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基于RDSS+4G 双网传输的GNSS 车载 定位终端设计

2023-08-08 10:29:42  来源:智能矿山杂志  作者:李志华,刘亚,王静宜,周伟
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北斗卫星导航系统作为我国自主建设、独立运行的全球卫星导航系统(GNSS),已具备向全球提供基础定位数据的能力,同时具备区域短报文通信功能。我国在车辆管理方面已经逐步实现了基于GNSS 位置服务的移动定位功能,国家交通运输部要求大多数的运输车辆上路后安装车辆定位装置,许多露天矿、化工企业也逐渐在车辆安全管理方面加强车辆位置管理,进行实时定位跟踪。但随着车辆定位应用的深入,定位范围要求越来越广泛。现有的车载定位终端大都是基于公网4G网络传输,在许多野外无公网覆盖区域,车辆会出现长时间的断网失联,造成定位数据不连续。在这种应用环境下,笔者充分利用我国北斗卫星系统的RDSS (短报文通信) 功能,开发基于RDSS+4G双网传输的GNSS车载定位终端,可以进行网络数据传输互补;充分利用北斗短报文的通信特点,针对4G网络覆盖不好的区域进行定位数据传输,实现车辆定位数据的连续上传和位置实时跟踪。

研究背景

露天矿一般具有占地覆盖面积大、设备机动性强、人员活动灵活等特点,随着矿山规模和产量的不断扩大,生产设备和人员的数量也在不断增加,对车辆进行实时定位跟踪管理显得十分必要。露天矿运输工作量大、道路分布复杂、驾驶工作枯燥、车辆载重大、受气候影响大,容易发生车辆事故,加强露天矿车辆的定位管理对于降低安全事故隐患发生率、提高生产效率至关重要。

露天矿一般都在偏远区域,车辆移动范围广,存在许多公网通信盲点区域,造成作业车辆和运输车辆的定位数据不连续,企业对车辆的安全管理困难。针对这一难题,笔者充分利用我国自主研发的北斗定位导航通信系统,开发出一种双网传输的GNSS车辆定位终端。车辆通过GNSS进行定位后,解析的位置数据既可以通过公网4G进行传输,也可以通过北斗短报文进行数据传输,可实现车辆定位数据大范围传输与无缝衔接。

GNSS 车载定位终端组网结构与模块介绍

GNSS 车载定位终端组网结构

GNSS车载定位终端采用高集成度一体化设计,兼容北斗定位(RN)、北斗短报文(RD)、4G通信等模组,终端组网拓扑如图1 所示。

以露天矿运输车辆为例,终端在车辆上方通过磁吸的方式进行固定,与车辆的供电电池进行连接;车辆在4G公网信号覆盖区域通过4G网络将定位数据进行上传,在无公网覆盖区域通过北斗短报文进行数据上传。在车辆管理调度中心设计相应的数据库与管理平台,4G网络传输的位置数据通过与公网对接的数据中心进行数据存储与处理;车辆管理调度中心架设北斗短报文指挥机,接收各个车辆通过RD方式传输的位置数据;数据服务中心对数据进行统一的处理与存储,管理平台通过调用相关数据,进行位置实时跟踪、围栏告警、轨迹分析、车辆统计分析、行程分析等。

GNSS 车载定位终端模块介绍

根据终端的功能要求,进行GNSS 车载定位终端结构设计,如图2 所示。按照终端组成模块,主要分为MCU中央处理单元、通信单元、定位单元、电源单元4 个部分。

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(1)MCU中央处理单元

终端的核心部分负责定位数据处理与通信编解码、数据逻辑关系处理,协同4G与RDSS单元进行分步工作;MCU单元提供对应串口、SPI、IO 等接口,与相应的4G通信、RDSS 通信、RNSS 定位模块进行数据交互,获取数据后按照相应处理逻辑进行数据处理与发送;MCU外围部分包括供电、时钟、Flash 及相应的接口协议转换,保障最小系统运行工作。

(2) 通信单元

通信单元主要包括基于北斗短报文的卫星通信系统和基于公网传输的4G通信系统。以公网4G通信作为高优先级,在无公网情况下,启用北斗短报文通信,二者进行区域互补和无缝衔接;外围通过相应的射频电路进行阻抗匹配,达到最佳信号接收、发射效果,提高通信可靠性与稳定性。

(3) 定位单元

基于全球4 大卫星定位系统,兼容北斗、GPS、伽利略、GLONASS 等定位系统,可接收各个卫星系统的原始观测数据,通过数据预处理和滤波解析,获得终端定位的位置数据,相关数据通过串口发送给MCU中央处理单元。

(4) 电源单元

多路多级电压转换,输入电压采用宽电压(9~36 V) 范围设计,满足各种车辆使用要求;终端内部的电源网络主要包括DC4.2 V、DC3.3 V、DC1.8V,分别给定位模组、通信模组、MCU进行供电;相关电压转换选型由相应的工业级直流电压转换芯片进行电压转换。

