基于GPS和3G的智能公交終端設(shè)計(jì)

沙金竹，李 欣，李殿君

（哈爾濱理工大學(xué) 通信工程系，黑龍江 哈爾濱 150080）

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城市公交事業(yè)有了迅猛的發(fā)展，主要表現(xiàn)在：車輛變靚，站點(diǎn)增加，營(yíng)運(yùn)時(shí)間延長(zhǎng)，線路增多，市民出行時(shí)已感到這種可喜的變化。但隨著生活節(jié)奏的加快，對(duì)生活品質(zhì)要求的提高，乘客們?cè)缫巡荒軡M足于現(xiàn)有的服務(wù)質(zhì)量。乘客的服務(wù)要求不僅體現(xiàn)在乘車過程中，還體現(xiàn)在乘車前后；不僅需要有車乘，而且需要乘好車、好乘車。這些多層次、多元化的需求都是傳統(tǒng)運(yùn)營(yíng)模式、調(diào)度方式所無法做到的，只有智能公交系統(tǒng)的實(shí)施才能夠從根本上解決這些問題。智能公交系統(tǒng)的實(shí)施，不僅可以給乘客帶來巨大的利益，提升城市形象，還以為公交企業(yè)節(jié)約大量經(jīng)營(yíng)成本，提高科學(xué)管理水平。因此智能公交系統(tǒng)的建設(shè)著重大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益[1]。

智能公交系統(tǒng)由以下幾部分組成：

1）車載設(shè)備子系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱“車載終端”；

2）車站智能電子站牌子系統(tǒng)；

3）公交管理系統(tǒng)。

文中主要以車載設(shè)備子系統(tǒng)—車載終端為研究對(duì)象展開論述。

1 系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)

文中研究的是一種基于GPS和3G的智能公交終端，簡(jiǎn)而言之就是研究車體部分車載終端設(shè)備。本文的研究主要分3大部分：視頻監(jiān)控部分；GPS定位部分；通過現(xiàn)有3G網(wǎng)絡(luò)傳輸部分。

視頻監(jiān)控部分，主要是在車廂外部設(shè)置2個(gè)攝像頭，車廂內(nèi)部設(shè)置4個(gè)攝像頭。車廂外部在車的前后各設(shè)置一個(gè)攝像頭，用來監(jiān)控車體的前后車況，為交通意外發(fā)生后的責(zé)任判定提供有力證據(jù)。車廂內(nèi)部在司機(jī)處設(shè)置1個(gè)攝像頭，用來監(jiān)控司機(jī)是否有打電話，閑聊等違規(guī)操作；在票箱處設(shè)置1個(gè)攝像頭，用來監(jiān)控偷票漏票現(xiàn)象；在車體中間設(shè)置1個(gè)攝像頭，用來防止乘客碰瓷索賠，車內(nèi)偷盜等，減少公交車上的犯罪率。下客門設(shè)置1個(gè)攝像頭，用來觀看乘客下車情況，乘客是否全部下車，是否有乘客從后門上車等逃票現(xiàn)象。

GPS定位部分，實(shí)現(xiàn)完善的導(dǎo)航功能。通過GPS全球定位系統(tǒng)確定公交車所在位置信息，把公交車所在的位置，路況信息可以實(shí)時(shí)的傳送到PC機(jī)監(jiān)控端，這樣對(duì)車輛的調(diào)度起到關(guān)鍵的作用。

3G網(wǎng)絡(luò)傳輸部分，近年來我國(guó)的3G網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)很成熟了，可以高效的傳輸視頻信息，本系統(tǒng)就是通過3G網(wǎng)絡(luò)將公交車上采集到的視頻信息和GPS信息傳輸?shù)娇刂贫耍瑢?shí)現(xiàn)公交車運(yùn)行時(shí)的全程監(jiān)控。系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖Fig.1 Block diagram of the whole system

