基于樹莓派的運(yùn)營(yíng)車輛監(jiān)測(cè)系統(tǒng)*

洪文欣，孫 寧

（南京林業(yè)大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，南京 210037）

1 引言

近年來(lái)交通運(yùn)營(yíng)車輛突發(fā)事故越發(fā)頻繁且多樣化，傳統(tǒng)的針對(duì)運(yùn)營(yíng)車輛的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)只能在固定卡口或出車前后給予一定監(jiān)測(cè)，但不能在駕駛?cè)^程中給予全面監(jiān)測(cè)，因靈活性的缺乏而難以滿足復(fù)雜的交通需求。國(guó)內(nèi)外研究者對(duì)此進(jìn)行了大量的研究工作，如王巍教授等[1]對(duì)運(yùn)營(yíng)車輛監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究，雖在一定程度上改善了監(jiān)測(cè)片面問題，提高了駕駛安全和救援效率，但仍不能實(shí)現(xiàn)較為理想的實(shí)時(shí)性，也不能自如應(yīng)對(duì)未來(lái)智能交通下更為復(fù)雜的駕駛環(huán)境和突發(fā)事故。鑒于此，本研究嘗試設(shè)計(jì)一款基于樹莓派的運(yùn)營(yíng)車輛監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，運(yùn)用監(jiān)控和傳感器[2]獲取車輛運(yùn)行狀態(tài)、駕駛員行為信息以及道路情況。在對(duì)協(xié)同定位系統(tǒng)進(jìn)行硬件電路設(shè)計(jì)的同時(shí)，還利用Visual Basic對(duì)系統(tǒng)軟件工作界面進(jìn)行設(shè)計(jì)[3]，在軟件平臺(tái)上清晰呈現(xiàn)駕駛員行為、車輛信息和道路情況等。通過分析數(shù)據(jù)信息，可方便對(duì)車輛安全性進(jìn)行判斷并預(yù)備緊急事故處理方案，提高車輛的安全性和救援的高效性。

2 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)考慮

整體設(shè)計(jì)概念如圖1所示。軟件以智能監(jiān)測(cè)技術(shù)為核心，硬件運(yùn)用樹莓派處理器，完成對(duì)運(yùn)營(yíng)車輛的監(jiān)測(cè)。系統(tǒng)引入“車聯(lián)網(wǎng)”理念，將汽車上的無(wú)線連接網(wǎng)絡(luò)與車載設(shè)備進(jìn)行連接,通過實(shí)時(shí)信息與數(shù)據(jù)共享，感知并掌握駕駛員駕駛情況、車載設(shè)備情況以及周邊駕駛環(huán)境的安全性與可靠性,以此實(shí)現(xiàn)危險(xiǎn)警報(bào)和預(yù)警功能，保障駕駛行為的安全性，保障交通安全。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理圖

通過高精度人臉識(shí)別技術(shù)對(duì)駕駛員進(jìn)行身份校驗(yàn)，是保證駕駛規(guī)范性和安全性的前提，對(duì)駕駛員能力與狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估考核也可同時(shí)進(jìn)行。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由車內(nèi)實(shí)時(shí)監(jiān)控、車輛數(shù)據(jù)信息、環(huán)境監(jiān)測(cè)和路況查詢四個(gè)部分構(gòu)成。后臺(tái)可以在駕駛?cè)^程中清晰地獲得各方面動(dòng)態(tài)信息，針對(duì)不同情況進(jìn)行及時(shí)調(diào)整。在環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，通過氣象監(jiān)測(cè)設(shè)備和車流量檢測(cè)設(shè)備將天氣數(shù)據(jù)和路況信息傳遞給處理器，處理器分析數(shù)據(jù)發(fā)布預(yù)警，針對(duì)預(yù)警發(fā)布對(duì)應(yīng)舉措。系統(tǒng)可根據(jù)駕駛行為記錄等數(shù)據(jù)生成駕駛員考核表，便于運(yùn)營(yíng)車輛所在公司對(duì)駕駛員進(jìn)行合理聘用和個(gè)性化管理及培訓(xùn)，從而提高駕駛員的業(yè)務(wù)能力，提升運(yùn)營(yíng)車輛的安全性及服務(wù)質(zhì)量。

3 硬件電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件基于樹莓派設(shè)計(jì)，主要包括：供電模塊、主處理器模塊、無(wú)線通信模塊、駕駛監(jiān)測(cè)模塊、車速車距監(jiān)測(cè)模塊等。樹莓派主處理器模塊作為系統(tǒng)硬件設(shè)備的核心[4-5]，由供電模塊等作為輔助，與處理器的串口連接，共同實(shí)現(xiàn)所設(shè)計(jì)功能。

