張　凱,周　侃,陸　鈞

(南京信息工程大學(xué)信息與控制學(xué)院,南京 210044)

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基于S3C2440的公交車舒適性監(jiān)控與評價(jià)系統(tǒng)*

張凱*,周侃,陸鈞

(南京信息工程大學(xué)信息與控制學(xué)院,南京 210044)

摘要:公交車舒適度可以反應(yīng)公交車服務(wù)水平,有助于建立高品質(zhì)公交線路。通過對比分析公交車運(yùn)營中的各種環(huán)境參數(shù)與所載乘客的主觀感受,建立了公交車舒適度(OBC)評價(jià)模型,并設(shè)計(jì)了一套基于嵌入式的舒適度監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)采用S3C2440微處理器芯片,集成溫濕度傳感器、加速度傳感器、聲卡模塊,同時(shí)設(shè)計(jì)了基于Qt的人機(jī)交互界面。該系統(tǒng)能實(shí)時(shí)監(jiān)測公交車運(yùn)營狀態(tài),在舒適度較低的時(shí)候向駕駛員發(fā)出警告,實(shí)驗(yàn)表明,安裝該系統(tǒng)的公交車,舒適性有了較大幅度的提升。

關(guān)鍵詞:嵌入式系統(tǒng);公交車舒適性;系統(tǒng)建模;Qt

隨著我國汽車工業(yè)的迅猛增長,其帶來的交通擁堵也日趨嚴(yán)重,提供高品質(zhì)公交線路是吸引民眾選擇公交出行的重要方法,能有效減緩交通擁堵,實(shí)現(xiàn)公交優(yōu)先戰(zhàn)略。近年來,以舒適性為主的公交車服務(wù)質(zhì)量研究受到越來越多的重視[1],但研究多注重于單個(gè)因素對乘坐體驗(yàn)的影響,并沒有對公交車舒適度做出系統(tǒng)的研究。在研究方法上也缺乏將主觀評價(jià)與客觀檢測進(jìn)行有效的結(jié)合。因此,本系統(tǒng)采集了公交車運(yùn)營時(shí)的一些環(huán)境指標(biāo),同時(shí)對乘客的主觀感受進(jìn)行實(shí)際調(diào)查,分析了大量的樣本數(shù)據(jù),提出了公交車舒適度的4個(gè)獨(dú)立影響因子:熱舒適度(TC)、噪聲(NOISE)、振動(dòng)(VIBRATION)、縱向加速度變化率(J),再結(jié)合個(gè)體差異對整體舒適度的影響[2],建立了公交車舒適度評價(jià)模型[3],在此模型的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)出一套公交車舒適度監(jiān)控系統(tǒng),本系統(tǒng)采用S3C2440微處理器芯片,集成溫濕度傳感器、加速度傳感器、聲卡模塊,并設(shè)計(jì)了基于Qt4.5.3的人機(jī)交互界面。該系統(tǒng)能實(shí)時(shí)監(jiān)測公交車運(yùn)營狀態(tài),并將其量化顯示在觸摸屏上,同時(shí)在舒適度較低的時(shí)候向駕駛員發(fā)出警告。本系統(tǒng)不僅能高效的監(jiān)控公交車駕駛員的駕駛行為,其更深遠(yuǎn)的意義在于它能有效改善并規(guī)范駕駛行為,從而提升駕駛員業(yè)務(wù)素質(zhì),促進(jìn)公交服務(wù)質(zhì)量的整體提升。

1　客觀環(huán)境變量研究

根據(jù)對公交車乘客的調(diào)查,影響公交車舒適度的因素主要有熱舒適度、噪聲、振動(dòng)以及公交車縱向加速度變化率。

在我們過往的研究中,已對上述4項(xiàng)指標(biāo)計(jì)算的計(jì)算方法進(jìn)行了詳細(xì)的闡述[4]。

基于PPD[5]的熱舒適度計(jì)算公式:PPD=100-95exp[-(0.3353PMV4+0.2719PMV2)]

(1)

基于A聲級的噪聲計(jì)算公式[6]:

(2)

式中:LA為t時(shí)刻的瞬時(shí)聲級;T為采樣時(shí)間。

應(yīng)用噪聲煩惱度的百分比HA表示人們對噪聲級的評價(jià)

(3)

基于總乘坐值的振動(dòng)計(jì)算公式:

(4)

式中:x為加權(quán)加速度值;Z(x)為振動(dòng)評價(jià)。

縱向加速度變化率計(jì)算公式[7]:

J′=J-0.6

(5)

式中:J為縱向加速度變化率。

2　數(shù)據(jù)采集與分析

2.1主觀數(shù)據(jù)采集

為了全面調(diào)查客觀環(huán)境因素對公交車舒適度的作用規(guī)律以及個(gè)體差異對乘坐體驗(yàn)的影響,在檢測公交車運(yùn)營過程中客觀環(huán)境變量的同時(shí),我們也對其運(yùn)載的乘客展開社會(huì)調(diào)查,問卷采用五級衡量尺度,調(diào)查了乘客的年齡、性別、健康狀況以及本次乘坐(OBC(S))與最近乘坐的的(OBC(G))舒適度評價(jià)。

2.2客觀數(shù)據(jù)采集

圖1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

為了實(shí)現(xiàn)對上述4個(gè)變量的檢測,本文設(shè)計(jì)了基于嵌入式的數(shù)據(jù)采集與分析平臺(tái),其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中,主處理器為S3C2440,平臺(tái)基于Linux,內(nèi)核版本號為2.6.22.6,根文件系統(tǒng)支持Qt,Qt版本號為4.5.3,并配有一塊3.5寸的觸摸屏ACX502BMU,可以實(shí)時(shí)顯示所采集到的數(shù)據(jù)。熱舒適度檢測使用溫濕度傳感器SHT10;噪聲檢測采用基于I2S總線的UDA1341TS;該芯片外接揚(yáng)聲器,用于向駕駛員發(fā)出警報(bào);垂直振動(dòng)和縱向加速度檢測都采用數(shù)字傳感器ADXL345,下面對系統(tǒng)的核心芯片進(jìn)行簡單的介紹。

SHT10包括一個(gè)電容式聚合體測濕元件和一個(gè)能隙式測溫元件,SHT10的工作電壓為2.4 V～5.5 V,本系統(tǒng)工作在3.3 V。SHT10的接口類似于I2C總線設(shè)計(jì),但與I2C接口不兼容。本文為其編寫了一個(gè)簡單的驅(qū)動(dòng)程序,其電路設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2　溫濕度傳感器電路圖

SHT10在溫度為25 ℃時(shí)測溫精度為±0.5 ℃,測濕精度為±4.5%,基本可以滿足本設(shè)計(jì)的需要。

ADXL345是一款小而薄的超低功耗3軸加速度計(jì),分辨率高(13 bit),測量范圍達(dá)±16 g。數(shù)字輸出數(shù)據(jù)為16 bit二進(jìn)制補(bǔ)碼格式。

ADXL345工作在I2C模式下的地址是由ALT ADDRESS引腳決定的,將ALT ADDRESS接地,選擇備用I2C地址0x53(隨后為R/W位)。這轉(zhuǎn)化為0xA6寫入,0xA7讀取。

圖3　加速度傳感器電路圖

UDA1341TS是一款音頻接口芯片,工作電壓為2.4 V～3.6 V,本系統(tǒng)工作在3.3 V下,該芯片支持I2S總線,在編譯內(nèi)核的時(shí)候?qū)2S驅(qū)動(dòng)編譯進(jìn)內(nèi)核,并相應(yīng)修改配置文件mach-smdk2440.c,其接口電路如圖4所示。

圖4　音頻芯片電路圖

評價(jià)系統(tǒng)采用在線數(shù)據(jù)分析和離線參數(shù)整定的方式,即公交車上實(shí)時(shí)采集上述4個(gè)信號的值,然后對上述信號進(jìn)行即時(shí)存儲(chǔ),對于不方便實(shí)時(shí)采集的主觀數(shù)據(jù),可采用手動(dòng)輸入的方式。在所有數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好后,系統(tǒng)會(huì)根據(jù)后文中提出的舒適度模型計(jì)算當(dāng)前時(shí)刻的公交車舒適度。所有數(shù)據(jù)都存儲(chǔ)在與S3C2440相連的512M NANDFLASH里。

2.3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.3.1軟件開發(fā)環(huán)境搭建

本系統(tǒng)采用Linux操作系統(tǒng),Linux系統(tǒng)具有開源,內(nèi)核可裁剪等特點(diǎn),用戶可以根據(jù)自己的需求對內(nèi)核進(jìn)行裁剪并重新編譯。本文完成的主要工作有:第一,在前面所述的硬件平臺(tái)上構(gòu)建最小嵌入式Linux系統(tǒng),包括對UBOOT、內(nèi)核、根文件系統(tǒng)的移植,在對內(nèi)核進(jìn)行移植的時(shí)候,將本系統(tǒng)所用到的溫濕度傳感器,加速度傳感器和聲卡模塊等相關(guān)的驅(qū)動(dòng)編譯到內(nèi)核中;第二,將Qt移植到本系統(tǒng)中,以及編寫相應(yīng)的數(shù)據(jù)顯示程序。

