基于S3C2440的公交车舒适性监控与评价系统*

张　凯,周　侃,陆　钧

(南京信息工程大学信息与控制学院,南京 210044)



基于S3C2440的公交车舒适性监控与评价系统*

张凯*,周侃,陆钧

(南京信息工程大学信息与控制学院,南京 210044)

摘要:公交车舒适度可以反应公交车服务水平,有助于建立高品质公交线路。通过对比分析公交车运营中的各种环境参数与所载乘客的主观感受,建立了公交车舒适度(OBC)评价模型,并设计了一套基于嵌入式的舒适度监控系统。系统采用S3C2440微处理器芯片,集成温湿度传感器、加速度传感器、声卡模块,同时设计了基于Qt的人机交互界面。该系统能实时监测公交车运营状态,在舒适度较低的时候向驾驶员发出警告,实验表明,安装该系统的公交车,舒适性有了较大幅度的提升。

关键词:嵌入式系统;公交车舒适性;系统建模;Qt

随着我国汽车工业的迅猛增长,其带来的交通拥堵也日趋严重,提供高品质公交线路是吸引民众选择公交出行的重要方法,能有效减缓交通拥堵,实现公交优先战略。近年来,以舒适性为主的公交车服务质量研究受到越来越多的重视[1],但研究多注重于单个因素对乘坐体验的影响,并没有对公交车舒适度做出系统的研究。在研究方法上也缺乏将主观评价与客观检测进行有效的结合。因此,本系统采集了公交车运营时的一些环境指标,同时对乘客的主观感受进行实际调查,分析了大量的样本数据,提出了公交车舒适度的4个独立影响因子:热舒适度(TC)、噪声(NOISE)、振动(VIBRATION)、纵向加速度变化率(J),再结合个体差异对整体舒适度的影响[2],建立了公交车舒适度评价模型[3],在此模型的基础上,设计出一套公交车舒适度监控系统,本系统采用S3C2440微处理器芯片,集成温湿度传感器、加速度传感器、声卡模块,并设计了基于Qt4.5.3的人机交互界面。该系统能实时监测公交车运营状态,并将其量化显示在触摸屏上,同时在舒适度较低的时候向驾驶员发出警告。本系统不仅能高效的监控公交车驾驶员的驾驶行为,其更深远的意义在于它能有效改善并规范驾驶行为,从而提升驾驶员业务素质,促进公交服务质量的整体提升。

1　客观环境变量研究

根据对公交车乘客的调查,影响公交车舒适度的因素主要有热舒适度、噪声、振动以及公交车纵向加速度变化率。

在我们过往的研究中,已对上述4项指标计算的计算方法进行了详细的阐述[4]。

基于PPD[5]的热舒适度计算公式:PPD=100-95exp[-(0.3353PMV4+0.2719PMV2)]

(1)

基于A声级的噪声计算公式[6]:

(2)

式中:LA为t时刻的瞬时声级;T为采样时间。

应用噪声烦恼度的百分比HA表示人们对噪声级的评价

(3)

基于总乘坐值的振动计算公式:

(4)

式中:x为加权加速度值;Z(x)为振动评价。

纵向加速度变化率计算公式[7]:

J′=J-0.6

(5)

式中:J为纵向加速度变化率。

2　数据采集与分析

2.1主观数据采集

为了全面调查客观环境因素对公交车舒适度的作用规律以及个体差异对乘坐体验的影响,在检测公交车运营过程中客观环境变量的同时,我们也对其运载的乘客展开社会调查,问卷采用五级衡量尺度,调查了乘客的年龄、性别、健康状况以及本次乘坐(OBC(S))与最近乘坐的的(OBC(G))舒适度评价。

2.2客观数据采集

图1　系统结构图

为了实现对上述4个变量的检测,本文设计了基于嵌入式的数据采集与分析平台,其系统结构如图1所示。在数据采集系统中,主处理器为S3C2440,平台基于Linux,内核版本号为2.6.22.6,根文件系统支持Qt,Qt版本号为4.5.3,并配有一块3.5寸的触摸屏ACX502BMU,可以实时显示所采集到的数据。热舒适度检测使用温湿度传感器SHT10;噪声检测采用基于I2S总线的UDA1341TS;该芯片外接扬声器,用于向驾驶员发出警报;垂直振动和纵向加速度检测都采用数字传感器ADXL345,下面对系统的核心芯片进行简单的介绍。

