基于Arduino的貨運(yùn)車輛實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

趙廣元，周 亮，薛振諾，薛 龍，李 強(qiáng)

（1.西安郵電大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，陜西 西安710121； 2.西安郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，陜西 西安710121）

隨著高速路網(wǎng)與物流業(yè)的迅猛發(fā)展，貨運(yùn)車隊(duì)管理系統(tǒng)在現(xiàn)代化的生產(chǎn)和生活中得到了廣泛的應(yīng)用［1］。奔馳公司的FleetBoard系統(tǒng)不僅擁有GPS導(dǎo)航、GSM通信等功能，還能通過(guò)豐富的統(tǒng)計(jì)、計(jì)算功能分析駕駛員的駕駛習(xí)慣，給出改進(jìn)建議，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減耗，延長(zhǎng)車輛壽命［2］；沃爾沃公司的DynaFleet系統(tǒng)主要特點(diǎn)是基于互聯(lián)網(wǎng)提供在線應(yīng)用程序，使車輛得到合理調(diào)度［3］；雷諾公司的Info－Max系統(tǒng)具有完善的預(yù)警體系，實(shí)現(xiàn)了對(duì)不當(dāng)駕駛行為和車輛潛在危險(xiǎn)的實(shí)時(shí)反饋［4］。上述系統(tǒng)雖然技術(shù)成熟，功能完善，但在普遍應(yīng)用方面仍有不足：一是多數(shù)產(chǎn)品不僅復(fù)雜度較高而且價(jià)格昂貴，二是未能實(shí)現(xiàn)在同一系統(tǒng)中對(duì)車隊(duì)的駕乘人員、車輛、貨物的全方位實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，缺乏廣泛的適用性及靈活性。

本文擬提出一種基于Arduino的貨運(yùn)車輛實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，旨在降低研發(fā)成本，簡(jiǎn)化系統(tǒng)的復(fù)雜程度，并在實(shí)現(xiàn)對(duì)車隊(duì)全面監(jiān)測(cè)預(yù)警的同時(shí)，完成車隊(duì)信息的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，以滿足在途貨運(yùn)車隊(duì)的應(yīng)用需求。

1 系統(tǒng)整體架構(gòu)及硬件設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)整體架構(gòu)

系統(tǒng)由主控制器、人員監(jiān)控模塊、車輛監(jiān)控模塊、貨物監(jiān)控模塊以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊組成。在實(shí)現(xiàn)對(duì)在途貨運(yùn)車輛的人、車、貨全方位監(jiān)測(cè)的同時(shí)，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊存儲(chǔ)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)信息，對(duì)事故車輛的分析有極大幫助。駕駛室輔以顯示終端，為駕乘人員提供實(shí)時(shí)的真實(shí)可靠的監(jiān)控信息，便于駕乘人員對(duì)于車輛及貨物的狀態(tài)做出預(yù)判并提前做出決策［5］。

系統(tǒng)整體架構(gòu)及模塊組成如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體架構(gòu)及模塊組成

1.2 主控制器選擇

為方便驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的可行性，同時(shí)縮短開(kāi)發(fā)周期，選用Arduino作為主控制器進(jìn)行系統(tǒng)的原型開(kāi)發(fā)。

Arduino是一款廉價(jià)的開(kāi)源電子原型平臺(tái)，在使用上簡(jiǎn)化了硬件知識(shí)學(xué)習(xí)，資源豐富，簡(jiǎn)單易學(xué)，上手容易，讓開(kāi)發(fā)者可以專注于系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)；應(yīng)用上為用戶提供了豐富的數(shù)字和模擬I／O接口，兼容多種傳感器以感知和影響環(huán)境，同時(shí)支持SPI、IIC、UART串口通信，能夠?qū)崿F(xiàn)與Processing、VVVV等其他互動(dòng)軟件的串口通信［6］，本系統(tǒng)涉及的通信方式主要為SPI串口通信。Arduino獨(dú)有的開(kāi)放性、易用性、交流性及其豐富的第三方開(kāi)源資源使得Arduino受到越來(lái)越多電子愛(ài)好者的青睞［7］。

