嵌入式货车车载监控终端设计

陈庆陆 , 孙运强 , 姚爱琴

（1 中北大学 仪器科学与动态测试教育部重点实验室, 山西 太原 030051 ；2 中北大学 信息与通信工程学院，山西 太原 030051）

0 引言

近些年来,随着我国经济的飞速发展，公路道路建设已取得了辉煌成就，特别是高速公路建设，截至2009年底，全国高速公路通车里程已达6.5万公里，居世界第二位，这也大大带动了国内公路物流产业的发展[1]。然而在物流运输产业繁荣发展的同时，各大物流公司一直都未解决对公司车辆动态信息的实时监控，信息反馈不及时、不精确、不全面等问题导致运力的大量浪费与运作成本的居高不下；货物在运输过程中经常出现丢失被盗现象，给物流公司和货主带来巨大损失；货车体积大，容易给司机造成倒车死角，酿成事故。嵌入式货车车载监控终端可有效缓解上述问题，它将GPS技术GPRS技术相结合，通过GPRS网络在监控终端和监控中心之间传输货车的动态位置(精度、纬度、高度)、时间、状态和监控中心发送的调度指令等信息；同时它带有强大货车自身视频监控系统，可帮助司机在运输和倒车过程中实时地了解车仓内和车尾部的情况。

1 系统整体设计及工作原理

1.1 车载终端整体设计

货车车载监控终端整体结构见图1，主要由货车远程监控和自身监控两部分构成。远程监控系统由车载终端、通信网络（GPRS）、监控中心等3部分组成，而自身监控由车载终端、视频监控两部分组成。车载终端是安装在驾驶室内的嵌入式设备，作为数据处理及控制中心，核心功能是不断获取货车位置信息、状态信息并把这些信息通过GPRS通信网络发送到监控中心,同时能够随时接收来自监控中心的监控调度命令并指导车辆做出相应的反应，同时车载终端带有液晶显示屏可动态显示视频监控画面，帮助司机在货物运输和倒车过程中实时监控车仓内货物情况和货车尾部路面情况。

图1 货车车载监控终端整体结构图

1.2 工作原理

车载终端通过GPS模块采集货车的动态位置(精度、纬度、高度)、时间、状态等信息,通过数据处理及主控模块进行处理后将这些信息实时地通过GPRS网络传至物流监控中心,而后在具有强大地理信息处理查询功能的电子地图上进行货车运动轨迹的显示,并能对货车的准确位置、速度、运动方向、车辆状态等用户感兴趣的参数进行监控查询;监控中心则通过GPRS网络向车载终端发送各种监控调度命令；货车车仓内安装的视频监控器采集货车内的图像传输到主控模块进行处理，处理后的图像信号直观地显示在车载终端的液晶显示屏上，司机可通过液晶显示屏实时了解货物情况；货车尾部保险杠两端各装有一个视频监控器实时采集货车尾部路面情况画面并将画面信号传输到主控模块进行处理而后在液晶显示屏上显示，可帮助司机实时了解货车尾部路面情况并方便司机倒车。

2 货车车载监控终端硬件设计

货车车载监控终端以主控模块、GPS/GPRS模块和视频处理模块为核心，并配有存储模块、液晶模块、键盘模块和电源模块等外围模块，其硬件结构如图2所示。

图2 车载监控终端硬件结构图

2.1 主控模块

嵌入式开发硬件平台的选择主要是嵌入式处理器的选择。本系统选用的主控模块基于SamsungS3C2440微处理器,它是一款高性价比16/32位ARM920T的RISC处理器，工作频率最高可达533MHz；具有外部存储控制器(SDRAM控制和片选逻辑)；LCD控制器(最大支持4K色STN和256K色TFT屏)，提供1通道LCD专用DMA；3通道UART；130个通用I／O口和24通道外部中断源等资源[2]。同时还具备体积小、成本低、功耗低、资源众多等诸多特点。