SHT10包括一个电容式聚合体测湿元件和一个能隙式测温元件,SHT10的工作电压为2.4 V～5.5 V,本系统工作在3.3 V。SHT10的接口类似于I2C总线设计,但与I2C接口不兼容。本文为其编写了一个简单的驱动程序,其电路设计如图2所示。

图2　温湿度传感器电路图

SHT10在温度为25 ℃时测温精度为±0.5 ℃,测湿精度为±4.5%,基本可以满足本设计的需要。

ADXL345是一款小而薄的超低功耗3轴加速度计,分辨率高(13 bit),测量范围达±16 g。数字输出数据为16 bit二进制补码格式。

ADXL345工作在I2C模式下的地址是由ALT ADDRESS引脚决定的,将ALT ADDRESS接地,选择备用I2C地址0x53(随后为R/W位)。这转化为0xA6写入,0xA7读取。

图3　加速度传感器电路图

UDA1341TS是一款音频接口芯片,工作电压为2.4 V～3.6 V,本系统工作在3.3 V下,该芯片支持I2S总线,在编译内核的时候将I2S驱动编译进内核,并相应修改配置文件mach-smdk2440.c,其接口电路如图4所示。

图4　音频芯片电路图

评价系统采用在线数据分析和离线参数整定的方式,即公交车上实时采集上述4个信号的值,然后对上述信号进行即时存储,对于不方便实时采集的主观数据,可采用手动输入的方式。在所有数据准备好后,系统会根据后文中提出的舒适度模型计算当前时刻的公交车舒适度。所有数据都存储在与S3C2440相连的512M NANDFLASH里。

2.3系统软件设计

2.3.1软件开发环境搭建

本系统采用Linux操作系统,Linux系统具有开源,内核可裁剪等特点,用户可以根据自己的需求对内核进行裁剪并重新编译。本文完成的主要工作有:第一,在前面所述的硬件平台上构建最小嵌入式Linux系统,包括对UBOOT、内核、根文件系统的移植,在对内核进行移植的时候,将本系统所用到的温湿度传感器,加速度传感器和声卡模块等相关的驱动编译到内核中;第二,将Qt移植到本系统中,以及编写相应的数据显示程序。

系统开发环境:主机开发环境选择Fedora 14操作系统,主机工具链gcc-4.6.3,交叉编译工具链arm-linux-gcc-4.3.2,内核版本采用2.6.22.6内核。

2.3.2主程序设计

图5　主程序流程图

本系统主程序流程图如图5所示,系统初次启动时,需要人为输入公交车舒适度阈值与年龄、性别等主观参数。在输入的参数得到确认后,系统开始实时采集环境变量并计算公交车舒适度,若公交车舒适度低于我们设定的阈值,则向驾驶员发出警报。

2.3.3Qt 4.5.3安装与移植

Qt是一个已经形成事实标准的C++框架,它被用于高性能的跨平台软件开发。除了拥有扩展的C++类库以外,Qt还提供了许多可用来直接快速编写应用程序的工具。下面对如何安装与移植进行详细的阐述。

(1)安装触摸屏包tslib-1.4.tar.gz。该包主要用于校正触摸屏,并保存校正数据。解压该包后执行如下命令:

./configure--prefix=/home/mytslib/--host=arm-linux ac_cv_func_malloc_0_nonnull=yes

make

make install

(2)编译安装qt-x11-4.5.3。qt-x11-4.5.3是运行在linux平台下用于仿真QT应用程序的软件,解压后执行如下命令:

./configure

gmake

gmake install

(3)编译安装qt-embedded-linux-open

source-src-4.5.3.tar.gz。该包用于编译可运行于开发板的linux程序:

cd/

mkdir mini2440

mkdir tslib

./configure-prefix/mini2440-release-shared-fast-pch-no-qt3support-qt-sql-sqlite-no-libtiff-no-libmng-qt-libjpeg-qt-zlib-qt-libpng-qt-freetype-no-openssl-nomake examples

