基于i.MX6的智慧廣告一體機的應用設計

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(1.江南大學 物聯(lián)網(wǎng)工程學院，無錫 214122；2.杭州電子科技大學；3.江蘇矽望電子科技有限公司)

引 言

圖1 智慧公交車的俯視圖

近幾年，隨著“互聯(lián)網(wǎng)+”、“智慧城市”等概念的提出，全國各地刮起一陣智慧風[9]。而交通作為城市的命脈首當其沖，智慧交通、智慧公交的理念漸漸深入人心。然而何為智慧公交，卻并未形成一個統(tǒng)一的概念。一般來說，智慧公交指的是運用現(xiàn)代互聯(lián)網(wǎng)技術、大數(shù)據(jù)云平臺、GPS或BDS(北斗系統(tǒng))、GIS等技術建立一種能夠使乘客感覺舒適、便捷、安全、精準、貼心的公共交通運輸系統(tǒng)[2]。傳統(tǒng)公共交通運輸系統(tǒng)存在候車時間長[1]、準點率差、服務態(tài)度差、車輛加減速迅猛、乘客滿意度低等問題[2]，為此，設計了一套集監(jiān)控、定位、WIFI熱點、緊急情況視頻數(shù)據(jù)云上傳和廣告資訊內(nèi)容自動下載等功能于一體的智慧公交車載終端——智慧廣告一體機。

1 智慧廣告一體機的架構

如圖1所示，這是一輛智慧公交車的俯視圖，其中安裝了6個喇叭、4個攝像頭、1臺廣告機和1臺報站顯示器。廣告機內(nèi)部含有控制外圍設備的主板和生成WIFI路由功能的4G模組、路由模塊、GPS或北斗系統(tǒng)等。廣告機的主要功能是播放廣告以及政府的公告通知等信息。喇叭的主要功能是語音播放，包括廣告聲音和報站聲音的播放，一般兩者可以通過廣告機內(nèi)部的硬件電路實現(xiàn)自動切換。

如圖2所示，4個攝像頭分別負責監(jiān)控不同的區(qū)域，其中全景高清攝像頭可以將整輛車內(nèi)乘客的一舉一動盡收眼底，從而對發(fā)生在公交車上的各類偷竊等不法行為產(chǎn)生有力的震懾作用。

行車記錄議攝像頭可以記錄車輛前方的交通狀況，其對發(fā)生交通事故后的責任認定具有極其重要的價值。前后門攝像頭主要負責記錄乘客上下車時的狀況，這為乘客投訴公交司機不文明的駕駛行為提供有力的證據(jù)。這些攝像頭記錄的視頻均可通過網(wǎng)線傳輸?shù)街靼迳喜⒋鎯υ诖鎯▋?nèi)。CPU內(nèi)包含緊急情況的檢測與判斷算法，當檢測到發(fā)生緊急情況時，CPU會通知4G模組與路由模塊將這段時間內(nèi)的視頻上傳到云端。

報站顯示器主要顯示車輛的到站情況、車輛調(diào)度中心發(fā)布的通知公告、基于GPS定位得到的距路口的距離以及信號燈狀態(tài)計算出的建議速度等。建議速度一般是主板CPU根據(jù)當前車輛的到站情況得到的基于GPS或北斗系統(tǒng)測算出車輛距路口的距離和路口信號燈的狀態(tài)(包括未來的信號燈變化)而計算出的當前車輛建議行駛速度。根據(jù)建議速度，車輛一般都能夠平穩(wěn)地駛過路口而恰好避開紅燈，這不僅可以緩解交通擁堵問題，也可以減少因司機的頻繁加減速而帶來的安全隱患問題，同時還可以改善乘客的乘車感受。

3 硬件設計與實現(xiàn)

智慧公交最核心的部分在于廣告機內(nèi)部的硬件電路，其內(nèi)部構造如圖3(a)所示，外觀如圖3(b)所示。廣告機內(nèi)部總共有7塊電路板，分別是主板、RF板、電源板、Audio板、I/O板、IR板和高壓條。

