陳慶陸 , 孫運強 , 姚愛琴

（1 中北大學(xué) 儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點實驗室, 山西 太原 030051 ；2 中北大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院，山西 太原 030051）

0 引言

近些年來,隨著我國經(jīng)濟的飛速發(fā)展，公路道路建設(shè)已取得了輝煌成就，特別是高速公路建設(shè)，截至2009年底，全國高速公路通車里程已達6.5萬公里，居世界第二位，這也大大帶動了國內(nèi)公路物流產(chǎn)業(yè)的發(fā)展[1]。然而在物流運輸產(chǎn)業(yè)繁榮發(fā)展的同時，各大物流公司一直都未解決對公司車輛動態(tài)信息的實時監(jiān)控，信息反饋不及時、不精確、不全面等問題導(dǎo)致運力的大量浪費與運作成本的居高不下；貨物在運輸過程中經(jīng)常出現(xiàn)丟失被盜現(xiàn)象，給物流公司和貨主帶來巨大損失；貨車體積大，容易給司機造成倒車死角，釀成事故。嵌入式貨車車載監(jiān)控終端可有效緩解上述問題，它將GPS技術(shù)GPRS技術(shù)相結(jié)合，通過GPRS網(wǎng)絡(luò)在監(jiān)控終端和監(jiān)控中心之間傳輸貨車的動態(tài)位置(精度、緯度、高度)、時間、狀態(tài)和監(jiān)控中心發(fā)送的調(diào)度指令等信息；同時它帶有強大貨車自身視頻監(jiān)控系統(tǒng)，可幫助司機在運輸和倒車過程中實時地了解車倉內(nèi)和車尾部的情況。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計及工作原理

1.1 車載終端整體設(shè)計

貨車車載監(jiān)控終端整體結(jié)構(gòu)見圖1，主要由貨車遠程監(jiān)控和自身監(jiān)控兩部分構(gòu)成。遠程監(jiān)控系統(tǒng)由車載終端、通信網(wǎng)絡(luò)（GPRS）、監(jiān)控中心等3部分組成，而自身監(jiān)控由車載終端、視頻監(jiān)控兩部分組成。車載終端是安裝在駕駛室內(nèi)的嵌入式設(shè)備，作為數(shù)據(jù)處理及控制中心，核心功能是不斷獲取貨車位置信息、狀態(tài)信息并把這些信息通過GPRS通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到監(jiān)控中心,同時能夠隨時接收來自監(jiān)控中心的監(jiān)控調(diào)度命令并指導(dǎo)車輛做出相應(yīng)的反應(yīng)，同時車載終端帶有液晶顯示屏可動態(tài)顯示視頻監(jiān)控畫面，幫助司機在貨物運輸和倒車過程中實時監(jiān)控車倉內(nèi)貨物情況和貨車尾部路面情況。

圖1 貨車車載監(jiān)控終端整體結(jié)構(gòu)圖

1.2 工作原理

車載終端通過GPS模塊采集貨車的動態(tài)位置(精度、緯度、高度)、時間、狀態(tài)等信息,通過數(shù)據(jù)處理及主控模塊進行處理后將這些信息實時地通過GPRS網(wǎng)絡(luò)傳至物流監(jiān)控中心,而后在具有強大地理信息處理查詢功能的電子地圖上進行貨車運動軌跡的顯示,并能對貨車的準確位置、速度、運動方向、車輛狀態(tài)等用戶感興趣的參數(shù)進行監(jiān)控查詢;監(jiān)控中心則通過GPRS網(wǎng)絡(luò)向車載終端發(fā)送各種監(jiān)控調(diào)度命令；貨車車倉內(nèi)安裝的視頻監(jiān)控器采集貨車內(nèi)的圖像傳輸?shù)街骺啬K進行處理，處理后的圖像信號直觀地顯示在車載終端的液晶顯示屏上，司機可通過液晶顯示屏實時了解貨物情況；貨車尾部保險杠兩端各裝有一個視頻監(jiān)控器實時采集貨車尾部路面情況畫面并將畫面信號傳輸?shù)街骺啬K進行處理而后在液晶顯示屏上顯示，可幫助司機實時了解貨車尾部路面情況并方便司機倒車。

2 貨車車載監(jiān)控終端硬件設(shè)計

貨車車載監(jiān)控終端以主控模塊、GPS/GPRS模塊和視頻處理模塊為核心，并配有存儲模塊、液晶模塊、鍵盤模塊和電源模塊等外圍模塊，其硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 車載監(jiān)控終端硬件結(jié)構(gòu)圖

2.1 主控模塊

嵌入式開發(fā)硬件平臺的選擇主要是嵌入式處理器的選擇。本系統(tǒng)選用的主控模塊基于SamsungS3C2440微處理器,它是一款高性價比16/32位ARM920T的RISC處理器，工作頻率最高可達533MHz；具有外部存儲控制器(SDRAM控制和片選邏輯)；LCD控制器(最大支持4K色STN和256K色TFT屏)，提供1通道LCD專用DMA；3通道UART；130個通用I／O口和24通道外部中斷源等資源[2]。同時還具備體積小、成本低、功耗低、資源眾多等諸多特點。

