基于Linux的ARM 9遠程客車監控系統

張 雪，李 欣，樊迎迎

（哈爾濱理工大學 通信工程系，黑龍江 哈爾濱 150080）

隨著我國汽車數量的增加和國家公路網的建設，城市間的往來日益頻繁，受經濟利益的驅使，長途客運市場普遍存在超員等問題，由此造成的重特大交通事故逐年增加，已嚴重威脅了人民群眾的生命和財產安全。目前，客運交通監管部門主要采用設立檢查站和路上巡檢的傳統方法檢測客車是否超員，這些方法耗費人力物力，自動化程度不高，管理落后而且檢測精度很低。在國內，只有少數地區對當地的部分運營車輛安裝了智能檢測設備。本文設計的監控終端以GPS定位信息和車內的圖像數據為基礎，利用GPRS無線通信技術，通過Internet建立與交通監管中心的通信，對長途客車的超員、超速、以及車輛運行狀況、突發事件等進行實時監控，為交通監管、車輛調度、事故處理提供了必要的依據和證據。

1 系統整體設計方案

本文針對長途客車監控終端的功能要求，以GPS空間定位技術作為定位手段，獲得客車當前的定位信息。同時提出通過攝像頭模塊采集車內圖像的超員檢測方案，即當長途客車在出站和運輸途中，發生開關門動作并重新運動時，車內的攝像頭會自動拍攝圖片，同時將GPS接收信息中的定位信息和車內圖像信息以約定的數據幀格式通過GPRS數據通道上傳至監控中心，方便監控載客數量，避免超員，有效防止了由于司乘人員私自帶客給公司帶來的經濟損失。同時監控人員也可以發送指令，隨時進行圖片拍攝和回傳。此外，當車內發生搶劫、盜竊或意外事故時也可以人為啟動攝像頭進行拍照。這種設計可以在出現超員等情況下使得監控中心第一時間獲取到目標客車的圖像和定位信息，為監控中心實現全方位客車管理提供有力的幫助。系統的整體設計方案如圖1所示。

圖1 系統原理圖Fig.1 System theory diagram

2 系統硬件設計

在硬件設計上，基于系統多任務并發執行的需要，主控電路采用ARM微處理器S3C2440芯片；系統的存儲單元分別采用了SDRAM和NAND Flash；其外圍接口設備包括GPS接收機、GPRS通信模塊、攝像頭等。系統的硬件連接框圖如圖2所示。

圖2 硬件連接框圖Fig.2 Hardware connection diagram

以下就圖中主要電路展開說明。

2.1 微處理器的選擇

文中設計的監控終端要求具有性能高、運行可靠、功耗低等特點。鑒于此，嵌入式微處理器選擇了內核為ARM920T的ARM9處理器。綜合考慮成本、集成度、處理速度、開發難度等諸多因素，本系統決定選擇SAMSUNG公司生產的S3C2440芯片作為系統的微處理器。該處理器是一款基于RISC的32位微處理器，工作頻率為 400 MHz，最高可達533 MHz，滿足了本系統對處理速度的要求，同時該處理器還集成了豐富的通信接口和控制器，有效地降低了系統的復雜度，為系統開發提供了良好的硬件平臺。

2.2 GPS模塊的選型與連接

GPS全球定位系統是最新一代的衛星導航定位系統，可為用戶提供全天候、全球性和高精度的實時定位導航服務。GPS系統包括3個部分：空間部分—GPS衛星星座；地面控制部分—地面監控系統；用戶設備部分—GPS接收機[1]。GPS的空間部分和地面監控部分，是用戶應用該系統進行定位的基礎，而用戶只有通過用戶設備，才能實現應用GPS定位的目的。GPS接收機負責接收GPS衛星發送的定位信號，并計算出車載終端當前所處位置、速度、方向等信息。在嵌入式車載監控終端系統中，從價格、功耗、體積、抗干擾能力等方面比較，本課題選擇了GARMIN GPS15L。最簡單的系統，除GPS外還要包括外部電源和GPS天線。與GPS系統的通信可以通過RS232或CMOS電平的串行口來實現。

