端技術支持小組檢測，以及CCC認證。

這是第一代產品，還有許多待改進、擴展的地方：支持對CAN協議分析，進行實時故障診斷，了解車輛車身調平、胎壓、空調系統、自動燈開關等狀態，并進行遠程操作;目前產品采用RSA加密、IC卡認證與鑒權以確保信息安全，杜絕非法使用車輛，可做調整以適應于軍用、警用等。