系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境:主機(jī)開發(fā)環(huán)境選擇Fedora 14操作系統(tǒng),主機(jī)工具鏈gcc-4.6.3,交叉編譯工具鏈arm-linux-gcc-4.3.2,內(nèi)核版本采用2.6.22.6內(nèi)核。

2.3.2主程序設(shè)計(jì)

圖5　主程序流程圖

本系統(tǒng)主程序流程圖如圖5所示,系統(tǒng)初次啟動(dòng)時(shí),需要人為輸入公交車舒適度閾值與年齡、性別等主觀參數(shù)。在輸入的參數(shù)得到確認(rèn)后,系統(tǒng)開始實(shí)時(shí)采集環(huán)境變量并計(jì)算公交車舒適度,若公交車舒適度低于我們設(shè)定的閾值,則向駕駛員發(fā)出警報(bào)。

2.3.3Qt 4.5.3安裝與移植

Qt是一個(gè)已經(jīng)形成事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)的C++框架,它被用于高性能的跨平臺(tái)軟件開發(fā)。除了擁有擴(kuò)展的C++類庫以外,Qt還提供了許多可用來直接快速編寫應(yīng)用程序的工具。下面對如何安裝與移植進(jìn)行詳細(xì)的闡述。

(1)安裝觸摸屏包tslib-1.4.tar.gz。該包主要用于校正觸摸屏,并保存校正數(shù)據(jù)。解壓該包后執(zhí)行如下命令:

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

make

make install

(2)編譯安裝qt-x11-4.5.3。qt-x11-4.5.3是運(yùn)行在linux平臺(tái)下用于仿真QT應(yīng)用程序的軟件,解壓后執(zhí)行如下命令:

./configure

gmake

gmake install

(3)編譯安裝qt-embedded-linux-open

source-src-4.5.3.tar.gz。該包用于編譯可運(yùn)行于開發(fā)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)移植相關(guān)庫文件至開發(fā)板。將虛擬機(jī)中mini2440與tslib 2個(gè)文件夾拷貝至開發(fā)板根目錄中,并修改環(huán)境變量。

至此,Qt4.5.3便安裝與移植成功。

2.3.4數(shù)據(jù)顯示程序?qū)崿F(xiàn)

編寫Qt4應(yīng)用程序通常有2種做法,一是全部采用手寫代碼,在命令行下完成編譯和運(yùn)行,二是在集成開發(fā)界面(IDE)編譯和運(yùn)行程序并使用Qt Designer設(shè)計(jì)界面。其本質(zhì)是一樣的,只是IDE簡化了操作。鑒于Qt Designer的超強(qiáng)便利性,我們使用它來輔助開發(fā)界面,在命令行調(diào)試行下編譯代碼。

Qt本質(zhì)上是基于C++的,其開發(fā)界面也如出一轍,只需要在搭建好基本框架后設(shè)置信號/槽并設(shè)計(jì)布局。完成設(shè)計(jì)后,Qt Designer會(huì)生成一個(gè)OBC.ui文件,在命令行中執(zhí)行uic-o OBC.h OBC.ui,將其轉(zhuǎn)化為頭文件的格式,該界面程序就可以供主程序使用了。

2.4數(shù)據(jù)分析與處理

整個(gè)樣本的乘客平均年齡值為27.94,圖6和圖7可以定性地描述各個(gè)變量與公交車車舒適性之間的關(guān)聯(lián):

(1)大齡乘客的舒適性體驗(yàn)要優(yōu)于低齡人。

(2)健康人群擁有較高的舒適性體驗(yàn)。

(3)女性相對于男性乘客有較高的舒適性體驗(yàn)。

(4)熱舒適度,噪聲,振動(dòng),縱向加速度變化率對舒適性都有不同程度的影響。

為了定量的分析各個(gè)變量對舒適性體驗(yàn)的影響,同時(shí)也為了建立舒適度計(jì)算模型,本文采用皮爾遜積矩相關(guān)系數(shù)描述各個(gè)變量與公交車舒適性之間的關(guān)聯(lián)度[8]。