2.3 GPRS模塊的選型與連接

GPRS技術具有實時在線、覆蓋范圍廣、數據傳輸速率高等優點，目前被廣泛應用于遠程監控系統中，主要完成被監測數據的遠程無線傳輸。采用GPRS無線通信技術進行遠程數據傳輸為該系統的實時監控管理提供了良好的解決方案。GPRS通信模塊主要完成無線上網的功能，通過GPRS傳輸手段連接到Internet網絡，并主動與監控中心建立雙向數據通信鏈路。文中選用SIMCOM公司的SIM300模塊，它可自動掉線重連，支持GSM／GPRS通信，內嵌了強大的TCP／IP協議棧，AT指令功能完善，具有SIM卡連接、天線、RS232串口等接口。S3C2440提供標準的RS232串口，可以通過串口和各種外設進行通信。SIM300與S3C2440之間的通信就是通過串口來實現的。

2.4 攝像頭模塊的選型與連接

考慮到無線網絡的帶寬限制和本系統的應用背景，文中采用了靜態圖像監控方式。選用的是網眼V2000攝像頭，它的成本低、成像速度快、圖片質量高，具有良好的通用性。其采用USB接口，不需要視頻卡，可即插即用，使用方便，圖像清晰連貫。其圖像傳感器和數字信號處理芯片為Omnivision公司的OV7620和OV511。

OV7620是一款高集成度、高分辨率的彩色圖像傳感器。其分辨率為640×480（30萬像素），傳輸速率可達30幀/秒。OV7620的控制采用 SCCB（Serial Camera Control Bus）協議，可利用其SCCB（Serial Camera Control Bus）接口完成對它的有關設置和讀取圖像數據。OV511是攝像頭的主控芯片，其片內的高性能壓縮引擎可使圖像的壓縮比達到7:1，保證了從圖像傳感器到主控制器的快速圖像傳輸。

網眼V2000攝像頭通過其USB接口直接與CPU上集成的USB Host接口相連。

3 系統軟件設計

常見的嵌入式操作系統有 Linux、WinCE、Vxworks等。Linux操作系統的源碼完全開放，由于其具有高效穩定、內核小、執行速度快，網絡資源豐富，可移植性好等優點，廣泛應用于嵌入式系統領域[2]。因此，選擇嵌入式Linux操作系統作為本系統的軟件開發平臺。

在軟件設計上，首先需建立交叉編譯環境，用來編譯引導程序和Linux內核。然后完成引導程序Bootloader的移植；配置和編譯Linux內核；制作根文件系統以及編寫各外設與CPU間的接口驅動程序。最后，通過編寫上層應用程序完成GPS信息采集、圖像采集、GPRS傳輸等功能[3]。下面具體介紹了幾個主要程序的設計思路。

3.1 圖像采集程序

在車載監控系統中，攝像頭網眼V2000是以ov511為主控芯片的攝像頭，它的驅動主要是要實現結構體相應函數功能。由于Linux內核自帶ov511驅動，所以不用再自己編寫攝像頭的驅動程序，只需在定制內核的時候選中即可[4]。

當Linux系統正常啟動后，插上V2000攝像頭，如果成功加載驅動，將為攝像頭在/dev/v4l/目錄下創建設備文件device0，上層應用程序即可通過此設備文件訪問攝像頭，實現拍攝圖像的功能。嵌入式系統平臺已搭建成功，要實現實時地獲取圖像，就需要利用V4L（Vidio For Linux）編程接口實現圖像采集程序了。考慮到攝像頭采集的640×480的RGB圖像數據量較大，這里用圖像壓縮函數put_image_jpeg將圖像轉化為JPEG格式，這樣存儲時就減少了占用的Nand Flash空間，同時通過GPRS網絡回傳監控中心時，也減少了傳輸費用和確保傳送成功[5]。

3.2 GPS解析程序

GPS接收機GPS15L輸出數據格式符合NMEA-0183標準。NMEA-0183協議是由美國國家海洋電子協會制定的一種串行通信的數據協議，所有輸入輸出信息均為一行ASCII字符。它的一條消息稱為語句（Sentence），每條語句都以‘$’開始，以回車換行符（）結束，中間是用逗號分隔的若干個域。一條NMEA-0183語句包含以下5個部分：