3.1 供電模塊

供電模塊以太陽(yáng)光為主要能量來(lái)源，其具體電路如圖2所示。本供電模塊采用XL4015芯片，設(shè)計(jì)了一個(gè)直流電8V到36V輸入；輸出是恒定的5V和穩(wěn)定的5A直流升壓斬波電路。XL4015也是一款適用各種DC-DC高電壓大電流需求的開關(guān)降壓型產(chǎn)品,可實(shí)現(xiàn)1.25V至32V的可調(diào)輸出，具有4A恒流輸出電流能力，有出色的線路和負(fù)載調(diào)節(jié)功能，除此之外還內(nèi)置了熱關(guān)斷、電流限制和輸出短路保護(hù)等功能芯片。

圖2 供電模塊電路圖

3.2 處理器模塊

處理器模塊采用樹莓派[6]處理器，其作為一款微型電腦處理器，具備體積小、功能齊全、處理能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，可以將電腦與單片機(jī)I/O功能良好結(jié)合。電路圖如圖3所示。

圖3 樹莓派電路圖

本設(shè)計(jì)中，處理器以BCM2835芯片為核心。串口通信通過原生串口轉(zhuǎn)485實(shí)現(xiàn)，達(dá)到控制設(shè)備并讀取儀器數(shù)據(jù)的功能。通過處理器對(duì)車輛的運(yùn)行狀態(tài)、路況以及道路規(guī)劃分析處理，可高效實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，提高精準(zhǔn)度。

3.3 無(wú)線通信模塊

無(wú)線通信模塊選用西門子公司的MC55。MC55芯片可以提高語(yǔ)音聯(lián)絡(luò)和數(shù)據(jù)傳輸功能在同一系統(tǒng)中的集成度，能較好滿足本系統(tǒng)中遠(yuǎn)程信息交互的要求。無(wú)線通信模塊電路如圖4所示，其中，TXD0口用于接收從單片機(jī)傳入的數(shù)據(jù)；RXD0口用于向單片機(jī)輸出數(shù)據(jù)[7]；通過端口TXD0與TXD1之間、RXD0與RXD1之間的數(shù)據(jù)傳輸，能夠?qū)崿F(xiàn)主處理器和GPRS模塊間的無(wú)線通信。

圖4 無(wú)線通信模塊

3.4 駕駛監(jiān)測(cè)模塊

駕駛監(jiān)測(cè)模塊以智能攝像頭為基礎(chǔ)設(shè)備，輔以定位監(jiān)測(cè)，監(jiān)控駕駛員行為、以及道路狀況，最終實(shí)現(xiàn)道路和車輛信息在上位機(jī)管理系統(tǒng)的實(shí)時(shí)視頻顯示，滿足交通管理的監(jiān)測(cè)等需求，如圖5所示。

圖5 駕駛監(jiān)測(cè)模塊

實(shí)際設(shè)計(jì)中，選用CMOS FIFO攝像頭；AL422B作為視頻幀存儲(chǔ)器，結(jié)構(gòu)為先進(jìn)先出（FIFO），其接口較為簡(jiǎn)單。AL422B視頻幀存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)容量高達(dá)384×8 kbit[8]，能夠存儲(chǔ)1幀圖像的完整信息，且工作頻率達(dá)到50MHz，可以較好滿足駕駛監(jiān)測(cè)的監(jiān)控要求[9]。

3.5 車速車距檢測(cè)模塊

車速車距檢測(cè)模塊采用CCD攝像頭完成對(duì)道路信息數(shù)據(jù)的采集，如圖6所示。

圖6 車速車距檢測(cè)模塊電路圖

CCD視頻信號(hào)輸出端經(jīng)電容C1接至LM1881的視頻信號(hào)輸入引腳2，并將該視頻信號(hào)接入轉(zhuǎn)換口IOAO。視頻信號(hào)經(jīng)LM1881處理后，由CSO引腳輸出分離后的行同步信號(hào)，接至SPCEO61A的外部中斷IOB2引腳。當(dāng)該引腳出現(xiàn)低電平時(shí)，產(chǎn)生外中斷。通過在中斷子程序中啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)控制行的采集。將7腳輸出奇偶場(chǎng)信號(hào)接至SPCEO61A的IOB6引腳，進(jìn)而通過檢測(cè)IOB6口的變化來(lái)控制現(xiàn)場(chǎng)信息采集。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

利用Visual Basic對(duì)系統(tǒng)軟件的工作界面進(jìn)行設(shè)計(jì)，版本選用Visual Basic 6.0，搭建基于樹莓派的運(yùn)營(yíng)車輛監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的界面。軟件主界面如圖7所示。主界面包括駕駛行為監(jiān)測(cè)、駕駛員考核、設(shè)備檢測(cè)、個(gè)性化設(shè)置、問題反饋、歷史數(shù)據(jù)等按鍵，占擊進(jìn)入即可實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。