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

硬件設(shè)計(jì)上，本系統(tǒng)采用ARM微處理器S3C2440芯片作為主控芯片，系統(tǒng)為存儲(chǔ)擴(kuò)展了128MB的NANDFLASH和64MB的SDRAM，這樣可以更好的儲(chǔ)存視頻信息。系統(tǒng)的外圍擴(kuò)展模塊包括通用USB攝像頭、GPS模塊、3G模塊和LCD顯示屏。系統(tǒng)的硬件框圖如圖2所示。

圖2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖Fig.2 Hardware design diagram

2.1 主控芯片的選擇

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的監(jiān)控終端要求多路傳輸，實(shí)時(shí)性強(qiáng)，低功耗等特點(diǎn)。因此本系統(tǒng)的主控芯片選擇了內(nèi)核為ARM920T的ARM9處理器。由于S3C2440芯片應(yīng)用比較廣泛，片內(nèi)資源豐富，資料齊全，價(jià)格適中，所以選擇它作為系統(tǒng)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(dá)533 MHz，滿足了本系統(tǒng)對(duì)處理速度的要求，同時(shí)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(tǒng)的復(fù)雜度，為系統(tǒng)開發(fā)提供了良好的硬件平臺(tái)。

2.2 攝像頭模塊的選型與連接

文中采用的是動(dòng)態(tài)視頻形式的監(jiān)控方式。選用的是網(wǎng)眼V2000攝像頭，其圖像傳感器和數(shù)字信號(hào)處理芯片為Omnivision公司的OV7620和OV511它的成像速度快、圖片質(zhì)量高、成本低，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，馬賽克比率低。為視頻的良好錄制提供了可靠的硬件基礎(chǔ)。網(wǎng)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。

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，傳輸速率可達(dá)30幀/秒。OV7620的控制采用SCCB（Serial Camera Control Bus）協(xié)議，可利用其SCCB（Serial Camera Control Bus）接口完成對(duì)它的有關(guān)設(shè)置和讀取圖像數(shù)據(jù)。

OV511是攝像頭的主控芯片，其片內(nèi)的高性能壓縮引擎可使圖像的壓縮比達(dá)到7：1，保證了從圖像傳感器到主控制器的快速圖像傳輸。

2.3 GPS模塊的選型與連接

本系統(tǒng)的GPS模塊采用的是HOLUX的GR-87模塊。該模塊支持NMEA0183協(xié)議[2]，支持V3.3-V5.5電壓輸入，TTL接口電平，波特率可置。在本系統(tǒng)中，GR-87模塊通過6PIN排線與主板相連，1腳為電源輸入腳，接5 V電源，2、3腳為GPS模塊的數(shù)據(jù)接收和發(fā)送，5腳接地。工作時(shí)，GPS模塊串口2與主控制器S3C2440進(jìn)行通信，通過設(shè)置模塊定時(shí)輸出GPS定位數(shù)據(jù)，由主控制器對(duì)GPS數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，提取出經(jīng)緯度，時(shí)間等有用信息，為自動(dòng)報(bào)站及正點(diǎn)考核提供可靠數(shù)據(jù)，保證報(bào)站及正點(diǎn)考核功能的實(shí)現(xiàn)[3]。

2.4 3G模塊的選型與連接

根據(jù)無線接口技術(shù)的不同，現(xiàn)有3G技術(shù)可以分為聯(lián)通的WCDMA技術(shù)、電信的CDMA2000技術(shù)和移動(dòng)的TDSCDMA技術(shù)。考慮到傳輸帶寬、網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性、實(shí)用性等因素，本系統(tǒng)采用電信CDMA2000作為無線網(wǎng)絡(luò)傳輸，采用中興公司的MC8630模塊作為視頻數(shù)據(jù)傳輸模塊。MC8630模塊具有語音、短信、數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)和GPS等功能，工作頻段為800 MHz，通過雙天線接收分集技術(shù)和均衡技術(shù)，上行速率最高可達(dá)3.1 Mbit/s下行速率最高可達(dá)3.1 Mbit/s。可以通過USB接口將MC8630模塊連接到MIN2440（S3C2440為主芯片的開發(fā)板）處理器上，實(shí)現(xiàn)封裝后的視頻數(shù)據(jù)傳輸。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

