嵌入式公交車輛監(jiān)控系統(tǒng)設計

王培麗，王曉華

（西安工程大學 電子信息學院，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)控的研究國內已取得一些成果.文獻［4］采用嵌入式技術、無線通信技術提出了旅游車輛監(jiān)控終端實際方案，能夠實現(xiàn)車廂內部的圖片傳輸，但卻沒有安全信號報警；文獻［5－6］結合GPS技術、GPRS技術及多數(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)能夠將車輛行駛狀態(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網絡發(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)設計

1.1 硬件設計

車輛監(jiān)控系統(tǒng)是一套多項技術交融的復雜系統(tǒng)，即將信息采集、存儲和事件處理于一體［7］.采用模塊化的設計思想，堅持標準化、穩(wěn)定性和高效性的設計原則，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網絡傳送至公交監(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當前溫度；壓力傳感器通過乘客外力（壓力）使半導體薄片變形產生壓電阻抗效果，將阻抗的變化轉換成電信號來檢測車輛是否超載；電化學傳感器通過與被測氣體發(fā)生反應并產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)采集結點將采集到的數(shù)據(jù)經過編碼、打包，經 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網絡接收到的車輛狀態(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絡的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 軟件設計

根據(jù)功能需求構建了嵌入式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)下設計與開發(fā)，對U－Boot、根文件系統(tǒng)和內核進行制作移植.設備驅動程序是驅動硬件設備進行工作，主要包括攝像頭驅動、WiFi驅動等，將其分別編譯成內核模塊文件并加載到Linux內核之中.用戶應用程序為公交車載終端子系統(tǒng)設計，對數(shù)據(jù)進行處理的同時通過網絡與車載終端進行數(shù)據(jù)傳輸.以嵌入式Linux系統(tǒng)為基礎結合WiFi驅動程序接口函數(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下所有外設都被看成為“設備文件”，通過編寫V4L2接口函數(shù)對攝像頭對應的設備文件操作，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］.該設計將攝像頭內存映射到應用程序地址空間，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變式壓力傳感器，內部的應變電阻和其他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，內部的電阻因為應變效應而導致阻值發(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)生反應并產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網絡傳送至車輛監(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換.GPS模塊可以輸出多種信息格式，本設計選取其中的＄GPRMC來解析GPS數(shù)據(jù)，其中已經包括了系統(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，將對應的數(shù)據(jù)保存到公交監(jiān)控中心的PC機中.GPS經緯度默認格式為dddmm.mmmm，為了便于觀察和定位，將它轉換為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網絡傳輸，GPRS通訊采用基于IP地址網絡通信模式.模塊中的AT指令經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網絡的覆蓋范圍很廣，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移動通信網絡的短信息及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短消息服務向車輛發(fā)送信息.

2.6 GUI設計和實現(xiàn)

圖2 監(jiān)控中心GUI設計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.該應用軟件負責將接收到的視頻、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網絡將狀態(tài)信息發(fā)送到車輛管理中心.監(jiān)控中心GUI設計框圖如圖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，替代使用回調函數(shù)來響應操作的方式，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.在網絡良好時，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，但能夠滿足設計需要.實際中由于GPS定位數(shù)據(jù)通過無線網絡在遠距離發(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轉化為電信號，并將其設置為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果有一定偏差，但對整體測試結果影響不大.

通過對整個系統(tǒng)的測試結果表明，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，同時能夠將安全信息發(fā)送給車輛端，該系統(tǒng)符合設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 結束語

本設計通過視頻采集、傳感器、GPS定位、GPRS傳輸、GSM等技術結合，實現(xiàn)了將公交的安全信息、地理信息、視頻信息集成應用于公交車輛安全中心，在整體技術上具有集成創(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)的模塊化設計思想以及系統(tǒng)的開放性，可以在系統(tǒng)原有的基礎上加入更多的外設，針對用戶的需求進行修改，使其可以應用到更多領域.

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