./configure-nomake demos-nomake tools-optimized-qmake-no-phonon-no-nis-no-opengl-no-cups-no-xcursor-no-xfixes-no-xrandr-no-xrender-no-xkb-no-sm-no-xinerama-no-xshape-no-separate-debug-info

./configure-xplatform qws/linux-arm-g++-embedded arm-depths 16-no-qvfb-qt-gfx-linuxfb-no-gfx-qvfb-no-kbd-qvfb-no-mouse-qvfb-qt-kbd-usb-confirm-license-qt-mouse-tslib-I/home/mytslib/include-L/home/mytslib/lib

gmake

gmake install

(4)移植相关库文件至开发板。将虚拟机中mini2440与tslib 2个文件夹拷贝至开发板根目录中,并修改环境变量。

至此,Qt4.5.3便安装与移植成功。

2.3.4数据显示程序实现

编写Qt4应用程序通常有2种做法,一是全部采用手写代码,在命令行下完成编译和运行,二是在集成开发界面(IDE)编译和运行程序并使用Qt Designer设计界面。其本质是一样的,只是IDE简化了操作。鉴于Qt Designer的超强便利性,我们使用它来辅助开发界面,在命令行调试行下编译代码。

Qt本质上是基于C++的,其开发界面也如出一辙,只需要在搭建好基本框架后设置信号/槽并设计布局。完成设计后,Qt Designer会生成一个OBC.ui文件,在命令行中执行uic-o OBC.h OBC.ui,将其转化为头文件的格式,该界面程序就可以供主程序使用了。

2.4数据分析与处理

整个样本的乘客平均年龄值为27.94,图6和图7可以定性地描述各个变量与公交车车舒适性之间的关联:

(1)大龄乘客的舒适性体验要优于低龄人。

(2)健康人群拥有较高的舒适性体验。

(3)女性相对于男性乘客有较高的舒适性体验。

(4)热舒适度,噪声,振动,纵向加速度变化率对舒适性都有不同程度的影响。

为了定量的分析各个变量对舒适性体验的影响,同时也为了建立舒适度计算模型,本文采用皮尔逊积矩相关系数描述各个变量与公交车舒适性之间的关联度[8]。

(6)

其中r取值范围为[-1,1],r>0表示正相关,r<0表示负相关,|r|表示了变量之间相关程度的高低。

从表1中可以发现年龄、性别、健康程度与公交车舒适度的关联性较弱。噪声,热舒适度,加速度变化率与公交车舒适度的相关性较强。倘若将7个因子同时作为舒适度模型的输入变量,由于3个弱相关因子的影响,拟合程度必然不高,但若剔除这3个因素,在一些特殊场合,比如小学、女子学校、医院、途径这些场所的公交车乘客大多年龄较小、性别单一、健康程度较差。如此我们的模型便不能适用。考虑模型的高适用性,我们将所有7个因子做为输入,只要通过显著性检验,我们就可以认为建立的回归方程有效。

图6　不同个体对公交车舒适度的影响

图7　客观环境变量对公交车舒适度的影响

线性回归模型如式(6)所示:

(7)

表1　公交车舒适度与各变量的相关系数

注:N=725;**p<0.01;***p<0.001;男性定量为1,女性为0。

线性回归模型假定回归函数E(Y|X)是线性的,或假定线性模型是一个合理的近似,我们的目的是估计βj。

在SPSS中对整个样本进行多元回归分析,得出公交车舒适度的计算公式:

OBC(S)=0.214Age-6.41Gender+3.177Health-

0.612Noise-0.687TC-1.079Vibration-

94.213J′+163.174(R2=0.74)

(8)

