北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在物流監(jiān)控管理中的應(yīng)用研究

滕志軍 張明儒 許建軍 郭素陽

(東北電力大學(xué)信息工程學(xué)院，吉林 吉林 132012)

0 引言

2014 年12 月24 日下午，香港一輛運(yùn)鈔車駛經(jīng)灣仔時(shí)，掉落3 箱現(xiàn)鈔，銀行損失約1 523 萬港元。雖然部分好心人士已經(jīng)上交撿到的錢款，但這給物流行業(yè)敲響了警鐘。目前物流行業(yè)很少全程攝像，實(shí)時(shí)監(jiān)控可以避免因意外而引起的糾紛［1］。另外，物品在運(yùn)輸過程中，物品的實(shí)時(shí)位置以及何時(shí)到達(dá)目的地也是客戶十分關(guān)心的問題［2-3］。

當(dāng)前我國導(dǎo)航系統(tǒng)主要依賴進(jìn)口，2000 年建成北斗導(dǎo)航試驗(yàn)系統(tǒng)，使我國成為世界上第三個(gè)擁有自主衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的國家，如今中國的衛(wèi)星研究取得了階段性成果，打破了依賴國外的局面［4-7］。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是我國自主研發(fā)的，不會受到外國制約，具有較高的使用安全性，抗干擾能力較強(qiáng)［8-9］。與美國GPS應(yīng)用領(lǐng)域相類似，該系統(tǒng)已成功應(yīng)用于測繪、電信、水利、漁業(yè)、交通運(yùn)輸、森林防火、減災(zāi)救災(zāi)和公共安全等諸多領(lǐng)域，并產(chǎn)生顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益［10］。隨著我國經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展，利用北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的優(yōu)勢和借助無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，將極大促進(jìn)現(xiàn)代物流業(yè)更加智能化、信息化、人性化、多功能化和集成化［11-12］。

綜上所述，本文提出選用我國自主研制的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，采用嵌入式Linux 操作系統(tǒng)，利用Video4Linux 采集視頻信息，使用高傳輸率的3G 無線通信模塊，Qt 軟件編寫與Google Maps API 相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了視頻采集、物流車輛定位、路徑優(yōu)化和軌跡回放等功能。

1 物流監(jiān)控管理系統(tǒng)架構(gòu)

物流監(jiān)控系統(tǒng)主要由物流車載終端、3G 無線通信模塊、遠(yuǎn)程監(jiān)控中心三部分組成。物流車載終端由ARM 處理器、攝像頭和北斗定位模塊組成，實(shí)現(xiàn)物流車輛實(shí)時(shí)定位信息和視頻信息的采集。3G 無線通信模塊主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸，將接收到的定位信息和經(jīng)JPEG 壓縮的視頻信息通過TCP/IP 傳輸?shù)轿锪鬟h(yuǎn)程監(jiān)控中心。物流遠(yuǎn)程監(jiān)控中心主要由物流監(jiān)控主機(jī)、物流管理主機(jī)、嵌入式綜合監(jiān)控平臺和數(shù)據(jù)庫組成，實(shí)現(xiàn)定位信息的顯示和存儲功能。物流監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖1 所示。

系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)視頻采集、物流車輛定位、路徑優(yōu)化和軌跡回放功能，系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)如圖2 所示。物流遠(yuǎn)程監(jiān)控中心采用開源的面向?qū)ο蟮腝t 實(shí)現(xiàn)信息的顯示。Qt 具有多線程、跨平臺和可移植性等特點(diǎn)，支持所有重要的數(shù)據(jù)驅(qū)動，可以無縫連接數(shù)據(jù)庫與Qt 應(yīng)用程序，應(yīng)用領(lǐng)域較廣闊。

圖1 物流監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)圖Fig.1 Logistics monitoring system architecture

圖2 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖Fig.2 System function block diagram

2 硬件設(shè)計(jì)

物流監(jiān)控導(dǎo)航車載終端主要包括:地理信息采集系統(tǒng)(geographic information system，GIS)、ARM 微處理器模塊、北斗衛(wèi)星定位模塊、3G 無線通信模塊、視頻采集模塊和電源模塊。物流車輛定位框架圖如圖3所示。

