基于LabVIEW的車輛監測系統的設計

鄒媛，陶正蘇，茅旭初

（上海交通大學 電子信息與電氣工程學院，上海 200240）

智能交通系統（Intelligent Transportation System，ITS）是未來交通系統的發展方向，結合最新的信息、控制和傳感等技術，建立實時、準確、高效的綜合交通運輸管理系統[1]。目前我國的智能交通研究，水陸空3個方向都主要集中在提高整體運輸效益和服務水平上，用于滿足運輸工具使用者定位導航以及運輸企業、交通管理部門監測交通情況等的公眾服務需求。

汽車車載監控單元是車聯網的終端和網絡節點，在常規工作狀態下，車載監控單元依靠公共無線網絡按照設定的路由直接將數據信息等發送至區域控制中心（數據中心）。交通工具與數據中心之間是一個單向的連接。即數據中心可以獲知所有車輛的信息，但車輛之間卻不能互相知道彼此的位置。本文將實現數據中心整合區域內車輛位置信息實時廣播至區域內所有車輛，使得定位信息共享。為保證每個移動節點的數據能夠及時傳輸，可采用移動蜂窩網為通信載體，傳輸車載GPS/BDS定位接收系統提供的定位信息，支持移動節點信息能夠有效地及時傳輸。

1 系統總體設計方案

系統結構框圖如圖1所示，分為主監測系統和車載系統兩部分。車載系統由車載定位系統、監測系統、通信系統3部分構成。主監測系統由監測系統和通信系統構成。車載系統完成定位信息的采集并通過GPRS傳送至主監測系統，主監測系統整合所有車載系統在一定時間內發送過來的信息，顯示于LabVIEW界面并將其廣播至車載系統。車載系統隨后分析收集到的數據并顯示于LabVIEW界面上。

圖1 系統總體設計Fig.1 Overall design of the system

2 車載系統設計

車載系統由車載GPS/BDS（北斗）定位接收系統、監測系統、信息傳輸系統3部分構成。

2.1 車載定位系統

車載定位系統采用了和芯星通的UM220-Ⅲ模塊。UM220-Ⅲ模塊是GPS/BDS雙接收系統模塊。其采用GNSS多系統融合、卡爾曼濾波等優化算法及和芯星通Ultra-Sense高靈敏度設計，在各種復雜環境下能夠保持出色的捕獲跟蹤能力和可靠的連續定位結果。

GPS/BDS的定位信息包含的內容很多，在本系統中，由于只需要使用經度、緯度以及經緯度方向等信息，在設定時，可以將其他信息均設置為不輸出。

文中針對運行中的車輛進行監測，由于車輛的不停運動，所處的網絡環境不斷地變化，因此能夠在弱信號條件下提供優異的捕獲、跟蹤靈敏度，并保持接收機定位的連續性和可靠性就顯得很重要。UM220-Ⅲ模塊通過串口（可用USB轉串口）與車載PC相連，將定位信息傳輸給車載PC，并由車載PC進行分析和轉發給通信模塊。

2.2 通信系統

車載PC將接收到UM220-Ⅲ模塊發送的定位信息，由LabVIEW軟件進行分析和整合，并通過另一個串口 （可用USB轉串口）發送至通信系統。SIM900A模塊由ATMEGA128單片機控制，通過無線公共網絡按照設定的路由與主監測系統通信。

2.3 車載PC

車載PC上的LabVIEW中預存了一定的地圖信息，因此，只要有車載定位系統的定位信息，就可以將自身的位置情況顯示在LabVIEW的界面上。除此之外，通信模塊還接收來自主監測系統整合的包含區域內其他車輛位置情況的信息。因此，在車載PC的LabVIEW界面還將顯示其他車輛的位置情況。

3 主監測系統設計

主監測系統主要是由一臺有固定IP的PC組成。PC依靠公共無線網絡接收來自于車載通信系統發出的信息，由LabVIEW來實現其監測和通信功能。

具體系統流程圖如圖2所示，其中，車載PC串口1與UM220-Ⅲ模塊相連接，串口2連接通信模塊。每一個車載通信模塊與主監測系統通信時，均要指定端口。

圖2 系統流程圖Fig.2 System flowchart

4 軟件設計部分

4.1 LabVIEW串口程序

串口作為計算機最經典傳統的通信接口，同時也是被最廣泛使用的接口[2]，LabVIEW也集成了串口通信功能。因此，文中的有線通信接口均采用串口，或是USB轉串口。

LabVIEW的串口通信函數選板中包含了串行通信常用的功能模塊。本系統主要使用到VISA資源名稱（Resource Name）、VISA 配置函數 （Configure Serial Port）、VISA 讀取函數（Read）和 VISA 關閉函數（Close）[3-5]。 VISA 配置函數主要用于配置串口的初始化。本系統中使用的串口通信程序配置的波特率為9600，數據位為8位，奇偶偶校驗位為0位，停止位為1位。