目前常見的嵌入式操作系統(tǒng)主要有 WinCE、Linux、Vxworks等幾種。其中Linux操作系統(tǒng)的源碼完全開放。由于其自身具有高效穩(wěn)定、網(wǎng)絡(luò)資源豐富、內(nèi)核小、執(zhí)行速度快，可移植性好等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域。所以，選擇嵌入式Linux操作系統(tǒng)作為本系統(tǒng)的軟件開發(fā)平臺(tái)[4]。

在軟件設(shè)計(jì)方面，首先需要在單片機(jī)和PC機(jī)之間建立交叉編譯環(huán)境，用來編譯引導(dǎo)程序和Linux內(nèi)核。然后完成引導(dǎo)程序Bootloader的移植；配置和編譯Linux內(nèi)核；制作根文件系統(tǒng)以及底層驅(qū)動(dòng)程序。最后，通過編寫上層應(yīng)用程序完成圖像采集、GPS信息采集、3G傳輸?shù)裙δ堋Ｏ旅鎺坠?jié)詳細(xì)的介紹了幾個(gè)主要程序的設(shè)計(jì)思想。

3.1 圖像采集程序

在視頻采集方面，本文采用的攝像頭是網(wǎng)眼V2000，它是一款是以ov511為主控芯片的攝像頭。選用它的原因是由于Linux內(nèi)核自帶ov511驅(qū)動(dòng)，所以不用再自己編寫攝像頭的驅(qū)動(dòng)程序，只需在定制內(nèi)核的時(shí)候選中即可。為開發(fā)節(jié)省了時(shí)間。

當(dāng)Linux系統(tǒng)正常啟動(dòng)后，插上V2000攝像頭，如果成功加載驅(qū)動(dòng)，將為攝像頭在/dev/v4l/目錄下創(chuàng)建設(shè)備文件device0，上層應(yīng)用程序即可通過此設(shè)備文件訪問攝像頭，實(shí)現(xiàn)拍攝圖像的功能。嵌入式系統(tǒng)平臺(tái)已搭建成功，要實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)地獲取圖像，就需要利用V4L（Vidio For Linux）編程接口實(shí)現(xiàn)圖像采集程序了。考慮到攝像頭采集的640×480的RGB圖像數(shù)據(jù)量較大，這里用圖像壓縮函數(shù)put_image_jpeg將圖像轉(zhuǎn)化為JPEG格式，這樣存儲(chǔ)時(shí)就減少了占用的Nand Flash空間，同時(shí)通過3G網(wǎng)絡(luò)回傳監(jiān)控中心時(shí)，也減少了傳輸費(fèi)用和確保傳送成功。

3.2 GPS解析程序

GPS接收機(jī)HOLUX的GR-87模塊輸出數(shù)據(jù)格式符合NMEA.183標(biāo)準(zhǔn)。NMEA.0183協(xié)議是由美國(guó)國(guó)家海洋電子協(xié)會(huì)制定的一種串行通信的數(shù)據(jù)協(xié)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（＜CR>＜LF>）結(jié)束，中間是用逗號(hào)分隔的若干個(gè)域。

