嵌入式公交車輛監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

王培麗，王曉華

（西安工程大學(xué) 電子信息學(xué)院，陜西 西安710048）

0 引 言

隨著城鎮(zhèn)化節(jié)奏的加快，環(huán)保意識的日益增強，乘坐公交出行已成為大多數(shù)人的首選，然而公交車輛安全事故頻繁發(fā)生，解決公交車輛的安全性問題迫在眉睫［1－2］.為了更好的維護社會秩序，方便人們的生活，保證人民的生命安全，需要對公交車輛進行實時跟蹤，對車廂狀態(tài)進行監(jiān)控，遇到突發(fā)事件能夠做出迅速處理［3］.

目前，對各種車輛監(jiān)控的研究國內(nèi)已取得一些成果.文獻［4］采用嵌入式技術(shù)、無線通信技術(shù)提出了旅游車輛監(jiān)控終端實際方案，能夠?qū)崿F(xiàn)車廂內(nèi)部的圖片傳輸，但卻沒有安全信號報警；文獻［5－6］結(jié)合GPS技術(shù)、GPRS技術(shù)及多數(shù)據(jù)流傳感器實現(xiàn)公交優(yōu)先的智能控制及檢測定位，但是同樣沒有對公交車可能存在的安全問題提出解決措施.文中研制了一套公交車輛監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠?qū)④囕v行駛狀態(tài)、運行環(huán)境、是否存在易燃易爆物品、乘客過多、溫度過高等信息通過GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至車輛監(jiān)控中心，以便對車輛進行監(jiān)控，實現(xiàn)安全管理.

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 硬件設(shè)計

車輛監(jiān)控系統(tǒng)是一套多項技術(shù)交融的復(fù)雜系統(tǒng)，即將信息采集、存儲和事件處理于一體［7］.采用模塊化的設(shè)計思想，堅持標準化、穩(wěn)定性和高效性的設(shè)計原則，將系統(tǒng)分為數(shù)據(jù)采集節(jié)點、車載終端、公交監(jiān)控中心3部分.數(shù)據(jù)采集節(jié)點將攝像頭采集的信息及傳感器檢測到的信息進行編碼、打包經(jīng)WiFi發(fā)送至車載終端，車載終端接收到數(shù)據(jù)及GPS的定位信息并將顯示在終端，同時通過GPRS網(wǎng)絡(luò)傳送至公交監(jiān)控中心，監(jiān)控中心對接收到的數(shù)據(jù)進行存儲、顯示.總體框圖如圖1所示.

圖1 總體框圖Fig.1 General block diagram

1.1.1 數(shù)據(jù)采集節(jié)點 數(shù)據(jù)采集節(jié)點使用ARM11體系的S3C6410微處理器作為控制器，用來采集公交信息：溫度傳感器采集車內(nèi)當前溫度；壓力傳感器通過乘客外力（壓力）使半導(dǎo)體薄片變形產(chǎn)生壓電阻抗效果，將阻抗的變化轉(zhuǎn)換成電信號來檢測車輛是否超載；電化學(xué)傳感器通過與被測氣體發(fā)生反應(yīng)并產(chǎn)生與氣體濃度成正比的電信號來檢測是否含有易燃易爆物品；前后攝像頭采集車內(nèi)狀態(tài).通過串口、USB將采集到的數(shù)據(jù)傳送到數(shù)據(jù)采集節(jié)點.

1.1.2 車載終端 車載終端采用S3C6410并安裝在公交車輛上，數(shù)據(jù)采集結(jié)點將采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過編碼、打包，經(jīng) WiFi傳送至車載終端.車載終端將從GPS模塊接收到的車輛當前位置、速度等信息［8］及WiFi網(wǎng)絡(luò)接收到的車輛狀態(tài)數(shù)據(jù)解析后，一方面?zhèn)魉偷絃CD觸摸屏進行顯示；另一方面通過GPRS模塊將這些信息發(fā)送到車輛監(jiān)控中心.

1.1.3 公交監(jiān)控中心 公交監(jiān)控中心為一臺接入網(wǎng)絡(luò)的PC機，具有較高的信息處理速度，其非常完備的多媒體硬件處理能力也為本系統(tǒng)的多媒體處理提供了保障.監(jiān)控中心將收到的地理信息、速度、圖像等信息進行顯示、儲存以及查看車廂內(nèi)隱含的危險，并通過GSM／GPRS將短信發(fā)送至車輛監(jiān)控終端.