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GNSS 车载定位终端方案设计及功能实现

硬件电路设计

按照终端内部组成设计,整体电路主要包括MCU及外围模块、RN定位模块、RD短报文模块、4G通信模块、电源转换模块等。

(1)MCU及外围模块

MCU选用ST 系列单片机STM32F405,该芯片资源丰富,自带168 MHz clock 和1 MB 的ROM、194 KB RAM,最高可用6 路串口,3 路SPI、I2C端口,3×12 位多路ADC,2 位×12 位DAC,2 路CAN、USB2.0,满足车载终端的数据高效处理和接口扩展需求。MCU及外围电路组成如图3 所示。

MCU 是整个终端的核心,用于整体的数据通信、存储、编解码和相关逻辑处理;RN定位单元获取的终端位置数据,通过NMEA0183 数据格式发送给MCU处理单元,MCU单元获取数据后进行解码,按照短报文通信格式或者4G的MQTT 数据格式进行编码,增加相关数据帧字节内容,进行统一数据封装,发送给相应的通信模块。MCU及外围的电路设计要求能够保障MCU处理单元的最小系统运转工作,同时相应的接口电平和类型要一致,确保接口硬件部分能够在相同电平下进行对接。此次电路设计主要用到的接口为232、SDIO、USB、SPI、调试等,分别用于通信模块、定位模块、存储、数据通信等。

(2)RN定位单元

车辆定位按照精度要求、收星频点、数据输出格式、功耗与体积等多个方面进行综合选型,普通型定位模组平均定位精度一般≤5 m,高精度定位模组平均定位精度≤1 m。经过综合选型,选用国产中科微ATGM336H,该模组具备高灵敏度,支持BDS/GPS/GLONASS 卫星导航系统的单系统定位,以及任意组合的多系统联合定位的接收机模块。模块支持32 通道,冷启动捕获灵敏度−148 dBm,跟踪灵敏度−162 dBm,定位精度2.5 m (CEP50,开阔地),模块尺寸小(9.7 mm×10.1 mm×2.4 mm),用于车载定位终端集成开发。RN模组作为定位接收的核心,卫星信号广播后由射频接收端进行接收,通过LNA进入定位模组,模组进行数据处理与编码,通过UART 口发送给MCU单元,RN定位电路组成示意如图4 所示。

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RN 定位单元主要用于获取GNSS 卫星数据,UART接口用于MCU通信,2 个接口都是232 电平,可以直接进行连接;LNA 低噪放接收电路,采用LC匹配电路进行滤波,实现卫星信号的最佳接收;射频输入采用MCX接口进行通信,与RN定位天线进行匹配调测,满足50 Ω 阻抗匹配要求。

(3)RD短报文单元

北斗三号短报文是我国北斗定位系统独有的特色,具备短报文通信的功能。在车载定位终端中,RD短报文单元是一个重要传输通道,电路单元如图5 所示,主要包括RD模块、发射单元、接收单元、SIM、UART。RD模块是核心,用于短报文数据协议编码与解析、数据处理、存储,发射和接收单元分别是射频的输入和输出,包括匹配电路设计、滤波设计、LNA设计等;SIM用于读取短报文卡的ID和属性信息,用于卫星出入站的注册和联网。

根据短报文通信流程,发送链路:MCU编码将数据进行打包,通过UART 接口发送给RD 通信模组,模组按照北斗短报文通信协议将数据重新封装后,通过发射端进行数据发送;接收链路:短报文数据经过北斗卫星转发到地面站,地面站再将数据通过北斗卫星转发到接收终端,接收终端的RD模组解析数据后通过串口发送给MCU端,进行解码输出。

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(4) 4G通信单元

4G通信单元主要包括4G模组、接口电平转换、通信接口、模块控制使能、SIM、状态指示、射频电路。4G模组为核心,用于整个通信数据存储、处理、逻辑控制、编解码、数据封装等,模组读取SIM 卡信息后,通过射频与公网进行网络注册和数据通信;由于4G模组串口接口电平是3.3 V,MCU串口电平是1.8 V,存在一定压差,通过晶体管进行相应的电压转换,实现电平一致;同时增加4G模组工作状态指示,用于显示4G网络通信状态;为控制4G 模组工作时间,实现低功耗节能模式,通过MCU接口进行使能控制,使得4G工作在最优状态。4G通信电路原理示意如图6 所示。

针对4G电路单元设计,需要充分考虑能耗和断网时期的数据处理问题,MCU需要实时监测到4G网络状态,以便于控制4G模组进行工作与睡眠;同时做出相应的逻辑指示,启动RDSS 进行通信,保障相关位置数据可以断网续传。