圖3 廣告機內(nèi)部構造和外觀

(1)主板

主板是整個廣告機的核心(如圖4所示)，也是實現(xiàn)智慧公交的關鍵所在。上面焊有BGA封裝的CPU、DDR3(4片)和iNand(1片)，以及QFN封裝的PMIC(Power Management Integrated Circuits)等，這些構成了主板的最小系統(tǒng)。

此外，主板上還有WIFI模塊、TF卡座、DC-DC、Audio Decoding、LVDS和HDMI轉VGA等功能性電路。CPU選用的是飛思卡爾半導體公司(被恩智浦收購)研發(fā)的i.MX6系列處理器，其具有Cortex-A9內(nèi)核，主頻高達1.2 GHz，控制著各種外圍設備并協(xié)調(diào)好各個模塊正常工作。

圖4 主板的正反面

(2)RF板

RF板(如圖5所示)上有路由模塊、4G模組、GPS/北斗模塊、USB Hub、SIM卡插槽和4個網(wǎng)口等主要功能模塊，其主要負責將網(wǎng)絡攝像頭拍攝到的視頻畫面?zhèn)鬏斀o主板或者上傳到云端并將車輛位置報告給CPU。

圖5 RF板

(3)電源板

電源板主要是將車載電源24 V轉換成主板和其它功能板需要的穩(wěn)定電源，一般為12 V。

(4)Audio板

Audio板主要負責將音頻信號進行功率放大，且完成廣告聲音與報站聲音之間的平穩(wěn)切換。

(5)I/O板

I/O板是一塊將廣告機內(nèi)部打通的轉接板。電源板電源、攝像頭電源的輸入、GPS及與報站器相關的參數(shù)輸出、喇叭音頻輸出、VGA擴展輸出，以及CAR_ACC檢測等信號的轉接均需要通過I/O板。

(6)IR板

IR板又稱紅外板，主要負責接收遙控發(fā)出的紅外信號以及指示燈顯示。

(7)高壓條

高壓條主要負責將12 V電壓升高到60 V以點亮顯示屏。

此外，機殼內(nèi)還有一塊7.2 V的藍色可充電電池，其功能是在車載電源突然掉電的情況下負責主板供電，保證CPU不至于突然掉電。同時，為了省電會將顯示屏關閉，保存重要數(shù)據(jù)并上傳攝像頭采集到的視頻，完成這些功能后則會自動關機。

綜上所述，整個廣告機的硬件控制系統(tǒng)架構如圖6所示，各個功能模塊緊緊圍繞在CPU周圍，有條不紊地各司其職，共同完成智慧公交的整體功能。目前，該套系統(tǒng)已經(jīng)成功應用于南京市江寧區(qū)東山公交公司的公交車，并取得了市民和市政府領導們的一致好評。

圖6 廣告機的硬件系統(tǒng)

4 軟件功能設計

如圖7所示，智慧廣告一體機軟件功能設計主要包括6個子系統(tǒng)，它們是多線并行運行的。廣告系統(tǒng)負責播放存儲在TF卡中的廣告視頻，當ACC斷電之后，會從云端下載更新廣告視頻。監(jiān)控系統(tǒng)對4個攝像頭采集到的圖像進行處理，并分析判斷是否是緊急情況，若是則立即將圖像視頻上傳到云端，以防止丟失。感知系統(tǒng)指的是分布于公交車內(nèi)部或者廣告一體機內(nèi)部的各種傳感器，如溫度傳感器、PM2.5檢測傳感器、音頻采集傳感器等，其可將公交車內(nèi)的各種環(huán)境數(shù)據(jù)上傳給CPU，CPU根據(jù)這些數(shù)據(jù)進行判斷，若有異常情況則作出相應的預警，通知遠程服務端或顯示在廣告一體機的顯示器上。報站系統(tǒng)集合了GPS定位技術，當定位到公交車快要到達站臺時，利用已知的公交路線GIS信息，CPU可以自動報站。當公交車離開站臺時，在獲知前方路口信號燈狀態(tài)信息的情況下，根據(jù)公交車到前方路口的距離，CPU經(jīng)過計算可以給公交司機一個建議速度，使得公交車能夠平穩(wěn)地通過前方路口。網(wǎng)絡系統(tǒng)集成了WIFI連接、路由熱點、GPRS聯(lián)網(wǎng)等功能，由3G/4G模組與SIM卡一起完成了GPRS上網(wǎng)功能，然后由路由器產(chǎn)生熱點，可以供公交車上的乘客免費使用。此外，公交車在進入車站后，可以自動連接車站內(nèi)的WIFI，并下載更新廣告視頻。