1.2 軟件設(shè)計

根據(jù)功能需求構(gòu)建了嵌入式Linux開發(fā)環(huán)境，為了實現(xiàn)系統(tǒng)最小化，方便嵌入式Linux系統(tǒng)下設(shè)計與開發(fā)，對U－Boot、根文件系統(tǒng)和內(nèi)核進行制作移植.設(shè)備驅(qū)動程序是驅(qū)動硬件設(shè)備進行工作，主要包括攝像頭驅(qū)動、WiFi驅(qū)動等，將其分別編譯成內(nèi)核模塊文件并加載到Linux內(nèi)核之中.用戶應(yīng)用程序為公交車載終端子系統(tǒng)設(shè)計，對數(shù)據(jù)進行處理的同時通過網(wǎng)絡(luò)與車載終端進行數(shù)據(jù)傳輸.以嵌入式Linux系統(tǒng)為基礎(chǔ)結(jié)合WiFi驅(qū)動程序接口函數(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集節(jié)點與車載終端的數(shù)據(jù)傳輸，采用GPRS所集成的AT指令和TCP／IP協(xié)議接口函數(shù)實現(xiàn)車載終端與車輛監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)傳輸.

2 系統(tǒng)功能的實現(xiàn)

2.1 視頻采集

攝像頭分別安裝在車廂的前后車頂，通過USB接口與數(shù)據(jù)采集節(jié)點微處理器S3C6410連接.Linux下所有外設(shè)都被看成為“設(shè)備文件”，通過編寫V4L2接口函數(shù)對攝像頭對應(yīng)的設(shè)備文件操作，實現(xiàn)視頻采集.每采集一幀視頻數(shù)據(jù)就對其編碼、打包、發(fā)送［9］.該設(shè)計將攝像頭內(nèi)存映射到應(yīng)用程序地址空間，視頻數(shù)據(jù)本身不被拷貝，只交換數(shù)據(jù)緩沖區(qū)指針.視頻采集過程為：獲取信息對圖像參數(shù)進行設(shè)置后，申請緩沖區(qū)映射開始采集圖片.

2.2 傳感器模塊

傳感器通過串口與數(shù)據(jù)采集節(jié)點微處理器S3C6410連接.壓力傳感器安裝在公交車的上下車門處，選用量程比較大的應(yīng)變式壓力傳感器，內(nèi)部的應(yīng)變電阻和其他3個精密電阻組成了電橋.當有人上下車時傳感器受到壓力而發(fā)生形變，內(nèi)部的電阻因為應(yīng)變效應(yīng)而導(dǎo)致阻值發(fā)生改變，使電橋的平衡狀態(tài)發(fā)生改變.通過測量電橋中間兩監(jiān)測點電壓的變化值即可推算出受到的壓力大小.電化學(xué)傳感器安裝在車門處便于對攜帶上車的物品進行檢測，通過與被測氣體發(fā)生反應(yīng)并產(chǎn)生與氣體濃度成正比的電信號來判斷是否有易燃易爆物品.

2.3 GPS接收模塊設(shè)計

GPS通過高增益天線接收GPS定位衛(wèi)星發(fā)來的數(shù)據(jù)，確定車輛位置、速度、時間等信息，并將這些數(shù)據(jù)處理后用GPRS網(wǎng)絡(luò)傳送至車輛監(jiān)控中心，在電子地圖實時顯示車輛狀態(tài)［10］.

GPS解析程序主要對串口進行操作，再將定位信息分離出來按一定格式轉(zhuǎn)換.GPS模塊可以輸出多種信息格式，本設(shè)計選取其中的＄GPRMC來解析GPS數(shù)據(jù)，其中已經(jīng)包括了系統(tǒng)所需要的所有信息.GPS信息使用固定的格式通過串口傳送給接收板［11］，對該字符串按字符進行解析后，將對應(yīng)的數(shù)據(jù)保存到公交監(jiān)控中心的PC機中.GPS經(jīng)緯度默認格式為dddmm.mmmm，為了便于觀察和定位，將它轉(zhuǎn)換為ddd.dddd［12］，時間的默認格林威治標準時間與北京標準時間相差8h，這里調(diào)整為北京時間.

2.4 GPRS模塊操作

車載終端與監(jiān)控中心通過GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸，GPRS通訊采用基于IP地址網(wǎng)絡(luò)通信模式.模塊中的AT指令經(jīng)TCP／IP協(xié)議集成在芯片中，故使用AT指令建立TCP連接，ARM板通過串口向GPRS模塊發(fā)送AT指令保證數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送.

2.5 GSM模塊操作

車輛監(jiān)控中心通過GSM／GPRS將車輛的方位、狀態(tài)以短消息形式通過GPRS發(fā)送給車輛端.由于GSM網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍很廣，采用華為的GTM900CGPRS模塊進行數(shù)據(jù)傳輸［13］.GPRS無線傳輸利用GSM移動通信網(wǎng)絡(luò)的短信息及GPRS搭建了一個超遠距離的數(shù)據(jù)傳輸平臺.提供RS232標準接口，直接與用戶設(shè)備連接，實現(xiàn)中英文短信功能、彩信功能、GPRS數(shù)據(jù)傳輸功能.GPRS先進行撥號獲得IP地址，后通過GSM短消息服務(wù)向車輛發(fā)送信息.