由于此GPS模塊設(shè)置信息掉電丟失，在每次系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)均要對(duì)該GPS模塊進(jìn)行初始化[5]。將模塊設(shè)置成每秒鐘輸出一次GPS信息。系統(tǒng)啟動(dòng)后，模塊接收GPS信息，然后解析出GPS信息，根據(jù)解析出來的經(jīng)緯度信息與數(shù)據(jù)區(qū)中存儲(chǔ)的站點(diǎn)信息比較，計(jì)算出實(shí)際距離。如果距離到達(dá)閥值時(shí)，啟動(dòng)GPS報(bào)站中斷。該GPS模塊接收模塊遵循NMEA.0183協(xié)議，可以輸出多種格式的數(shù)據(jù)幀，均以“MYM”開頭。輸出數(shù)據(jù)采用的是ASCII碼字符，內(nèi)容包含了緯度、經(jīng)度、速度、日期、航向及衛(wèi)星狀況等信息。該系統(tǒng)所使用的僅限于$GPRMC定位數(shù)據(jù)幀格式。系統(tǒng)啟動(dòng)后，通過串口對(duì)GPS模塊進(jìn)行設(shè)置，由于系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)性要求不高，將GPS設(shè)置為每秒鐘輸出一次RMC數(shù)據(jù)。提取GPRMC語句的思路是設(shè)置一個(gè)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，把接收到的GPS數(shù)據(jù)都放入這個(gè)緩沖區(qū)，當(dāng)緩沖區(qū)滿了的時(shí)候就在緩沖區(qū)中查找是否接受到GPRMC定位語句，如果沒有接收到則重新接GPS數(shù)據(jù)。如果找到GPRMC定位語句則還要判斷該語句在緩沖區(qū)中的位置離緩沖區(qū)的最大字節(jié)數(shù)是否大于62個(gè)字節(jié)（因?yàn)楸境绦蛑行枰腉PRMC定位語句所包含的字節(jié)數(shù)為62），然后通過多程序提取相關(guān)經(jīng)緯度、時(shí)間和速度等信息并通過數(shù)據(jù)處理線程進(jìn)行相關(guān)處理。運(yùn)行過程如圖3所示。

圖3 GPS模塊運(yùn)行過程Fig.3 GPS module operation process

3.3 3G模塊解析程序

MC8630模塊驅(qū)動(dòng)可以通過驅(qū)動(dòng)源碼交叉編譯生成。MC8630模塊的加載和撥號(hào)連接的過MC8630模塊驅(qū)動(dòng)可以通過驅(qū)動(dòng)源碼交叉編譯生成。MC8630模塊的加載和撥號(hào)連接的過程如下[6]：

1）在編譯前首先要確認(rèn)編譯驅(qū)動(dòng)和編譯內(nèi)核的編譯環(huán)境相同，也就是需要相同版本號(hào)的交叉編譯工具（本系統(tǒng)Linux版本號(hào)為2.6）；

2）修改驅(qū)動(dòng)源碼Makefile文件，包括添加內(nèi)核源碼目錄和編譯工具；

3）Make 編譯之后，生成 ztemt.ko；

4）insmod ztemt.ko， 生成 4個(gè)設(shè) 備節(jié) 點(diǎn)/dev/ttyUSB0-ttyUSB3；

5）mknod/dev/ttyUSB0 c 188 0，創(chuàng)建設(shè)備節(jié)點(diǎn)；

6）編寫Linux下?lián)芴?hào)腳本、chat配置文件和賬號(hào)密碼配置文件；

7）添加內(nèi)核選項(xiàng)，編譯支持PPP協(xié)議的內(nèi)核；

8）pppd call evdo撥號(hào)連接，ifconfig查詢網(wǎng)絡(luò)是否連接；

9）ppp-off中斷連接。

4 結(jié)束語

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的智能公交終端采用先進(jìn)的3G/GPS技術(shù)，通過對(duì)公交車輛運(yùn)行時(shí)的信息的采集、傳輸和處理，實(shí)現(xiàn)了對(duì)公交運(yùn)營(yíng)車輛的實(shí)時(shí)監(jiān)控和調(diào)度，迅速調(diào)整公交車輛的運(yùn)行狀況，提高車輛工作的效率，使公交資源實(shí)現(xiàn)最佳利用和分配，達(dá)到公交的智能化。

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