圖3 車載LabVIEW串口接收定位數據的程序Fig.3 Vehicle-based LabVIEW program of positioning data acquisition via serial ports

本系統中，由于車輛數量不定，且各車輛發送數據到主監測系統的LabVIEW軟件的時間不一，程序中的串口均采用被動接收方式接收數據。數據位設為8位，即程序設置為每次從串口讀取1字節數據，當程序判斷出該字節為有效數據（幀頭“$”）時，就開始將之后的數據進行讀取、存取、拆分、計算、轉換等一系列處理，程序結束時，利用VISA關閉函數將占用的串口資源釋放掉[6]。

車載PC安裝的LabVIEW軟件監測串口接收數據的程序如圖3所示。

4.2 LabVIEW的UDP通信

文中車載系統與主監測系統是依靠無線公共網絡進行通信的。具體到LabVIEW軟件中，則是利用了其UDP通信功能。

TCP/IP（傳輸控制協議/網際協議）作為網絡通信的標準，是迄今為止使用最為廣泛的協議[7]。UDP方式是無連接通信，采用廣播的方式來發布數據，特別適合于一點對多點的通信[7]，且其響應速度較快，適用于文中的情況。

“寫入UDP”函數需要指定計算機與發送端口，文中制定計算機為主監控系統PC的IP/環回IP（默認，無需配置），發送端口為車載通信系統ATMEGA128單片機程序中指定的端口。以“7080”端口為例，UDP通信程序如圖4所示。

圖4 7080端口UDP通信程序Fig.4 An example of LabVIEW-based UDP communication program

4.3 車載系統LabVIEW設計

車載系統的LabVIEW主要功能有兩個：1）接收來自自身定位系統的定位信息，分析整合，并實時地將之顯示在界面上；2）接收主監測系統發送的其他車輛定位信息，判斷其位置是否在本車所在地圖之內，如果在，則實時顯示；不在，則拋棄信息。

車載LabVIEW要將定位數據整合拆分，主要分為經度和緯度兩個方面，兩個VI程序基本類似，本文中列舉經度拆分截取的程序，如圖5所示。車載LabVIEW的VI子程序中，判斷其他車輛是否在本車所顯示的地圖范圍之內的程序比較簡單，只是數據處理和比較大小，這里不再一一列舉。

圖5 車載LabVIEW經度拆分以及截取程序Fig.5 Longitude data acquisition program on vehicle-based LabVIEW

4.4 主監測系統LabVIEW設計

本系統中車載通信系統的SIM900A模塊是由ATMEGA128單片機控制的。在其發送數據時，需要選定接收端的端口。因此，主監測系統的LabVIEW可以清楚地分出每一個定位信息屬于哪一個車載系統。

主監測系統的LabVIEW需要監測所有車輛的運行情況，其主要功能有三點：1）實時顯示所有車輛的位置信息；2）在有需要的時候，顯示所有車輛的近期路線圖；3）能夠將某一車輛的運行情況單獨顯示。

主監測系統的程序和車載系統程序類似，主要的區別在于可以顯示車輛的近期路線圖。只需要添加一個“接受緩沖區”來存儲車輛近期位置信息即可。圖6為車載LabVIEW軟件界面顯示的一部分。其中，藍色、紅色、灰色三點為區域內其他車輛，綠色為本車近期行駛路線圖。本文的實驗在上海交通大學校園內進行，為了方便實驗，取車載系統數量為4，在實際運用中，可以按照情況增加。

圖6 實驗效果Fig.6 Experimental result

5 結束語

本系統采用了NI公司的LabVIEW作為主要的監控和顯示軟件，在車載軟件以及主監測軟件上均實現了對于區域內車輛位置信息的共享和監測。車載系統和主監測系統都只需操作一個界面就能夠實現定位數據的實時采集、處理、存儲和顯示。這使操作得到很大的簡化。

文中所闡述的系統具有成本低，操作簡便，自動化程度高，擴展性和移植性強等特點。在此基礎上，今后可以對系統進行進一步改進，使之更為實用。例如，在車輛上安裝報警器等，可通過本系統將警報傳輸至監控中心或者對區域內其他車輛發出預警信息。或者在車載LabVIEW程序上設計文字信息/語音信息的輸入，使得車輛可以直接與監控中心或區域內車輛進行交流等等。此外，隨著居民生活水平的提高，車輛的使用將更加頻繁，車輛之間的連接也顯得更為重要。開車的時候不方便打電話或使用其他的交流工具，文中所提出的方法也可為這方面的研究提供一些參考。

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