2.2 存儲模塊

ARM存儲系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)適應(yīng)不同的嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)的差別很大。一些復(fù)雜的系統(tǒng)可能包括一種或者多種類型的存儲器件，以便滿足系統(tǒng)不同功能的需要[3]。在本終端系統(tǒng)中選用Flash和SDRAM兩種存儲器件來存儲系統(tǒng)數(shù)據(jù)。Flash存儲器是一種可在系統(tǒng)電擦寫，掉電后信息不丟失的存儲器。在系統(tǒng)中通常用于存放程序代碼、常量表以及一些在系統(tǒng)掉電后需要保存的用戶數(shù)據(jù)等。系統(tǒng)選用一片SamsungK9F1208U0C的NAND型Flash,64M容量，48-Pin TSOP封裝，讀寫速度快，數(shù)據(jù)保存時間長，高達10萬次的擦除，DC3.3V供電。該芯片具有一個8位的I/0端口。在CE為低電平時。把WE置低，地址、命令和數(shù)據(jù)都可通過該端口寫入。數(shù)據(jù)在WE的上升沿被鎖存，CLE和ALE分別用來控制對命令和地址的鎖存。同時Samsung K9F1208U0C具有較強的糾錯功能,能夠最大限度地保護用戶數(shù)據(jù)。SDRAM存取速度大大高于F1ash存儲器.具有讀寫的屬性.因此SDRAM在系統(tǒng)中主要用作程序的運行空間，數(shù)據(jù)及堆棧區(qū)。系統(tǒng)選用一片SamsungK4S561632E-TC75的 SDRAM，64MB容量，54PinTSOP封裝，DC3.3V供電[4，5，6]。系統(tǒng)啟動時，CPU首先從復(fù)位地址0X0處讀取啟動代碼，在完成系統(tǒng)的初始化后，程序代碼一般應(yīng)調(diào)入SDRAM中運行，以提高系統(tǒng)的運行速度。系統(tǒng)及用戶堆棧、運行數(shù)據(jù)也都放在SDRAM中。

2.3 GPS模塊

選用Leadtek LR9548為GPS數(shù)據(jù)接收模塊，定位精度10M，RS232串口通信，DC3.3V供電[7]。LR9548負責捕獲、跟蹤3顆或3顆以上的衛(wèi)星，接收、放大、記錄GPS信號并對信號進行解調(diào)和濾波處理，還原出GPS衛(wèi)星發(fā)送的導(dǎo)航電文，解求定位信號在站間的傳播時間和載波相位差，實時地獲得導(dǎo)航定位數(shù)據(jù)或采用測后處理的方式，獲得貨車位置、速度、運動方向等數(shù)據(jù)。

2.4 GPRS模塊

選用WAVECOM公司推出Q2406B模塊為GPRS調(diào)制解調(diào)模塊，RS232串口通信，DC3.6V供電。它不僅支持數(shù)據(jù)、語音、傳真和短信息功能，而且由于它內(nèi)嵌了TCP／IP協(xié)議處理棧，只需直接通過AT指令就能輕松接入Internet，并與監(jiān)控中心通信，省去了常用的TCP／IP處理模塊及編程時繁瑣的調(diào)用各種API函數(shù)。本終端系統(tǒng)使用了其串行接口、SIM卡接口和電源接口，通過連接開通GPRS功能的SIM卡，系統(tǒng)能通過GPRS網(wǎng)絡(luò)連接到 Internet上[8]。

2.5 視頻處理模塊

選用可編程視頻處理器SAA7111作為視頻處理模塊。該芯片集A/D與解碼功能于一身，4路視頻模擬信號輸入，可對亮度、對比度和飽和度進行控制，支持PAL電視制式，I2C總線控制，DC3.3V供電。本終端系統(tǒng)配備3路普通攝像頭，可通過鍵盤輸入模塊選擇查看某一路視頻信號，當某一路接通時，視頻信號將進入視頻解碼器SAA7111進行A/D轉(zhuǎn)換，以將模擬信息變成標準的16位YUV4 2：2數(shù)字圖像信息，數(shù)字圖像信息經(jīng)RS232串行口發(fā)送到主控模塊并存儲到SDRAM中，隨后CPU對圖像數(shù)據(jù)進行預(yù)處理后提取有效圖像數(shù)據(jù)，送液晶顯示模塊顯示，司機可通過液晶顯示模塊實時的看到車艙內(nèi)的情況和車尾部的路面情況。

2.6 供電模塊

本終端系統(tǒng)各個模塊所需的供電電壓都為直流，但電壓值各不相同，其中終端的總輸入電壓源自汽車配電盤，為直流12V[9]。主控模塊為標準5V,存儲模塊、GPS模塊和視頻處理模塊為標準的3.3V系統(tǒng)，GPRS模塊為3.6V。所以，本系統(tǒng)的電源模塊設(shè)計為多電源供電。