1.3 監(jiān)測(cè)單元設(shè)計(jì)

1.3.1 人員監(jiān)控模塊

人員監(jiān)控模塊作為系統(tǒng)的重要組成部分，主要用于監(jiān)控駕駛員酒駕行為。通過(guò)對(duì)駕駛室酒精濃度的檢測(cè)，判斷駕駛員是否處于酒駕狀態(tài)。

選用MQ－3氣體傳感器對(duì)駕駛室內(nèi)酒精濃度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，對(duì)返回值設(shè)定閾值，并在硬件電路中添加預(yù)警電路，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)預(yù)警［8］。傳感器通過(guò)數(shù)據(jù)總線與主控制器相連構(gòu)成了酒精濃度采集電路，采用模擬量數(shù)據(jù)采集方式。

MQ－3氣體傳感器探測(cè)酒精濃度范圍為0.04～4mg／L，靈敏度Rs（in air）／Rs（0.4mg／L酒精）不小于5（其中Rs為敏感體表面電阻），響應(yīng)時(shí)間不超過(guò)10s，恢復(fù)時(shí)間不超過(guò)30s。

1.3.2 車輛監(jiān)控模塊

車輛監(jiān)控模塊主要負(fù)責(zé)車輛定位、車速監(jiān)測(cè)以及車輛姿態(tài)判斷。通過(guò)該模塊采集的車速以及車輛姿態(tài)信息便于駕駛員判斷車輛當(dāng)前行駛狀態(tài)是否安全。

車輛的實(shí)時(shí)定位及車速的采集選用U－BLOX GPS定位模塊。U－BLOX的定位精度：2.5m，時(shí)間精度：21ns，與Arduino通過(guò)串行口直接通信，采用Arduino提供的3.3V電壓作為模塊工作電壓。系統(tǒng)在其輸出值中提取當(dāng)前時(shí)間、經(jīng)緯度以及車輛速度信息，并對(duì)定位數(shù)據(jù)的有效性進(jìn)行驗(yàn)證。

車輛狀態(tài)的監(jiān)測(cè)選用MPU－6050整合性6軸運(yùn)動(dòng)處理組件。MPU－6050可在2.5V±5%、3.0V±5%或3.3V±5%三種不同電壓下工作。為保護(hù)元器件，系統(tǒng)使用Arduino輸出的3.3V電壓作為MPU－6050的工作電壓。MPU－6050返回值為三個(gè)軸的加速度和角速度，經(jīng)過(guò)量化處理后得到單位為g的加速度值和（°）／s的角速度值，再經(jīng)過(guò)積分等算法得到各軸與水平面間夾角。

1.3.3 貨物監(jiān)控模塊

針對(duì)集裝箱運(yùn)輸，通過(guò)對(duì)集裝箱內(nèi)溫度、濕度、煙霧及火焰等狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，為駕駛員反饋準(zhǔn)確的貨物狀態(tài)。傳感器通過(guò)I／O口與Arduino連接進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，對(duì)相應(yīng)的信息返回值設(shè)定閾值，當(dāng)返回值超限，系統(tǒng)將發(fā)出預(yù)警。

集裝箱內(nèi)溫濕度的采集選用DHT11傳感器。DHT11數(shù)字溫濕度傳感器是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器。測(cè)量范圍：0～50℃（溫度），20%～90%RH（濕度）；測(cè)量精度：±2℃（溫度），±5%RH（濕度）；分辨率：1℃（溫度），1%RH（濕度）。