圖3 物流車輛定位框架圖Fig.3 Logistics vehicle positioning frames

北斗衛(wèi)星定位模塊通過串行接口UART2 與ARM微處理器模塊進(jìn)行通信，3G 無線通信模塊通過串口UART1 與ARM 進(jìn)行通信。

2.1 ARM 微處理器模塊

ARM 微處理器模塊選用友善之臂的Smart210 核心板，CPU 是Samsung S5PV210，基于CortexTM - A8，運(yùn)行主頻1 GHz;內(nèi)置PowerVR SGX540 高性能圖形引擎;支持流暢的2D/3D 圖形加速;最高可支持1 080p@30 f/s 硬件解碼視頻流暢播放，格式可為MPEG4、H.263、H.264 等;最高可支持1 080p@30 f/s 硬件編碼(Mpeg -2/VC1)視頻輸入;32 位數(shù)據(jù)線，512 MB DDRRAM。

2.2 北斗衛(wèi)星定位模塊

北斗衛(wèi)星定位模塊采用麥宏科技設(shè)計(jì)的UM220 -III N。UM220 - III N 采用片上芯片(system on chip，SOC)，該芯片具有雙系統(tǒng)、多頻率、高性能、低成本、低功耗等優(yōu)勢，能夠同時(shí)支持BD2 B1/GPS L1兩個(gè)頻點(diǎn);可以在低功耗的情況下提供很高的靈敏度;能夠在各種情況下選擇適合的定位系統(tǒng)來方便自己定位。本模塊包含地理信息系統(tǒng)(GIS)采集模塊，物流運(yùn)輸車的實(shí)際位置信息都包含在幀$BDRMC 結(jié)構(gòu)中，有固定的格式規(guī)范。該模塊波特率為9 600 bit/s，數(shù)據(jù)位為8 bit，停止位為1 bit，無奇偶校驗(yàn)位，串口電壓是TTL 低電平3.3 V。

2.3 3G 無線通信模塊

3G 無線通信模塊采用的是華為公司生產(chǎn)的MU509(UMTS/HSDPA 2 100 MHz GSM/GPRS/EDGE 850/900/1 800/1 900 MHz)通信模塊，是雙頻寬帶碼分多址(WCDMA)工業(yè)級無線模塊，支持3.6 Mbit/s下行速率;提供高質(zhì)量的語音、短信功能，空中固件升級(FOTA)功能，內(nèi)置TCP/IP 協(xié)議棧，以及華為擴(kuò)展AT 命令集。MU509 有8 個(gè)wire UART，采用標(biāo)準(zhǔn)RS-232 串行接口，支持語音數(shù)據(jù)以及短消息(short message service，SMS)的接收、發(fā)送和對短信的管理，支持TCP/IP、PPP 通信協(xié)議。嵌入式ARM 微處理器可以借助3G 無線通信模塊強(qiáng)大的數(shù)據(jù)傳輸功能實(shí)時(shí)地進(jìn)行信息處理。MU509 的數(shù)據(jù)輸入、輸出接口實(shí)際上是一個(gè)串口，它可以與S3C2440 中的串口直接相連接，工作電壓3.3 V。

2.4 電源模塊

電源模塊主要是通過電壓變換電路將5 V 電壓轉(zhuǎn)變成3.3 V、1.8 V 和1.2 V 電壓。系統(tǒng)使用LM1117 芯片將電壓轉(zhuǎn)換成3.3 V 和1.8 V，使用MAX8860EUA18芯片將5 V 電壓轉(zhuǎn)換成1.2 V 電壓。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 視頻采集流程

利用USB 攝像頭采集行車視頻信息，編譯并加載Linux 自帶視頻設(shè)備的ov511 驅(qū)動程序，無需另外安裝驅(qū)動，只需要在編譯內(nèi)核時(shí)加載進(jìn)去。配置內(nèi)核，使之支持USB，在device drive 中選擇Multimedia device 下的Video for Linux，加載Video4lLnux 模塊，在usb support 目錄下選擇support for usb 和usb camera ov511 support。利用Video4Linux 標(biāo)準(zhǔn)視頻處理接口進(jìn)行視頻圖像的采集，交叉編譯JPEG 庫移植到ARM 微處理器，從而實(shí)現(xiàn)對視頻圖像數(shù)據(jù)的JPEG 壓縮，以減輕網(wǎng)絡(luò)傳輸負(fù)擔(dān)。實(shí)現(xiàn)圖像的JPEG 壓縮，需要對JPEG 編碼庫的交叉編譯，下載JPEG src.v6b.tar.gz 的庫，使用命令(#tar xvzf JPEG src. v6b. tar. gz)進(jìn)行解壓縮。圖像截取采用雙緩沖內(nèi)存映射方式。