2.2 存储模块

ARM存储系统的体系结构适应不同的嵌入式应用系统的差别很大。一些复杂的系统可能包括一种或者多种类型的存储器件，以便满足系统不同功能的需要[3]。在本终端系统中选用Flash和SDRAM两种存储器件来存储系统数据。Flash存储器是一种可在系统电擦写，掉电后信息不丢失的存储器。在系统中通常用于存放程序代码、常量表以及一些在系统掉电后需要保存的用户数据等。系统选用一片SamsungK9F1208U0C的NAND型Flash,64M容量，48-Pin TSOP封装，读写速度快，数据保存时间长，高达10万次的擦除，DC3.3V供电。该芯片具有一个8位的I/0端口。在CE为低电平时。把WE置低，地址、命令和数据都可通过该端口写入。数据在WE的上升沿被锁存，CLE和ALE分别用来控制对命令和地址的锁存。同时Samsung K9F1208U0C具有较强的纠错功能,能够最大限度地保护用户数据。SDRAM存取速度大大高于F1ash存储器.具有读写的属性.因此SDRAM在系统中主要用作程序的运行空间，数据及堆栈区。系统选用一片SamsungK4S561632E-TC75的 SDRAM，64MB容量，54PinTSOP封装，DC3.3V供电[4，5，6]。系统启动时，CPU首先从复位地址0X0处读取启动代码，在完成系统的初始化后，程序代码一般应调入SDRAM中运行，以提高系统的运行速度。系统及用户堆栈、运行数据也都放在SDRAM中。

2.3 GPS模块

选用Leadtek LR9548为GPS数据接收模块，定位精度10M，RS232串口通信，DC3.3V供电[7]。LR9548负责捕获、跟踪3颗或3颗以上的卫星，接收、放大、记录GPS信号并对信号进行解调和滤波处理，还原出GPS卫星发送的导航电文，解求定位信号在站间的传播时间和载波相位差，实时地获得导航定位数据或采用测后处理的方式，获得货车位置、速度、运动方向等数据。

2.4 GPRS模块

选用WAVECOM公司推出Q2406B模块为GPRS调制解调模块，RS232串口通信，DC3.6V供电。它不仅支持数据、语音、传真和短信息功能，而且由于它内嵌了TCP／IP协议处理栈，只需直接通过AT指令就能轻松接入Internet，并与监控中心通信，省去了常用的TCP／IP处理模块及编程时繁琐的调用各种API函数。本终端系统使用了其串行接口、SIM卡接口和电源接口，通过连接开通GPRS功能的SIM卡，系统能通过GPRS网络连接到 Internet上[8]。

2.5 视频处理模块

选用可编程视频处理器SAA7111作为视频处理模块。该芯片集A/D与解码功能于一身，4路视频模拟信号输入，可对亮度、对比度和饱和度进行控制，支持PAL电视制式，I2C总线控制，DC3.3V供电。本终端系统配备3路普通摄像头，可通过键盘输入模块选择查看某一路视频信号，当某一路接通时，视频信号将进入视频解码器SAA7111进行A/D转换，以将模拟信息变成标准的16位YUV4 2：2数字图像信息，数字图像信息经RS232串行口发送到主控模块并存储到SDRAM中，随后CPU对图像数据进行预处理后提取有效图像数据，送液晶显示模块显示，司机可通过液晶显示模块实时的看到车舱内的情况和车尾部的路面情况。

2.6 供电模块

本终端系统各个模块所需的供电电压都为直流，但电压值各不相同，其中终端的总输入电压源自汽车配电盘，为直流12V[9]。主控模块为标准5V,存储模块、GPS模块和视频处理模块为标准的3.3V系统，GPRS模块为3.6V。所以，本系统的电源模块设计为多电源供电。

3 货车车载监控终端软件设计

3.1 操作系统的选择

因嵌入式车载监控终端需满足系统的多任务、实时性以及硬件环境的要求，由此本终端选择Linux作为车载终端的操作系统移植到芯片SamsungS3C2440微处理器上。

3.2 应用程序设计

鉴于货车车载监控终端的远程监控和自身监控的特性，本终端应用程序也分远程监控和自身监控两部分进行单独设计。由于GPRS模块、GPS模块和视频处理器SAA7111都是通过串口和主控模块连接的，程序系统初始化的工作就是对串口进行初始化，使串口按GPRS、GPS模块和视频处理器SAA7111的要求工作。应用程序设计使用Linux操作系统提供的串口编程接口函数实现[11]。

