嵌入式公交车辆监控系统设计

王培丽，王晓华

（西安工程大学 电子信息学院，陕西 西安710048）

0 引 言

随着城镇化节奏的加快，环保意识的日益增强，乘坐公交出行已成为大多数人的首选，然而公交车辆安全事故频繁发生，解决公交车辆的安全性问题迫在眉睫［1－2］.为了更好的维护社会秩序，方便人们的生活，保证人民的生命安全，需要对公交车辆进行实时跟踪，对车厢状态进行监控，遇到突发事件能够做出迅速处理［3］.

目前，对各种车辆监控的研究国内已取得一些成果.文献［4］采用嵌入式技术、无线通信技术提出了旅游车辆监控终端实际方案，能够实现车厢内部的图片传输，但却没有安全信号报警；文献［5－6］结合GPS技术、GPRS技术及多数据流传感器实现公交优先的智能控制及检测定位，但是同样没有对公交车可能存在的安全问题提出解决措施.文中研制了一套公交车辆监控系统，该系统能够将车辆行驶状态、运行环境、是否存在易燃易爆物品、乘客过多、温度过高等信息通过GPRS网络发送至车辆监控中心，以便对车辆进行监控，实现安全管理.

1 系统设计

1.1 硬件设计

车辆监控系统是一套多项技术交融的复杂系统，即将信息采集、存储和事件处理于一体［7］.采用模块化的设计思想，坚持标准化、稳定性和高效性的设计原则，将系统分为数据采集节点、车载终端、公交监控中心3部分.数据采集节点将摄像头采集的信息及传感器检测到的信息进行编码、打包经WiFi发送至车载终端，车载终端接收到数据及GPS的定位信息并将显示在终端，同时通过GPRS网络传送至公交监控中心，监控中心对接收到的数据进行存储、显示.总体框图如图1所示.

图1 总体框图Fig.1 General block diagram

1.1.1 数据采集节点 数据采集节点使用ARM11体系的S3C6410微处理器作为控制器，用来采集公交信息：温度传感器采集车内当前温度；压力传感器通过乘客外力（压力）使半导体薄片变形产生压电阻抗效果，将阻抗的变化转换成电信号来检测车辆是否超载；电化学传感器通过与被测气体发生反应并产生与气体浓度成正比的电信号来检测是否含有易燃易爆物品；前后摄像头采集车内状态.通过串口、USB将采集到的数据传送到数据采集节点.

1.1.2 车载终端 车载终端采用S3C6410并安装在公交车辆上，数据采集结点将采集到的数据经过编码、打包，经 WiFi传送至车载终端.车载终端将从GPS模块接收到的车辆当前位置、速度等信息［8］及WiFi网络接收到的车辆状态数据解析后，一方面传送到LCD触摸屏进行显示；另一方面通过GPRS模块将这些信息发送到车辆监控中心.

1.1.3 公交监控中心 公交监控中心为一台接入网络的PC机，具有较高的信息处理速度，其非常完备的多媒体硬件处理能力也为本系统的多媒体处理提供了保障.监控中心将收到的地理信息、速度、图像等信息进行显示、储存以及查看车厢内隐含的危险，并通过GSM／GPRS将短信发送至车辆监控终端.

1.2 软件设计

根据功能需求构建了嵌入式Linux开发环境，为了实现系统最小化，方便嵌入式Linux系统下设计与开发，对U－Boot、根文件系统和内核进行制作移植.设备驱动程序是驱动硬件设备进行工作，主要包括摄像头驱动、WiFi驱动等，将其分别编译成内核模块文件并加载到Linux内核之中.用户应用程序为公交车载终端子系统设计，对数据进行处理的同时通过网络与车载终端进行数据传输.以嵌入式Linux系统为基础结合WiFi驱动程序接口函数实现数据采集节点与车载终端的数据传输，采用GPRS所集成的AT指令和TCP／IP协议接口函数实现车载终端与车辆监控中心的数据传输.

2 系统功能的实现

2.1 视频采集

摄像头分别安装在车厢的前后车顶，通过USB接口与数据采集节点微处理器S3C6410连接.Linux下所有外设都被看成为“设备文件”，通过编写V4L2接口函数对摄像头对应的设备文件操作，实现视频采集.每采集一帧视频数据就对其编码、打包、发送［9］.该设计将摄像头内存映射到应用程序地址空间，视频数据本身不被拷贝，只交换数据缓冲区指针.视频采集过程为：获取信息对图像参数进行设置后，申请缓冲区映射开始采集图片.

2.2 传感器模块

传感器通过串口与数据采集节点微处理器S3C6410连接.压力传感器安装在公交车的上下车门处，选用量程比较大的应变式压力传感器，内部的应变电阻和其他3个精密电阻组成了电桥.当有人上下车时传感器受到压力而发生形变，内部的电阻因为应变效应而导致阻值发生改变，使电桥的平衡状态发生改变.通过测量电桥中间两监测点电压的变化值即可推算出受到的压力大小.电化学传感器安装在车门处便于对携带上车的物品进行检测，通过与被测气体发生反应并产生与气体浓度成正比的电信号来判断是否有易燃易爆物品.