圖7 軟件主界面

軟件設(shè)計(jì)的核心在于駕駛?cè)^程中對(duì)駕駛員、車輛、環(huán)境路況的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，通過路基單元的監(jiān)控設(shè)備、路況檢測(cè)以及主處理器的數(shù)據(jù)分析處理，實(shí)現(xiàn)全方位動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。系統(tǒng)軟件流程如圖8所示，從中可見設(shè)置中提供了不同的用戶權(quán)限，普通用戶僅有軟件界面信息的查看權(quán)，管理員享有手動(dòng)調(diào)度、發(fā)送調(diào)度信息以及界面設(shè)置的權(quán)利。

圖8 系統(tǒng)軟件流程圖

如圖9所示為駕駛行為監(jiān)測(cè)界面。駕駛員進(jìn)入車輛必須經(jīng)過高精度人臉識(shí)別進(jìn)行身份校驗(yàn)，校驗(yàn)成功方能進(jìn)行駕駛操作。本功能可有效保證駕駛的規(guī)范性，并實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)存儲(chǔ)駕駛員行車數(shù)據(jù)，以便對(duì)駕駛員進(jìn)行考評(píng)。

圖9 駕駛行為監(jiān)測(cè)界面

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由車內(nèi)實(shí)時(shí)監(jiān)控、車輛數(shù)據(jù)信息、環(huán)境監(jiān)測(cè)和路況查詢四個(gè)部分構(gòu)成，界面如圖10所示。后臺(tái)程序可以在駕駛?cè)^程中清晰地獲得各方面狀態(tài)信息，針對(duì)不同情況進(jìn)行及時(shí)調(diào)整。本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)界面設(shè)有駕駛員實(shí)時(shí)監(jiān)控圖和包括速度、油量、信號(hào)的數(shù)據(jù)監(jiān)控信息。管理員可通過點(diǎn)擊環(huán)境監(jiān)測(cè)、路況查詢進(jìn)入相應(yīng)的功能界面。

圖10 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)功能界面

單擊環(huán)境監(jiān)測(cè)，進(jìn)入環(huán)境監(jiān)測(cè)界面，如圖11所示。在環(huán)境監(jiān)測(cè)頁(yè)面中，用戶和管理員都可通過氣象和車流量等信息檢測(cè)設(shè)備，如運(yùn)用GPS定位、傳感器、衛(wèi)星探測(cè)等技術(shù)獲得包括天氣、風(fēng)力、路面結(jié)冰、路面積水等的環(huán)境信息，將天氣數(shù)據(jù)和路況信息傳遞給處理器，處理器分析數(shù)據(jù)發(fā)布預(yù)警，提醒制定針對(duì)性應(yīng)對(duì)舉措[10]，及時(shí)、方便地輔助駕駛員進(jìn)行安全出車、收車調(diào)整。

圖11 環(huán)境監(jiān)測(cè)功能界面

路況查詢界面如圖12所示。在其中，系統(tǒng)通過GPS定位、GIS地圖和處理器結(jié)合的方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)路況的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。用戶和管理員可查看當(dāng)前車輛行駛及道路情況，方便對(duì)車輛安全性進(jìn)行判斷并預(yù)備緊急事故處理方案，提高車輛的安全性和救援的高效性。

圖12 路況查詢功能界面

最終，駕駛員考核界面如圖13所示。在此處，系統(tǒng)將綜合地考量駕駛員的日常職業(yè)道德、安全行車、工作質(zhì)量、維修保養(yǎng)四個(gè)方面的表現(xiàn)，并自動(dòng)生成考核成績(jī)。這一功能便于運(yùn)營(yíng)車輛公司對(duì)駕駛員進(jìn)行合理聘用和個(gè)性化管理及培訓(xùn)，從而提高駕駛員的業(yè)務(wù)能力，提升運(yùn)營(yíng)車輛的安全性。

圖13 駕駛員考核界面

5 結(jié)束語(yǔ)

本系統(tǒng)基于樹莓派主處理器，利用車輛與路基單元的信息采集，可實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)地監(jiān)測(cè)駕駛員、車輛和環(huán)境路況等信息。通過無(wú)線通訊，將數(shù)據(jù)傳輸給客戶端和駕駛員，可以極為便利地完成對(duì)駕駛?cè)^程的全方位監(jiān)測(cè)。設(shè)計(jì)方案為適應(yīng)不同的道路情況做了具體細(xì)致的考量，旨在提高運(yùn)營(yíng)車輛的規(guī)范性與安全性，同時(shí)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于使用，具有一定實(shí)用價(jià)值。