起始符，固定字符‘$’，表示語句開始；

標識符域，表示一條語句的全部數據域的特定格式，長度可變；

數據域，包含各種類型的數據，各數據之間用逗號分隔，數據域可以為空，但用來分隔數據的逗號不可省略；

校驗和，以‘*’開始，由2個字符的十六進制數組成；

結束符，固定字符，表示語句結束。

NMEA-0l83語句中最常見的幾種格式有GPGGA、GPRMC、GPGSV、GPVTG等，它們包含的信息不盡相同。本設計中采用的是 GPGGA（Global Positioning System Fix Data）輸出語句，它包含了主要的GPS定位數據。

GPS信息解析程序流程圖如圖3所示。

圖3 GPS信息解析程序流程圖Fig.3 GPS information analysis program flow chart

3.3 GPRS數據傳輸程序

GPRS數據傳輸任務分為GPRS初始化、建立連接、傳輸數據和斷開連接這4個步驟[6]。

GPRS初始化主要是完成波特率等通信參數的設置。初始化完成后，就可以通過AT命令建立和GPRS網絡的物理層連接，然后實現GPRS網絡的附著、PDP激活、傳輸環境配置，進而建立PPP數據鏈路，最后實現Internet的接入，進入數據傳輸階段。本設計中，采用的中國移動的GPRS網絡。當撥號上網成功后，就通過中國移動網關連接到了Internet，因此就可以利用TCP/IP協議與Internet上的交通監管中心的IP地址進行通信了。由于Linux操作系統已內置TCP/IP協議棧，因此可以直接使用套接字編程實現數據傳輸。套接字的基本模式是C/S（客戶/服務器），監控終端是客戶模式，而遠程監控中心是服務器模式。GPRS數據傳輸程序的流程圖如圖4所示。

4 結束語

圖4 GPRS程序流程圖Fig.4 GPRS program flow chart

針對長途客車監控手段相對落后以及事故頻發的現狀，提出了一種基于GPRS/GPS的監控系統。經實驗測試，該系統在靈敏度和精度上均能滿足實際的需求，解決了傳統的巡檢方式造成的人員浪費和檢測精度低的問題，有效防止了客車超員現象的發生，為長途客運的安全提供了保障，同時也使得交通監管部門的工作更科學化、系統化和自動化。此外，本系統還可以進一步擴充，如可以增加免提車載電話、語音提示、報警開關等，使監控系統的功能更加完善和智能。

[1]劉基余.衛星導航定位原理與方法[M].北京:科學出版社.2008.

[2]田日才，黃佳.GPS/GPRS車載監控終端的設計與實現[J].現代電子技術，2008，31（15）:186-188.TIAN Ri-cai，HUANG Jia.Design and implementation of car monitor terminal based on GPS/GPRS[J].The Modern Electronic Technology，2008，31（15）:186-188.

[3]吳軍，周轉運.嵌入式Linux系統應用起初與開發范例[M].北京:人民郵電出版社，2007.

[4]徐大誠，邵雷，李培光.基于USB2.0的數字圖像視頻流的實時捕捉與顯示系統的設計與實現[J].計算機應用與軟件，2008（9）:133-135.XU Da-cheng，SHAO Lei，LI Pei-guang.Design and implementation of real-time capture and display system of the digital images the video streaming based on USB2.0[J].Computer Application and Software，2008（9）:133-135.

[5]劉秀英，趙剛.基于ARM的視頻圖像采集及無線傳輸系統[J].計算機時代，2008（11）:20-21.LIU Xiu-ying，ZHAO Gang.The video image acquisition and wireless transmission system based on ARM[J].The Computer Age，2008（11）:20-21.

[6]張艷紅.基于嵌入式Linux系統PPP協議的實現 [J].信息與通信，2006（17）：43-46.ZHANG Yan-hong.The implementation of PPP protocol based on embedded Linuxsystem[J].Information and Communication，2006（17）：43-46.