圖7 智慧廣告一體機運行流程圖

充電系統(tǒng)在車載電源正常時可以給電池充電，在公交車意外斷電或公交進站停止運營時則由電池供電。電池供電時，顯示器將會被關閉以節(jié)約電池電量。如果只是公交進站熄火，那么智慧廣告一體機將自動下載更新廣告視頻。

5 運行狀況

該智慧廣告一體機已在南京、馬鞍山、棗莊等城市公交車上被使用，除首批次發(fā)現(xiàn)一個bug外，后續(xù)版本廣告一體機沒有再發(fā)現(xiàn)bug，也沒有出現(xiàn)任何故障，整體運行良好。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，首批次出現(xiàn)的bug是啟動電路中一個電阻阻值設置不合理導致的，目前該問題已被解決。

圖8所示為主板的VDD_5VA主電源，如果VDD_5VA工作不正常，主板CPU也就無法工作。

圖9為VDD_5VA的復位電路，當CAR_PWR_RST上電時，上電瞬間C307導通，Q52導通，CAR_PWR_ON高電平，Q32導通。5VA_EN低電平，VDD_5VA沒有使能，VDD_5VA也沒有5 V電壓輸出，CPU沒有電，不會啟動。當R432與C307組成的RC充電電路充滿電時，C307相當于開路，Q52處于關斷狀態(tài)，CAR_PWR_ON信號被拉低，Q32關斷，5VA_EN高電平，VDD_5VA被使能，VDD_5VA正常工作，后續(xù)相應電路就可以工作起來。

在首批次出現(xiàn)故障的PCB板子中，C307由于漏電流的存在，與R432進行分壓，R432上存在較大壓降，導致Q52的2引腳電壓與1引腳電壓差值大于Q52的開啟電壓，從而使得Q52導通，進而CAR_PWR_ON一直是高電平，最終使得VDD_5VA無法使能，主板CPU無法啟動，外觀表現(xiàn)為廣告一體機無法開機。

這種故障都是機器運行一段時間(幾周到幾個月不等)之后才出現(xiàn)的，說明這是C307的老化所致，更換新的C307之后，機器可以正常啟動開機。但是，這樣做并不能從根本上解決問題，為了避免這種故障再次出現(xiàn)，就要在正常情況下避免Q52處于導通的狀態(tài)，即Q52的2引腳電壓與1引腳電壓差值必須小于Q52的開啟電壓，也就是盡可能縮小Q52的2引腳與1引腳的電壓差值，減少R432上的壓降。

最終，我們的解決方案是在不影響其他時序電路的情況下，將R432的阻值由原先的220 kΩ更改為68 kΩ，后續(xù)運行中沒有再出現(xiàn)不開機的情況。

圖8 主板主電源VDD_5VA電路

圖9 主板VDD_5VA復位電路

結 語

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孟鵬濤(碩士研究生)，主要研究方向為控制理論與控制工程、嵌入式系統(tǒng)；吳薇(博導)，主要研究方向為嵌入式系統(tǒng)、車聯(lián)網(wǎng)與物聯(lián)網(wǎng)。