3.2 總體設(shè)計(jì)流程

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)流程主要包括:嵌入式開發(fā)環(huán)境的搭建、系統(tǒng)初始化、3G 模塊和Internet 網(wǎng)絡(luò)的建立、攝像頭驅(qū)動移植、JPEG 庫環(huán)境變量建立和移植、遠(yuǎn)程監(jiān)控程序編寫等。系統(tǒng)在嵌入式Linux 下完成驅(qū)動程序的編寫和定位信息采集程序設(shè)計(jì)。軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖4所示。

圖4 軟件設(shè)計(jì)流程圖Fig.4 Software design flow diagram

北斗定位模塊的軟件程序主要由數(shù)據(jù)的接收、處理程序和發(fā)送程序構(gòu)成。定位信息的獲取采用中斷方式。將定位信息保存在Buffer 緩沖器中，發(fā)送數(shù)據(jù)幀$BDRMC 到ARM 微處理器模塊，其中幀$BDRMC 有固定的格式規(guī)范，自動截取有用的數(shù)據(jù)信息幀通過串口數(shù)據(jù)通信。

3G 模塊主要是連接Internet 因特網(wǎng)，采用TCP/IP協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。3G 模塊的啟動和調(diào)用均是通過AT 指令來完成的。連接因特網(wǎng)絡(luò)包括網(wǎng)絡(luò)撥號和PPP 協(xié)商等過程。

視頻采集模塊主要包括視頻設(shè)備的初始化、利用mmap()進(jìn)行視頻截取、處理采集的數(shù)據(jù)幀和JPEG 壓縮等。其中，利用mmap 截取視頻圖像采用內(nèi)存映射的方式。JPEG 壓縮的流程包括設(shè)置用于保存圖形信息的結(jié)構(gòu)體、設(shè)置圖像壓縮品質(zhì)和利用快速離散余弦變換壓縮圖像等。

Qt 軟件設(shè)計(jì)主要是調(diào)用Google 提供的API 接口函數(shù)以及多線程(QThread)處理數(shù)據(jù);使用Qt 下的QtWebKit 組件來顯示電子地圖;調(diào)用setUrl 函數(shù)創(chuàng)建系統(tǒng)主界面并顯示程序的主窗口，最終實(shí)現(xiàn)定位信息和實(shí)時(shí)的視頻信息的獲取。

4 測試結(jié)果與分析

北斗定位導(dǎo)航系統(tǒng)借助谷歌實(shí)驗(yàn)室提供的Google Maps API 接口函數(shù)，在Qt 下實(shí)現(xiàn)物流車輛的定位信息的顯示、全程攝像、軌跡記錄等功能;調(diào)用函數(shù)和使用QtWebKit 組件來顯示地圖信息。接收到的數(shù)據(jù)信息通過串口助手進(jìn)行調(diào)試，波特率選用115 200 bit/s，串口助手顯示的數(shù)據(jù)幀為$BDRMC，110917. 000，A，4349.303811，N，12629.796641，E，0.472，166.581。系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)和調(diào)試之后，北斗導(dǎo)航系統(tǒng)在教學(xué)樓附近進(jìn)行測試。鑒于Qt 可以在Linux、Windows、Android等系統(tǒng)使用，本文選擇具有代表性的Windows 系統(tǒng)進(jìn)行顯示。

Qt 界面上的定位信息和監(jiān)控視頻信息以10 s 時(shí)間間隔不斷刷新，其中界面帶綠色的為定位標(biāo)志符號。經(jīng)過多次測試該系統(tǒng)，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。如果網(wǎng)絡(luò)信號穩(wěn)定，延時(shí)誤差在3 ～12 s 之間，丟包率在0.1%以內(nèi);相反，在人群較為集中的地方或者陰雨天信號不穩(wěn)時(shí)，延時(shí)誤差和誤報(bào)率較大，有時(shí)甚至接收不到信號。

5 結(jié)束語

針對物流跟蹤不及時(shí)、車輛沒有實(shí)時(shí)監(jiān)控等問題，本文將我國自主研制的北斗衛(wèi)星定位模塊、高傳輸率的3G 無線通信模塊和Linux 自帶的視頻驅(qū)動程序相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了視頻采集、物流車輛定位、路徑優(yōu)化和軌跡回放等功能。另外對車輛線路進(jìn)行優(yōu)化，提高了物流運(yùn)輸?shù)陌踩院蛯?shí)時(shí)性。鑒于物流監(jiān)控管理系統(tǒng)存在延時(shí)，下一步主要是降低系統(tǒng)的延時(shí)。

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