(5) 电源转换单元

车载定位终端采用宽压输入(9~60 V),适配多种车型应用,终端内部模组主要供电包括DC3.3 V、DC4.8 V、DC1.8 V等,需要进行相应的电压转换。终端整机的额定工作功耗较低,但是RD模组发射瞬间功率较大,需要充分考虑电路的瞬间功耗,电源网络电路示意如图7 所示。

在DC12 V 工作条件下,终端的整机工作电流约为0.2 A,但峰值电流可达2 A,尤其是RDSS 模块,在发射状态,瞬间电流较大,所以DC模块选型满足峰值电流要求的模块SCT2650STER;各个单元的供电采用分开并行供电模式,在满足网络供电需求情况下,互不影响。

嵌入式设计

终端嵌入式软件主要由驱动层、算法层、网络层、应用层4 部分组成,主要功能如下:

(1) 驱动层

主要负责对MCU进行初始化,对相应的功能模块RDSS、RNSS、4G等通信接口进行初始化设置,对MCU 芯片进行配置。驱动层是基础,需要对STM32 芯片的初始化条件进行编码,同时对时钟、FLASH 进行设置和驱动,保障MCU最小系统正常运转。

(2) 算法层

终端在移动工作过程中,通过RN 模组对定位数据获取后,需要进行相应的预处理、解析和滤波;并为保障终端远程工作配置,设定相应的算法参数,对终端设备参数进行远程修改、固件升级;通过与平台统一定义私有的数据协议格式,进行协议适配,保障平台与终端的数据可以互联互通。

(3) 网络层

网络层包括4G移动网络、RDSS网络与对应的通信管理,根据网络信息状态,选择不同的网络进行数据传输。优先选用4G网络进行通信,通过注册联网,判定网络信号强度,进行数据发送;当接收到NO carrier 状态指令后,延长判断时间,若延长时间后还是没有4G网络,可以选择北斗短报文网络进行数据传输发送;在不考虑设备供电的情况下,可以将双网模式同时开通,保障2 种网络同时工作,如果一种网络断网,则直接调取另一种网络数据;如果短时间内双网都处于断开状态,则采用缓存,将位置数据进行断网续传。

(4) 应用层

以车辆定位应用为基础,可以扩展到车辆环境监控数据采集与终端的数据采集与分析。通过调取相应的数据,对终端的定位信息读取与显示,终端设备参数读取和远程配置。通过相应的数据分析,开发对应的车辆位置管理、统计分析、轨迹跟踪、电子围栏等功能。整个终端的嵌入式功能架构如图8 所示。

终端上电后,MCU嵌入式系统开始进行外部模组初始化,读取相应的模组参数,4G部分读取SIM卡信息后进行网络注册,注册成功后与后台服务器建立连接,连接成功则证明4G系统通信正常,可以按照数据处理逻辑进行数据处理与发送,将位置数据上传到服务器;联网失败则将位置数据封装成RD通信协议格式,通过RDSS 网络进行数据发送;针对特定车辆定位数据要求高可靠的情况,可以双网并行传输数据,在4G网络畅通的情况,也可以通过RDSS 补充传输相关位置数据,保障车辆位置传输的实时性、可靠性。终端嵌入式系统工作流程如图9 所示。

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系统测试

默认开启2 种网络传输方式,选择测试环境。系统在移动公网覆盖不好的区域进行测试,基于2种通信环境进行数据验证,在4G 断网后,启动RDSS网络进行数据传输。在4G网络环境默认位置更新时间为1 次/s,在RDSS网络环境默认位置更新时间是1 次/64 s。车载终端测试轨迹如图10 所示。整段轨迹包括RDSS数据和4G通信数据。根据车载终端测试数据可知,由于4G位置上传数据频率较高(1 次/s),所以整体数据较为连贯,轨迹较为清晰。受到RDSS本身通信性能影响,RDSS数据上传频率较低(1 次/64 s),数据轨迹不连贯,存在直连轨迹现象(间隔时间达到1 319 s),但是整体位置准确清晰。当车辆经过隧道环境时,RDSS 出现断联,通过补充4G数据轨迹,可实现断网续传。通过测试,不管是4G通信环境还是RDSS通信环境,都存在数据丢失情况,但是整体车辆轨迹较为连续,2种位置数据可以进行互补,保障应用平台对车辆管理跟踪的实时连续性。

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结 语

基于RDSS+4G双网传输的GNSS车载定位终端是一种在特殊行业应用的车辆定位终端,既可弥补现有市场定位终端的不足,也为车辆应急通信提供了一种有效通信保障方式。笔者主要介绍了基于RDSS+4G双网传输的GNSS车载定位终端的应用研究和硬件电路、嵌入式软件研发设计,通过对车载定位终端的市场应用分析,以露天矿车辆定位应用为例,详细描述RDSS+4G 双网络传输车载定位终端的总体和详细设计内容。从硬件各个模块组成、嵌入式功能架构进行剖析,阐述整个终端的设计过程与原理。设计完成后进行系统测试,通过相关测试数据验证了系统实际应用的可行性。


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