公交客車遠(yuǎn)程數(shù)字化監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

肖 揚，張國輝，丁問司

（華南理工大學(xué) 機械與汽車工程學(xué)院，廣東 廣州510640）

0 引 言

公交系統(tǒng)作為城市交通系統(tǒng)中最基礎(chǔ)的部分，其運行效率和服務(wù)質(zhì)量對城市交通狀況有很大的影響［1］。然而大部分公交監(jiān)控系統(tǒng)只是對車輛的GPS信息和監(jiān)控攝像頭信息進行監(jiān)控，信息量少，而公交車上電子設(shè)備還有報站器、CAN 控制器、車載收費系統(tǒng)和車載DVD 等，各個模塊都有單獨的產(chǎn)品，大部分都彼此獨立工作，相互之間在功能上不關(guān)聯(lián)互動、信息不共享互換，沒有一個綜合的監(jiān)控信息平臺，而監(jiān)控信息量少導(dǎo)致調(diào)度手段單一，是公交運營面臨的主要問題。因此，需要建立一個智能化的多數(shù)據(jù)流的公交客車監(jiān)控系統(tǒng)。本文研究設(shè)計了一種基于ARM 嵌入式平臺的公交客車遠(yuǎn)程數(shù)字化監(jiān)控系統(tǒng)，基于GPS 定位、無線通信技術(shù)和地理信息技術(shù)等技術(shù)的綜合運用，對公交車的GPS信息和CAN 總線信息進行監(jiān)控，實現(xiàn)公交車輛運營調(diào)度的智能化和運行的信息化、可視化。

1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

公交客車遠(yuǎn)程數(shù)字化監(jiān)控系統(tǒng)是一種通過無線通信網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程實時采集監(jiān)控數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對公交車的監(jiān)視和控制的多數(shù)據(jù)流監(jiān)控系統(tǒng)。

1.1 系統(tǒng)功能設(shè)計

根據(jù)公交客車遠(yuǎn)程數(shù)字化監(jiān)控的實際需要，本系統(tǒng)主要有以下5點功能要求：

（1）車輛定位。車載終端實時的將車輛的GPS信息發(fā)送到監(jiān)控中心，實時監(jiān)控車隊中每一輛車的位置和方向，并實現(xiàn)軌跡回放和電子圍欄等功能，對公交車實現(xiàn)動態(tài)監(jiān)控和實時指揮。

（2）監(jiān)控客車CAN 總線信息，記錄車輛在預(yù)設(shè)時間內(nèi)的行駛信息，包括速度、加速度、里程、水溫、油耗速度以及發(fā)動機和電子風(fēng)扇參數(shù)等。并以此作為車輛保養(yǎng)以及駕駛員工作評估參考［2］。

（3）通過報站器，實現(xiàn)駕駛員上下班簽到、車輛報站、更新電子路牌信息以及車輛的調(diào)度申請等，駕駛員用過報站器上的人機界面與監(jiān)控中心交互實現(xiàn)公交車輛的智能調(diào)度。

（4）車輛報警。當(dāng)檢測到車輛有安全隱患、駕駛員未按時發(fā)車或者偏離預(yù)定行駛路線，可以給駕駛員發(fā)出鈴聲以示警告或者向監(jiān)控中心發(fā)出警報信息，確保車輛及乘客安全。

（5）車載終端的遠(yuǎn)程維護。監(jiān)控中心能夠遠(yuǎn)程更新車載終端的應(yīng)用程序，并且更新公交客車車載終端的運行線路信息和廣告播放內(nèi)容。

1.2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

公交遠(yuǎn)程數(shù)字化監(jiān)控系統(tǒng)主要由車載終端、監(jiān)控中心服務(wù)器、監(jiān)控客戶端組成。系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 遠(yuǎn)程數(shù)字化監(jiān)控系統(tǒng)組成

車載終端是車載系統(tǒng)的核心，也是整個監(jiān)控系統(tǒng)的關(guān)鍵，協(xié)調(diào)和監(jiān)控車上各個模塊工作，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 車載終端結(jié)構(gòu)框

所有的監(jiān)控數(shù)據(jù)都是通過車載終端發(fā)送給監(jiān)控中心服務(wù)器的。車載終端主要采集以下4方面的數(shù)據(jù)：