2.6 GUI設(shè)計和實現(xiàn)

圖2 監(jiān)控中心GUI設(shè)計Fig.2 The monitoring center GUI design

圖形用戶界面（Graphical User Interface，GUI），為用戶提供一個簡潔、美觀的界面.現(xiàn)代的操作系統(tǒng)大都提供由視窗、圖標、菜單、對話框及其他的一些可視特征組成的GUI操作.考慮到軟件開發(fā)的簡便和良好的可移植性，該系統(tǒng)采用挪威Trolltech的Qt／Embedded為開發(fā)平臺.該應(yīng)用軟件負責(zé)將接收到的視頻、傳感器數(shù)據(jù)、GPS數(shù)據(jù)等信息在GUI中顯示并存儲，并通過GPRS網(wǎng)絡(luò)將狀態(tài)信息發(fā)送到車輛管理中心.監(jiān)控中心GUI設(shè)計框圖如圖2所示.

由于Qt生成的界面只能由程序主線程操作，其他線程只能訪問，不能進行設(shè)置，否則會發(fā)生線程不安全的錯誤，因此使用了Qt獨有的信號和槽的機制.

Qt的信號和槽是一種通信機制，當某種事件發(fā)生之后這個組件就發(fā)出一個信號，替代使用回調(diào)函數(shù)來響應(yīng)操作的方式，使程序更加靈活和安全.信號和槽允許攜帶任意類型和任意多數(shù)量的參數(shù)［14］.所有從QObject或者其子類派生的類都可以包含信號和槽［15］.可以通過一個對象來發(fā)送一個信號，信號既能與槽連接，也能與其他信號連接.當信號和信號進行連接后，一個信號發(fā)出，與之相連的另一個信號也會即時發(fā)出.當一個信號被送出后，與之相連的所有槽都會得到執(zhí)行，但是不能控制這些槽的執(zhí)行次序.

3 測 試

由于條件的限制，系統(tǒng)的測試在實驗室的環(huán)境下模擬進行.圖3和表1為測試效果.圖3中所示的標注點即為測試當時的GPS位置，在地圖中可以清晰的看到，定位的位置準確.點擊標注點會彈出當前車輛的狀態(tài)、速度等信息.若標注點靜止，顯示GPS未成功定位，反之標注點會跳躍顯示.在網(wǎng)絡(luò)良好時，測得視頻監(jiān)控畫面通過GPRS對外傳輸?shù)淖畲笸话l(fā)速率為68kbit／s，但大多情況處在40kbit／s左右，這和GPRS的理論傳輸速率有一定的差距，但能夠滿足設(shè)計需要.實際中由于GPS定位數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)在遠距離發(fā)送時對定位信息有一定影響，進而影響定位經(jīng)緯度［9］.

圖3 GPS定位測試Fig.3 GPS location testing

表1中數(shù)據(jù)信息表示的是每隔30s車輛的安全狀態(tài)，假設(shè)乘客人均體重視為50kg，限乘80人，溫度不得高于40℃.將壓力、易燃易爆物是否存在的模擬信號通過A／D轉(zhuǎn)化為電信號，并將其設(shè)置為Y／N形式表示，Y表示超載或易燃物品存在，N為不超載或易燃物品不存在.實驗室測試環(huán)境相對比較恒定，而實際中由于各種外界條件影響會使結(jié)果有一定偏差，但對整體測試結(jié)果影響不大.

通過對整個系統(tǒng)的測試結(jié)果表明，監(jiān)控中心不僅能接收上述信息，實現(xiàn)對公交車輛的定位、安全顯示，同時能夠?qū)踩畔l(fā)送給車輛端，該系統(tǒng)符合設(shè)計所要求的各項性能指標.

表1 車輛安全狀態(tài)顯示Table 1 Vehicle safety status display

4 結(jié)束語

本設(shè)計通過視頻采集、傳感器、GPS定位、GPRS傳輸、GSM等技術(shù)結(jié)合，實現(xiàn)了將公交的安全信息、地理信息、視頻信息集成應(yīng)用于公交車輛安全中心，在整體技術(shù)上具有集成創(chuàng)新特色，便于公交公司對車輛進行實時可視化監(jiān)控，同時由于本系統(tǒng)的模塊化設(shè)計思想以及系統(tǒng)的開放性，可以在系統(tǒng)原有的基礎(chǔ)上加入更多的外設(shè)，針對用戶的需求進行修改，使其可以應(yīng)用到更多領(lǐng)域.

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