集裝箱內(nèi)可燃?xì)怏w和煙霧進(jìn)行監(jiān)測(cè)選用MQ－2氣體傳感器。MQ－2氣體傳感器檢測(cè)濃度：300～10000ppm，靈敏度：Rs（in air）／Rs（1000ppm 異丁烷）≥5，響應(yīng)時(shí)間：≤10s（70%Response），恢復(fù)時(shí)間：≤30s（70%Response）。傳感器通過(guò)數(shù)據(jù)總線與主控制器相連構(gòu)成了煙霧的采集電路，采用模擬量數(shù)據(jù)采集方式［9］。

系統(tǒng)采用擁有數(shù)字量和模擬量雙輸出的火焰?zhèn)鞲衅鞅O(jiān)測(cè)貨物狀態(tài)?；鹧?zhèn)鞲衅骺梢詸z測(cè)火焰及波長(zhǎng)在760～1100nm范圍內(nèi)的光源，火焰?zhèn)鞲衅鲾?shù)據(jù)輸出端與Arduino模擬數(shù)據(jù)接口連接，可將外界紅外光的強(qiáng)弱變化轉(zhuǎn)化為電流的變化，通過(guò)A／D轉(zhuǎn)換器反映為0～255范圍內(nèi)數(shù)值的變化，數(shù)值與紅外光強(qiáng)度成反比。本系統(tǒng)選用火焰?zhèn)鞲衅鞯臄?shù)字量輸出判定貨物的火災(zāi)情況，若輸出為“1”則表示貨物當(dāng)前有火源存在的可能，此時(shí)系統(tǒng)將自行觸發(fā)超限提醒程序。

1.3.4 顯示終端

系統(tǒng)輔以顯示終端，將采集到的人、車、貨相關(guān)信息實(shí)時(shí)直觀的為駕駛員顯示，以便駕駛員準(zhǔn)確地作出預(yù)判與決策。

選用QC12864B液晶顯示屏作為顯示終端。QC12864B是一種圖形點(diǎn)陣液晶顯示器，可顯示8（列）×4（行）的漢字，為節(jié)約I／O口資源，采用SPI串行通信與主控制器通信。接收顯示信號(hào)后，主頁(yè)面顯示貨物溫濕度等實(shí)時(shí)信息。安裝于駕駛室內(nèi)的樣機(jī)顯示效果如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)顯示效果

1.3.5 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊是本系統(tǒng)的核心模塊，作為汽車黑匣子使用。模塊的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)包含人、車、貨實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)可以很好的還原事故發(fā)生時(shí)人、車、貨整體狀態(tài)，主要用于分析事故發(fā)生的原因和事故的責(zé)任。歷史數(shù)據(jù)輔助事故分析，并可以作為貨物在途狀態(tài)分析依據(jù)［10］。

采用Arduino的SD卡擴(kuò)展模塊及可插拔的SD卡組成系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊。模塊用SPI通信方式連接到主控制器，主要存儲(chǔ)實(shí)時(shí)的人、車、貨狀態(tài)信息以及地理位置和時(shí)間信息。存儲(chǔ)文件的格式為FAT格式。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件部分選用開(kāi)源硬件Arduino的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境實(shí)現(xiàn)，編程語(yǔ)言基于 Wiring，語(yǔ)法及風(fēng)格類似于C語(yǔ)言。

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括對(duì)系統(tǒng)所采集數(shù)據(jù)的處理以及數(shù)據(jù)的顯示與存儲(chǔ)兩部分。同時(shí)，自動(dòng)超限提醒程序是系統(tǒng)的亮點(diǎn)，當(dāng)環(huán)境變量存在危險(xiǎn)時(shí)能夠?qū)︸{駛員進(jìn)行實(shí)時(shí)的預(yù)警。

2.1 數(shù)據(jù)采集

系統(tǒng)所需數(shù)據(jù)主要通過(guò)酒精傳感器、火焰?zhèn)鞲衅?、煙霧傳感器、溫濕度傳感器、GPS定位模塊以及姿態(tài)傳感器獲取。系統(tǒng)中將酒精傳感器作為人員狀態(tài)傳感器，火焰?zhèn)鞲衅?、煙霧傳感器、溫濕度傳感器作為貨物狀態(tài)傳感器。