（1）GPS信息。通過GPS模塊接收的來自GPS衛(wèi)星的數(shù)據(jù)。

（2）CAN 總線。采集CAN 總線上各節(jié)點的信息，主要包括有累計里程、車速、水溫、油耗速度、電壓、氣壓和發(fā)動機參數(shù)等。

（3）滿意度調(diào)查器。乘客對此次乘車的評價，共有5個星級的評價。

（4）報站器。公交車上下行和當(dāng)前站點的數(shù)據(jù)，加氣加油和故障停車等調(diào)度信息，駕駛員上下班簽到和運營簽到的信息。

車載終端接收周圍電子設(shè)備發(fā)來的數(shù)據(jù)，根據(jù)協(xié)議提取其中我們需要的信息，并打包成TCP 數(shù)據(jù)幀通過3G 無線通信模塊發(fā)送到無線網(wǎng)絡(luò)的接收點，再通過網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)入Internet網(wǎng)絡(luò)并將數(shù)據(jù)投遞給監(jiān)控服務(wù)器。

監(jiān)控中心服務(wù)器是一臺有固定IP地址的服務(wù)器，集成了Web服務(wù)器和FTP服務(wù)器。它接收車載終端發(fā)來的數(shù)據(jù)包，解析、存儲到數(shù)據(jù)庫。同時，監(jiān)控中心讀取數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)并生成可視化網(wǎng)頁。

監(jiān)控客戶端就是一個通用的IE 瀏覽器，用戶可以通過IE瀏覽器登陸監(jiān)控中心查看監(jiān)控信息，也可以給車載終端發(fā)送調(diào)度信息以及遠(yuǎn)程升級應(yīng)用程序等。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

監(jiān)控系統(tǒng)的硬件主要由服務(wù)端和車載終端組成，服務(wù)端就是一臺服務(wù)器，這里只介紹終端硬件。嵌入式車載終端是監(jiān)控系統(tǒng)的核心部分，該終端主要由AT890X－DIP2.0核心板、GPS 模塊、3G 模塊，STM8S208RB 單片機等組成，外部接口主要有6個UART 異步串口、100M 網(wǎng)絡(luò)接口、HDMI 高 清 口、兩 個 USB 接 口、AV 口、SATA接口等。

2.1 AT890X－DIP2.0核心板

核心板采用韓國Telechips公司的TCC8900 芯片，該公司在視頻播放、MP3 直接編碼等方面做的非常出色，TCC8900更是一款低功耗、高性能、高性價比的ARM11 SOC芯片，穩(wěn)定性強、爆音少，支持多種編碼格式，視頻解碼最高支持1920＊1080 分辨率。其主頻高達(dá)800MHZ，配有256M DDR2SDRAM 的內(nèi)存。

核心板提供豐富的接口，為公交遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)功能擴展做好準(zhǔn)備，但是TCC8900上沒有CAN 接口，這里通過STM8S208RB單片機和TJA1040組合實現(xiàn)CAN 接口與串口的轉(zhuǎn)換，TJA040是高速CAN 控制收發(fā)器，其設(shè)計原理如圖3所示。

圖3 JTA1040原理

2.2 GPS模塊

GPS全球定位系統(tǒng)由24顆人造衛(wèi)星組成，能為用戶提供全天候、全球性和高精度的實時定位導(dǎo)航服務(wù)。本系統(tǒng)采用u－blox的第六代GPS模塊NEO－6M－0－001，定位精度達(dá)到2.5MCEP，啟動和輔助啟動首次定位時間小于1 秒。與GPS模塊通信主要通過串口來實現(xiàn)的。

2.3 3G 模塊

3G 通信技術(shù)是指支持高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆涓C移動通訊技術(shù)。主要有WCDMA、CDMA2000、TS－CDMA 這3 種通信標(biāo)準(zhǔn)，而WCDMA 是在GSM 基礎(chǔ)上演進的，集成了其永遠(yuǎn)在線、網(wǎng)絡(luò)接入速度快、通信費用低等特點，并且具有傳輸速度快、能夠軟切換以及全球范圍的無縫漫游等特點，廣泛應(yīng)用于遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中［3］。本系統(tǒng)選用華為的EM770W 模塊，內(nèi)置TCP／IP 協(xié)議棧，支持標(biāo)準(zhǔn)AT 指令集和華為擴展AT 指令集，具有SIM 卡接口和天線接口，帶有60PinBTB連接器2xUART 接口 （其中UART1 為8線流控制功能串口，最大速率達(dá)230400bit／s）。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件主要由車載終端軟件、監(jiān)控中心服務(wù)器軟件、監(jiān)控客戶端軟件3個部分組成。監(jiān)控客戶端軟件即普通的IE瀏覽器。