(6)

其中r取值范圍為[-1,1],r>0表示正相關(guān),r<0表示負(fù)相關(guān),|r|表示了變量之間相關(guān)程度的高低。

從表1中可以發(fā)現(xiàn)年齡、性別、健康程度與公交車舒適度的關(guān)聯(lián)性較弱。噪聲,熱舒適度,加速度變化率與公交車舒適度的相關(guān)性較強(qiáng)。倘若將7個(gè)因子同時(shí)作為舒適度模型的輸入變量,由于3個(gè)弱相關(guān)因子的影響,擬合程度必然不高,但若剔除這3個(gè)因素,在一些特殊場合,比如小學(xué)、女子學(xué)校、醫(yī)院、途徑這些場所的公交車乘客大多年齡較小、性別單一、健康程度較差。如此我們的模型便不能適用?？紤]模型的高適用性,我們將所有7個(gè)因子做為輸入,只要通過顯著性檢驗(yàn),我們就可以認(rèn)為建立的回歸方程有效。

圖6　不同個(gè)體對公交車舒適度的影響

圖7　客觀環(huán)境變量對公交車舒適度的影響

線性回歸模型如式(6)所示:

(7)

表1　公交車舒適度與各變量的相關(guān)系數(shù)

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

線性回歸模型假定回歸函數(shù)E(Y|X)是線性的,或假定線性模型是一個(gè)合理的近似,我們的目的是估計(jì)βj。

在SPSS中對整個(gè)樣本進(jìn)行多元回歸分析,得出公交車舒適度的計(jì)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)

修整后的確定系數(shù)R2為0.74,擬合度一般,對回歸結(jié)果進(jìn)行顯著性檢驗(yàn),顯著性水平均小于0.05,可以認(rèn)為所建立的回歸方程有效。

3　系統(tǒng)驗(yàn)證

為評價(jià)系統(tǒng)的準(zhǔn)確性,需對其進(jìn)行檢驗(yàn)評估。為此,我們在公交車上展開了第2次試驗(yàn),得到的結(jié)果如表2所示,OBC(C)表示根據(jù)我們的計(jì)算公式得出的舒適度,OBC(Q)為問卷調(diào)查得出的舒適度,1為安裝該系統(tǒng)的公交車,2為未安裝了本系統(tǒng)的公交車,N1,N2為樣本數(shù)。

表2　系統(tǒng)驗(yàn)證

圖8為系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集與評價(jià)界面,該界面基于Qt4.5.3。

本系統(tǒng)計(jì)算出的舒適度與問卷調(diào)查的結(jié)果相差無幾,這說明該評價(jià)系統(tǒng)的計(jì)算結(jié)果基本上符合乘客的主觀感受。同時(shí),我們發(fā)現(xiàn),即使是初次安裝本系統(tǒng),公交車舒適度也有了接近20%的提升。

圖8　系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集與評價(jià)界面

4　結(jié)束語

公交車舒適度是乘客服務(wù)質(zhì)量要求中的重要方面,提高公交車舒適度對于提高客流量、改善公交環(huán)境、促進(jìn)公交企業(yè)科學(xué)健康發(fā)展具有重要意義。本文通過提出公交車舒適度評價(jià)計(jì)算方法,設(shè)計(jì)了基于S3C2440的公交車舒適度的檢測與評價(jià)系統(tǒng),并對南京市公交車展開調(diào)查分析,結(jié)果表明客觀檢測得到的系統(tǒng)評價(jià)結(jié)果與主觀調(diào)查結(jié)果比較接近,驗(yàn)證了本評價(jià)系統(tǒng)的可行性。該系統(tǒng)對于公交車舒適度評價(jià)提供了一種較為科學(xué)的度量手段,有助于推動(dòng)公交事業(yè)的發(fā)展。

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張凱(1965-),男,漢族,山東泰安人,南京信息工程大學(xué)信息與控制學(xué)院教授,碩士生導(dǎo)師,研究方向?yàn)橹悄芙煌?智能檢測,zkark@163.com;

周侃(1989-),男,漢族,江蘇鹽城人,南京信息工程大學(xué)信息與控制學(xué)院碩士研究生,研究方向?yàn)橹悄芙煌?、?shù)據(jù)挖掘、計(jì)算機(jī)應(yīng)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

中圖分類號:TP368.2

文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

文章編號:1005-9490(2014)04-0728-05

收稿日期:2013-08-16修改日期:2013-09-03

項(xiàng)目來源:國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(71341029)