3 貨車車載監(jiān)控終端軟件設(shè)計

3.1 操作系統(tǒng)的選擇

因嵌入式車載監(jiān)控終端需滿足系統(tǒng)的多任務(wù)、實時性以及硬件環(huán)境的要求，由此本終端選擇Linux作為車載終端的操作系統(tǒng)移植到芯片SamsungS3C2440微處理器上。

3.2 應(yīng)用程序設(shè)計

鑒于貨車車載監(jiān)控終端的遠程監(jiān)控和自身監(jiān)控的特性，本終端應(yīng)用程序也分遠程監(jiān)控和自身監(jiān)控兩部分進行單獨設(shè)計。由于GPRS模塊、GPS模塊和視頻處理器SAA7111都是通過串口和主控模塊連接的，程序系統(tǒng)初始化的工作就是對串口進行初始化，使串口按GPRS、GPS模塊和視頻處理器SAA7111的要求工作。應(yīng)用程序設(shè)計使用Linux操作系統(tǒng)提供的串口編程接口函數(shù)實現(xiàn)[11]。

貨車遠程監(jiān)控應(yīng)用軟件的功能主要是GPS信號數(shù)據(jù)的處理和GPRS模塊發(fā)送處理后GPS數(shù)據(jù)，其軟件流程見圖3所示。

圖3 遠程監(jiān)控應(yīng)用軟件流程圖

程序工作時先進行GPS和GPRS串口初始化工作，然后進入主控制循環(huán)。在主控循環(huán)中，先識別GPS數(shù)據(jù)是否有效，即定位是否成功，定位成功則系統(tǒng)轉(zhuǎn)到下一個狀態(tài)，建立GPRS連接，否則重新定位。建立好GPRS連接后便可以向監(jiān)控中心發(fā)送處理后的定位數(shù)據(jù)。

貨車自身監(jiān)控應(yīng)用軟件的功能主要是處理視頻處理器SAA7111通過RS232串行口發(fā)送到主控模塊的數(shù)字圖像信息，并將處理后的視頻信號在液晶屏上顯示。同時它還可以接收鍵盤輸入中斷，完成多路視頻信號的切換。其軟件流程見圖4所示。

圖4 自身監(jiān)控應(yīng)用軟件流程圖

程序工作時先進行SAA7111串口初始化，然后進入主控制循環(huán)。在主控循環(huán)中，對系統(tǒng)開機默認導(dǎo)通的1路視頻信號進行處理并將處理后的視頻信號送液晶顯示屏顯示。主程序在運行過程中還可接收鍵盤輸入中斷，以便切換到另一路視頻信號上去或回到1路信號顯示。

4 實驗結(jié)果及分析

本系統(tǒng)選擇在室內(nèi)環(huán)境下進行初步的模擬實驗和測試。視頻監(jiān)控選用兩路視頻信號。在遠程監(jiān)控中心選用串口調(diào)試助手接收GPRS模塊發(fā)送過來的GPS數(shù)據(jù)來檢測遠程監(jiān)控是否正常工作。系統(tǒng)開機后自動運行貨車遠程監(jiān)控和自身監(jiān)控程序，液晶顯示器上顯示系統(tǒng)開機默認導(dǎo)通的1路視頻畫面，畫面見圖5。

按一下視頻切換按鍵，2路視頻信號導(dǎo)通，液晶顯示器上顯示2路視頻畫面，畫面見圖6。

圖5:1 路視頻畫面

圖6:2 路視頻畫面

遠程監(jiān)控中心的串口調(diào)試助手接收區(qū)顯示實時接收到的GPS數(shù)據(jù)，說明系統(tǒng)遠程監(jiān)控功能工作正常，接收數(shù)據(jù)的截圖見圖7。

經(jīng)過多次實驗顯示，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，并取得了理想的實驗效果。

圖7 監(jiān)控中心GPS數(shù)據(jù)接收圖

5 結(jié)束語

近年來，許多類似汽車倒車雷達的汽車倒車輔助系統(tǒng)作為新生的汽車用品正越來越多地配置在機動車上，本文利用ARM的強大功能實現(xiàn)了貨車倒車視頻監(jiān)控與基于GPS/GPRS的貨車遠程監(jiān)控進行了集成，節(jié)約了開發(fā)成本。重點介紹了嵌入式貨車車載監(jiān)控終端的實現(xiàn)方案，并給出了詳細的硬件及軟件組成和設(shè)計實現(xiàn)。并進行了系統(tǒng)實驗測試，取得了良好的實驗效果。該系統(tǒng)可有效緩解目前公路物流產(chǎn)業(yè)對車輛實時監(jiān)控與調(diào)度的迫切需要和貨車司機倒車難、貨物防盜等問題，相信投入市場一定會極大推動我國公路物流產(chǎn)業(yè)的智能化管理發(fā)展，并深受貨車司機的喜愛，創(chuàng)造出良好的社會效益和經(jīng)濟效益。

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