2.3 GPS接收模块设计

GPS通过高增益天线接收GPS定位卫星发来的数据，确定车辆位置、速度、时间等信息，并将这些数据处理后用GPRS网络传送至车辆监控中心，在电子地图实时显示车辆状态［10］.

GPS解析程序主要对串口进行操作，再将定位信息分离出来按一定格式转换.GPS模块可以输出多种信息格式，本设计选取其中的＄GPRMC来解析GPS数据，其中已经包括了系统所需要的所有信息.GPS信息使用固定的格式通过串口传送给接收板［11］，对该字符串按字符进行解析后，将对应的数据保存到公交监控中心的PC机中.GPS经纬度默认格式为dddmm.mmmm，为了便于观察和定位，将它转换为ddd.dddd［12］，时间的默认格林威治标准时间与北京标准时间相差8h，这里调整为北京时间.

2.4 GPRS模块操作

车载终端与监控中心通过GPRS网络传输，GPRS通讯采用基于IP地址网络通信模式.模块中的AT指令经TCP／IP协议集成在芯片中，故使用AT指令建立TCP连接，ARM板通过串口向GPRS模块发送AT指令保证数据的接收和发送.

2.5 GSM模块操作

车辆监控中心通过GSM／GPRS将车辆的方位、状态以短消息形式通过GPRS发送给车辆端.由于GSM网络的覆盖范围很广，采用华为的GTM900CGPRS模块进行数据传输［13］.GPRS无线传输利用GSM移动通信网络的短信息及GPRS搭建了一个超远距离的数据传输平台.提供RS232标准接口，直接与用户设备连接，实现中英文短信功能、彩信功能、GPRS数据传输功能.GPRS先进行拨号获得IP地址，后通过GSM短消息服务向车辆发送信息.

2.6 GUI设计和实现

图2 监控中心GUI设计Fig.2 The monitoring center GUI design

图形用户界面（Graphical User Interface，GUI），为用户提供一个简洁、美观的界面.现代的操作系统大都提供由视窗、图标、菜单、对话框及其他的一些可视特征组成的GUI操作.考虑到软件开发的简便和良好的可移植性，该系统采用挪威Trolltech的Qt／Embedded为开发平台.该应用软件负责将接收到的视频、传感器数据、GPS数据等信息在GUI中显示并存储，并通过GPRS网络将状态信息发送到车辆管理中心.监控中心GUI设计框图如图2所示.

由于Qt生成的界面只能由程序主线程操作，其他线程只能访问，不能进行设置，否则会发生线程不安全的错误，因此使用了Qt独有的信号和槽的机制.

Qt的信号和槽是一种通信机制，当某种事件发生之后这个组件就发出一个信号，替代使用回调函数来响应操作的方式，使程序更加灵活和安全.信号和槽允许携带任意类型和任意多数量的参数［14］.所有从QObject或者其子类派生的类都可以包含信号和槽［15］.可以通过一个对象来发送一个信号，信号既能与槽连接，也能与其他信号连接.当信号和信号进行连接后，一个信号发出，与之相连的另一个信号也会即时发出.当一个信号被送出后，与之相连的所有槽都会得到执行，但是不能控制这些槽的执行次序.

3 测 试

由于条件的限制，系统的测试在实验室的环境下模拟进行.图3和表1为测试效果.图3中所示的标注点即为测试当时的GPS位置，在地图中可以清晰的看到，定位的位置准确.点击标注点会弹出当前车辆的状态、速度等信息.若标注点静止，显示GPS未成功定位，反之标注点会跳跃显示.在网络良好时，测得视频监控画面通过GPRS对外传输的最大突发速率为68kbit／s，但大多情况处在40kbit／s左右，这和GPRS的理论传输速率有一定的差距，但能够满足设计需要.实际中由于GPS定位数据通过无线网络在远距离发送时对定位信息有一定影响，进而影响定位经纬度［9］.

图3 GPS定位测试Fig.3 GPS location testing

表1中数据信息表示的是每隔30s车辆的安全状态，假设乘客人均体重视为50kg，限乘80人，温度不得高于40℃.将压力、易燃易爆物是否存在的模拟信号通过A／D转化为电信号，并将其设置为Y／N形式表示，Y表示超载或易燃物品存在，N为不超载或易燃物品不存在.实验室测试环境相对比较恒定，而实际中由于各种外界条件影响会使结果有一定偏差，但对整体测试结果影响不大.

通过对整个系统的测试结果表明，监控中心不仅能接收上述信息，实现对公交车辆的定位、安全显示，同时能够将安全信息发送给车辆端，该系统符合设计所要求的各项性能指标.

表1 车辆安全状态显示Table 1 Vehicle safety status display

4 结束语

本设计通过视频采集、传感器、GPS定位、GPRS传输、GSM等技术结合，实现了将公交的安全信息、地理信息、视频信息集成应用于公交车辆安全中心，在整体技术上具有集成创新特色，便于公交公司对车辆进行实时可视化监控，同时由于本系统的模块化设计思想以及系统的开放性，可以在系统原有的基础上加入更多的外设，针对用户的需求进行修改，使其可以应用到更多领域.

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