货车远程监控应用软件的功能主要是GPS信号数据的处理和GPRS模块发送处理后GPS数据，其软件流程见图3所示。

图3 远程监控应用软件流程图

程序工作时先进行GPS和GPRS串口初始化工作，然后进入主控制循环。在主控循环中，先识别GPS数据是否有效，即定位是否成功，定位成功则系统转到下一个状态，建立GPRS连接，否则重新定位。建立好GPRS连接后便可以向监控中心发送处理后的定位数据。

货车自身监控应用软件的功能主要是处理视频处理器SAA7111通过RS232串行口发送到主控模块的数字图像信息，并将处理后的视频信号在液晶屏上显示。同时它还可以接收键盘输入中断，完成多路视频信号的切换。其软件流程见图4所示。

图4 自身监控应用软件流程图

程序工作时先进行SAA7111串口初始化，然后进入主控制循环。在主控循环中，对系统开机默认导通的1路视频信号进行处理并将处理后的视频信号送液晶显示屏显示。主程序在运行过程中还可接收键盘输入中断，以便切换到另一路视频信号上去或回到1路信号显示。

4 实验结果及分析

本系统选择在室内环境下进行初步的模拟实验和测试。视频监控选用两路视频信号。在远程监控中心选用串口调试助手接收GPRS模块发送过来的GPS数据来检测远程监控是否正常工作。系统开机后自动运行货车远程监控和自身监控程序，液晶显示器上显示系统开机默认导通的1路视频画面，画面见图5。

按一下视频切换按键，2路视频信号导通，液晶显示器上显示2路视频画面，画面见图6。

图5:1 路视频画面

图6:2 路视频画面

远程监控中心的串口调试助手接收区显示实时接收到的GPS数据，说明系统远程监控功能工作正常，接收数据的截图见图7。

经过多次实验显示，系统运行稳定，并取得了理想的实验效果。

图7 监控中心GPS数据接收图

5 结束语

近年来，许多类似汽车倒车雷达的汽车倒车辅助系统作为新生的汽车用品正越来越多地配置在机动车上，本文利用ARM的强大功能实现了货车倒车视频监控与基于GPS/GPRS的货车远程监控进行了集成，节约了开发成本。重点介绍了嵌入式货车车载监控终端的实现方案，并给出了详细的硬件及软件组成和设计实现。并进行了系统实验测试，取得了良好的实验效果。该系统可有效缓解目前公路物流产业对车辆实时监控与调度的迫切需要和货车司机倒车难、货物防盗等问题，相信投入市场一定会极大推动我国公路物流产业的智能化管理发展，并深受货车司机的喜爱，创造出良好的社会效益和经济效益。

[1]李博.高速公路：从零到世界第二.http://www.ceh.com.cn/ceh/xwpd/2009/11/5/55216.shtml, 2009,11.

[2]李述良，冯杰，刘文进，漆进峰.基于S3C2440A嵌入式系统的硬件设计[J].黄冈师范学院学报,2009,29(3):37-41.

[3]杜春雷.ARM体系结构与编程[M].北京:清华大学出版社,2006:165-166.

[4]Samsung Electronics.64Mx8Bits NAND Flash Memory K9F1208X0C.korea, 2006:2-3.

[5]Samsung Electronics.256Mbit SDRAM K4S561632E.korea, 1999:2-3.

[6]李彩红.基于ARM的车载GPS定位终端的设计[J].微计算机信息,2008,24(19):229-231.

[7]Philips.SAA7113H 9-bit video input processor data sheet.Netherlands, 1999:2-3.

[8]莫馁，李勇建，许华胜.基于GPS／GPRS的船载导航监控系统设计与实现[J].压电与声光，2009，31(1)：24-26.

[9]马腾，杨宏业，基于GPS／GPRS的车载监控终端的设计与实现[J].电子测量技术.2009，32(4):71-74.

[10]郑灵翔.嵌入式系统设计与应用开发[M].北京：北京航空航天大学出版社,2006.

[11]RICHARD W.Advanced programming in the UNIX environment[M].北京：人民邮电出版社，2006.