3.1 車載終端軟件設(shè)計

軟件設(shè)計主要有3部分：開發(fā)平臺的選擇、數(shù)據(jù)采集模塊的設(shè)計和3G 通信模塊的設(shè)計。數(shù)據(jù)采集模塊主要是接收來自報站器、CAN 總線、GPS模塊和報站器的數(shù)據(jù)。3G通信模塊實現(xiàn)終端與服務(wù)器之間的通信。

3.1.1 開發(fā)平臺的選擇

常見的嵌入式操作系統(tǒng)有WinCE、Linux、Vxworks等。WinCE是擁有多線程、多任務(wù)、確定性的實時和完全搶占式優(yōu)先級等特性的操作系統(tǒng)［4］，由于其具有模塊化設(shè)計方式、占用內(nèi)存小以及開發(fā)周期短等優(yōu)點，因此，本系統(tǒng)選用WinCE作為本系統(tǒng)的軟件開發(fā)平臺。

3.1.2 數(shù)據(jù)采集模塊

CAN 總線、滿意度調(diào)查器和報站器與車載終端的通信都是通過UART 串口來實現(xiàn)的，GPS模塊也是通過串口通信實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集的。數(shù)據(jù)接收流程如圖4所示，程序通過CreateFile（）創(chuàng)建5個串口與之對應(yīng)，然后創(chuàng)建DCB結(jié)構(gòu)體變量并給其賦值，在調(diào)用SetCommState（）設(shè)置相應(yīng)的波特率、奇偶校驗、數(shù)據(jù)位和停止位等參數(shù)，波特率根據(jù)串口所連接的對象來設(shè)置，調(diào)用SetTimeouts（）設(shè)置串口讀寫等待時間，并為每個串口創(chuàng)建一個線程讀取數(shù)據(jù)。調(diào)用SetCommMask （）設(shè)置事件掩碼EV＿RXCHAR，調(diào)用WaitCommEvent（）無限阻塞線程等待事件的發(fā)生，即當(dāng)輸入緩沖區(qū)收到數(shù)據(jù)時觸發(fā)事件，則即可調(diào)用ReadFile（）讀取數(shù)據(jù)，并且從這些數(shù)據(jù)中解析出我們需要的信息。當(dāng)需要從串口發(fā)送數(shù)據(jù)時，直接調(diào)用WriteFile（）并指明寫入哪個串口即可。

圖4 串口接收數(shù)據(jù)流程

3.1.3 3G 通信模塊

TCP／IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議廣泛應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸，其網(wǎng)絡(luò)模型定義了4層，即網(wǎng)絡(luò)接口層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層、應(yīng)用層。傳輸層協(xié)議有TCP和UDP，而車載終端與服務(wù)器之間的通信采用的是TCP方式，TCP提供一種面向連接的、可靠的字節(jié)流服務(wù)。

車載終端上電，完成系統(tǒng)初始化，創(chuàng)建套接字，綁定本機IP和端口，建立與監(jiān)控中心的Socket連接，創(chuàng)建通訊線程，調(diào)用WaitForSingleObject（）監(jiān)聽客戶端通訊事件，例如當(dāng)接收到數(shù)據(jù)、連接斷開或通訊過程發(fā)生錯誤等，當(dāng)有事件觸發(fā)時，調(diào)用select（）來判斷是否有讀事件發(fā)生，再調(diào)用recv（）就可以接收、解析監(jiān)控中心發(fā)送的數(shù)據(jù)或指令，根據(jù)數(shù)據(jù)內(nèi)容，程序調(diào)用相應(yīng)的方法，比如切換電子路牌線路信息、從監(jiān)控中心下載更新文件等操作。當(dāng)車載終端將監(jiān)控信息發(fā)回監(jiān)控中心時，只需要將數(shù)據(jù)打包調(diào)用send （）即可。同時，車載終端每隔5s發(fā)送一個心跳包以保持和監(jiān)控中心服務(wù)器的網(wǎng)絡(luò)連接。