2.1.1 數(shù)據(jù)采集程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)中各傳感器均與主控制器Arduino采用直接通信，Arduino接收到各傳感器返回值后，根據(jù)返回值類型，判斷是否需要對(duì)返回值進(jìn)行處理。人員和貨物狀態(tài)傳感器程序流程圖見(jiàn)圖3。

圖3 人員和貨物狀態(tài)傳感器程序流程

以溫濕度傳感器程序?yàn)槔?，主要語(yǔ)句如下。

c＝（String）DHT11.humidity；／／執(zhí)行讀數(shù)據(jù)命令

long int a＝c.toInt（）；／／數(shù)據(jù)類型強(qiáng)制轉(zhuǎn)換

c＝c＋"＃"；／／不同數(shù)據(jù)信息用＇＃＇隔開(kāi)

meg＝meg＋c；／／數(shù)據(jù)疊加至存儲(chǔ)變量

2.1.2 姿態(tài)檢測(cè)模塊程序設(shè)計(jì)

從姿態(tài)檢測(cè)模塊MPU－6050的返回值中獲取三個(gè)軸的加速度和角速度，通過(guò)量化后的加速度計(jì)算相應(yīng)角度值，從而判斷車輛實(shí)時(shí)姿態(tài)。姿態(tài)檢測(cè)模塊程序流程圖見(jiàn)圖4。

程序中主要語(yǔ)句如下。

accelgyro.getMotion6（＆ax，＆ay，＆az，＆gx，＆gy，

＆gz）；／／獲取三個(gè)軸的加速度和角速度

Ax＝ax／16384.00；／／對(duì)加速度進(jìn)行量化，得出單位

為g的加速度值

Angel＿accX＝atan（Ax／sqrt（Az＊Az＋Ay＊Ay））＊

180／3.14；／／用加速度計(jì)算三個(gè)軸和水平面坐標(biāo)系

之間的夾角

ggx＝gx／131.00；／／對(duì)角速度做量化

Gx＝Gx＋（ggx－Gx＿offset）＊TimeSpan／1000；／／通

過(guò)對(duì)角速度積分實(shí)現(xiàn)各個(gè)軸的角度測(cè)量

圖4 姿態(tài)檢測(cè)模塊程序流程

2.1.3 GPS定位模塊程序設(shè)計(jì)

GPS定位模塊返回值包含多組數(shù)據(jù)，讀取其中一組結(jié)構(gòu)為

的數(shù)據(jù)作為系統(tǒng)的GPS采樣值［11］，并且只需提取的字段數(shù)值有

＜1＞ UTC時(shí)間，hhmmss（時(shí)分秒）格式

＜2＞ 定位狀態(tài)，A＝有效定位，V＝無(wú)效定位

＜3＞ 緯度ddmm.mmmm（度分）格式

＜5＞ 經(jīng)度ddmm.mmmm（度分）格式

＜7＞ 地面速率

＜9＞ UTC日期，ddmmyy（日月年）格式

GPS定位模塊程序流程圖見(jiàn)圖5。

圖5 GPS定位模塊程序流程

2.2 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

系統(tǒng)采用Arduino的SD擴(kuò)展模塊作為存儲(chǔ)器件，系統(tǒng)程序在各感知模塊子程序末端都加入了數(shù)據(jù)累加命令，程序中全局變量meg用來(lái)累加各感知模塊的信息。

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的主要命令語(yǔ)句如下。

＃include＜SD.h＞／／調(diào)用SD卡庫(kù)文件

.......

meg＋＝lat［i］；／／變量累加

meg＋＝"＃"；／／各模塊信息值用＇＃＇隔開(kāi)

.......