修整后的确定系数R2为0.74,拟合度一般,对回归结果进行显著性检验,显著性水平均小于0.05,可以认为所建立的回归方程有效。

3　系统验证

为评价系统的准确性,需对其进行检验评估。为此,我们在公交车上展开了第2次试验,得到的结果如表2所示,OBC(C)表示根据我们的计算公式得出的舒适度,OBC(Q)为问卷调查得出的舒适度,1为安装该系统的公交车,2为未安装了本系统的公交车,N1,N2为样本数。

表2　系统验证

图8为系统数据采集与评价界面,该界面基于Qt4.5.3。

本系统计算出的舒适度与问卷调查的结果相差无几,这说明该评价系统的计算结果基本上符合乘客的主观感受。同时,我们发现,即使是初次安装本系统,公交车舒适度也有了接近20%的提升。

图8　系统数据采集与评价界面

4　结束语

公交车舒适度是乘客服务质量要求中的重要方面,提高公交车舒适度对于提高客流量、改善公交环境、促进公交企业科学健康发展具有重要意义。本文通过提出公交车舒适度评价计算方法,设计了基于S3C2440的公交车舒适度的检测与评价系统,并对南京市公交车展开调查分析,结果表明客观检测得到的系统评价结果与主观调查结果比较接近,验证了本评价系统的可行性。该系统对于公交车舒适度评价提供了一种较为科学的度量手段,有助于推动公交事业的发展。

参考文献:

[1]Ka Wing Shek,Wai Tin Chan.Combined Comfort Model of Thermal Comfort and Air Quality on Buses in Hongkong[J].Science of The Total Environment,2008,389(2-3):277-282.

[2]af Wahlberg A E.Short-Term Effects of Training in Economical Driving Passenger Comfort and Driver Acceleration Behavior[J].International Journal of Industrial Ergonomics,2006,36:151-163.

[3]Laura Eboli,Gabriella Mazzulla.A Methodology for Evaluating Transit Service Quality Based on Subjective and Objective Measures from the Passenger′s Point of View[J].Transport Policy,2011,18(1):172-181.

[4]郑志红.基于Labview的公交车舒适度检测与评价[D].南京:南京信息工程大学,2011.

[5]Fanger P O.Thermal Comfort:Analysis and Applications in Environ-mental Engineering[M].Danish Technical Press,1970:214-416.

[6]Atherley G R C,Martin A M.Equivalent-Continuous Noise Level as a Measure of Injury from Impact and Impulse Noise[J].The Annals of Occupational Hygiene 1971,14(1):11-23.

[7]张凯.基于加速度变化的公交车舒适性监测装置[P].中国:ZL200910026120.8

[8]af Wahlberg A E.Short-Term Effects of Training in Economical Driving Passenger Comfort and Driver Acceleration Behavior[J].International Journal of Industrial Ergonomics,2006,36:151-163.

[9]张凯,薛飞.基于指纹识别的智能排队系统[J].电子器件,2013,36(3):299-303.

张凯(1965-),男,汉族,山东泰安人,南京信息工程大学信息与控制学院教授,硕士生导师,研究方向为智能交通,智能检测,zkark@163.com;

周侃(1989-),男,汉族,江苏盐城人,南京信息工程大学信息与控制学院硕士研究生,研究方向为智能交通、数据挖掘、计算机应用,xzero72@126.com。

EvaluatingandMonitoringthePerformanceofBusServiceBasedonS3C2440*

ZHANGKai*,ZHOUKan,LUJun

(College of information and control,Nanjing university of information science and technology,Nanjing,210044)

Abstract:In order to improve the level of bus service,a field study was undertaken to develop a combined bus comfort model.By comparing the subjective views of bus passengers to objective physical parameters,a combined bus comfort model was established.An effective system integrated the comfort model,measuring instrument and the driver monitor could greatly improve the bus service quality.This system is combined of S3C2440,humidity and temperature sensor,digital accelerometer and audio CODEC.

Key words:embedded systems;bus comfort;model;Qt

doi:EEACC:721010.3969/j.issn.1005-9490.2014.04.031

中图分类号:TP368.2

文献标识码:A

文章编号:1005-9490(2014)04-0728-05

收稿日期:2013-08-16修改日期:2013-09-03

项目来源:国家自然科学基金项目(71341029)