3.2 監(jiān)控中心服務(wù)器軟件設(shè)計

監(jiān)控中心服務(wù)器是數(shù)據(jù)的中轉(zhuǎn)站，接收車載終端傳過來的數(shù)據(jù)，按照通信協(xié)議進行相應(yīng)的處理并存入數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫使用SQL Server關(guān)系數(shù)據(jù)庫。軟件采用C＋＋的Socket編程技術(shù)實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的收發(fā)處理，由于車載終端的數(shù)量比較多，一個終端一個線程服務(wù)器負(fù)擔(dān)太大，這里采用完成端口模型來響應(yīng)大量Socket請求，避免因大量用戶并發(fā)請求而導(dǎo)致服務(wù)器崩潰。同時采用線程池和內(nèi)存池等方法來調(diào)度線程及內(nèi)存分配，提高服務(wù)器的工作效率。

車載終端軟件遠(yuǎn)程升級和廣告內(nèi)容更新是通過FTP的方式訪問服務(wù)器中指定文件并下載到車載終端的，這種方式便捷、可靠、高效。另一方面，監(jiān)控客戶端通過瀏覽器發(fā)送http請求查看監(jiān)控信息，因此，監(jiān)控中心服務(wù)器需要提供FTP服務(wù)和Web服務(wù)。其基本結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 監(jiān)控中心服務(wù)器結(jié)構(gòu)

4 系統(tǒng)測試

為了測試系統(tǒng)的實用性和穩(wěn)定性，將車載終端 （包含報站器）放在車上并按照預(yù)定的公交線路移動，測試結(jié)果表明，車載終端報站以及接發(fā)調(diào)度命令正常，在監(jiān)控中心服務(wù)器可以查看終端發(fā)回來的GPS位置信息，與實際值相差甚小，在誤差范圍內(nèi)。如今，公交遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)在佛山公交大量應(yīng)用，報站器和CAN 總線都與車載終端連上，目前佛山公交運行正常。其中圖6是監(jiān)控系統(tǒng)對其中的一條線路監(jiān)控，圓和箭頭代表公交車及其行車方向。圖7是公交車總線的部分信息。

5 結(jié)束語

在WinCE嵌入式平臺上，結(jié)合GPS 全球定位技術(shù)和3G 通信技術(shù)，建立了一個多數(shù)據(jù)流的信息監(jiān)控平臺，公交遠(yuǎn)程數(shù)字化監(jiān)控系統(tǒng)不僅能夠?qū)崟r監(jiān)控車輛的位置信息，也能夠?qū)崟r監(jiān)控CAN 總線上有關(guān)車輛運行狀態(tài)信息，而且通過報站器的人機界面可以簡單的和監(jiān)控中心通信，幫助調(diào)度人員掌握車輛運行情況，合理安排公交車發(fā)車時間，有效提高了公交運營效率，改善了對駕駛員和公交車輛的行為管理。車載終端平臺提供了豐富的接口，具有很強的擴展性，預(yù)留的AV 口可集成視頻監(jiān)控模塊，而芯片更是支持多種格式的視頻播放，通過HDMI接口可流暢地播放視頻廣告，同時，7 寸觸摸屏可以連接到車載終端用作人機界面，方便駕駛員與監(jiān)控中心交流。在實際應(yīng)用中可靈活擴展功能，以適應(yīng)市場需求。

雖然系統(tǒng)的功能基本實現(xiàn)，但仍存在一些不足和值得改進的地方，可以從以下幾個方面進行完善與改進：

（1）監(jiān)控信息不夠完善，可以增加對客流量、車廂內(nèi)部溫度、空氣質(zhì)量、甚至駕駛員的心率等信息進行監(jiān)視。

（2）隨著越來越多的公交車上使用車載終端，甚至連同使用我們的服務(wù)器，需要處理的數(shù)據(jù)也會越來越多。海量的數(shù)據(jù)勢必給服務(wù)器帶來挑戰(zhàn)，利用分布式服務(wù)器或者云存儲、云計算等方法可有效解決此問題。

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