File data File ＝ SD.open（"data.txt"，F(xiàn)ILE＿

WRITE）；／／在SD卡建立文件名為data.txt的文件

if（dataFile）｛dataFile.println（meg）；

／／將meg存儲(chǔ)至data.txt中

dataFile.close（）；｝

else｛Serial.println（"error opening file"）；｝

meg＝""；／／將meg重新置為空值

3 系統(tǒng)測(cè)試

系統(tǒng)的測(cè)試主要分為兩個(gè)部分，即信息采集與顯示測(cè)試和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)測(cè)試。測(cè)試環(huán)境設(shè)定為兩種：一為室內(nèi)，即在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行各傳感器參數(shù)采集和顯示存儲(chǔ)功能測(cè)試；二為室外，即將終端放置于貨車駕駛室內(nèi)，并設(shè)置貨車環(huán)境，在城市道路和環(huán)山路上采集數(shù)據(jù)并測(cè)試其數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能。

3.1 信息采集與顯示測(cè)試

系統(tǒng)上電后，各感知模塊正常工作，顯示屏正確顯示實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)變量。當(dāng)改變感知模塊監(jiān)測(cè)環(huán)境時(shí)，顯示屏及時(shí)響應(yīng)相應(yīng)的變化過(guò)程。當(dāng)檢測(cè)值超過(guò)預(yù)先設(shè)定的門(mén)限值，系統(tǒng)能夠及時(shí)對(duì)駕乘人員發(fā)出警報(bào)。系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集周期為3s。系統(tǒng)所設(shè)置的各類監(jiān)測(cè)信息的門(mén)限值如表1所示。

表1 報(bào)警門(mén)限列表

3.2 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)測(cè)試

當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定工作一段時(shí)間后，用戶可以查看到SD卡中存有系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)生成的文件名為data.txt的數(shù)據(jù)文件，且文件中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)信息為系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集的監(jiān)測(cè)信息。圖6為室外環(huán)境測(cè)試中SD卡存儲(chǔ)的data.txt文件，數(shù)據(jù)內(nèi)容為某特殊運(yùn)行車輛在城市道路的測(cè)試數(shù)據(jù)，實(shí)測(cè)路線為西安郵電大學(xué)長(zhǎng)安校區(qū)至西安三森國(guó)際家居城。

圖6 存儲(chǔ)模塊文件內(nèi)容

data.txt數(shù)據(jù)文件的內(nèi)容詳解如表2所示。

表2 存儲(chǔ)模塊數(shù)據(jù)信息

4 結(jié)語(yǔ)

以Arduino為主控制器，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了在途貨運(yùn)車輛實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)能有效地全面監(jiān)測(cè)人、車、貨的安全狀況。該設(shè)計(jì)方案具有開(kāi)發(fā)周期短、系統(tǒng)控制單元穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)；同時(shí)Arduino豐富的I／O口為系統(tǒng)以后的功能擴(kuò)展提供了可能。主動(dòng)的安全預(yù)警程序，可以有效的控制了事故的發(fā)生概率，同時(shí)在事故不可避免的情況下，提醒駕駛?cè)藛T提前做出預(yù)判，減小事故損害。全面監(jiān)測(cè)和實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)是系統(tǒng)的亮點(diǎn)。單車的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)不僅方便了車輛的日常管理，同時(shí)可為車輛事故的鑒定提供依據(jù)。

原型系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)研究已實(shí)現(xiàn)了預(yù)期功能，在以下方面仍具有進(jìn)一步研究?jī)r(jià)值：（1）將存儲(chǔ)模塊采用耐火材料封裝，與系統(tǒng)主體分離，獨(dú)立安裝于駕駛室儀表盤(pán)周圍安全系數(shù)較高的位置，將系統(tǒng)向產(chǎn)品化發(fā)展；（2）改進(jìn)數(shù)據(jù)處理的算法，保障數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性；（3）擴(kuò)展系統(tǒng)監(jiān)測(cè)功能，如增加視頻監(jiān)控單元，使監(jiān)控人員更加直觀的監(jiān)測(cè)貨物實(shí)時(shí)狀態(tài)。

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