陳慶陸 , 孫運(yùn)強(qiáng) , 姚愛琴

（1 中北大學(xué) 儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(guó)經(jīng)濟(jì)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(guó)高速公路通車?yán)锍桃堰_(dá)6.5萬公里，居世界第二位，這也大大帶動(dòng)了國(guó)內(nèi)公路物流產(chǎn)業(yè)的發(fā)展[1]。然而在物流運(yùn)輸產(chǎn)業(yè)繁榮發(fā)展的同時(shí)，各大物流公司一直都未解決對(duì)公司車輛動(dòng)態(tài)信息的實(shí)時(shí)監(jiān)控，信息反饋不及時(shí)、不精確、不全面等問題導(dǎo)致運(yùn)力的大量浪費(fèi)與運(yùn)作成本的居高不下；貨物在運(yùn)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(jī)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(dòng)態(tài)位置(精度、緯度、高度)、時(shí)間、狀態(tài)和監(jiān)控中心發(fā)送的調(diào)度指令等信息；同時(shí)它帶有強(qiáng)大貨車自身視頻監(jiān)控系統(tǒng)，可幫助司機(jī)在運(yùn)輸和倒車過程中實(shí)時(shí)地了解車倉(cāng)內(nèi)和車尾部的情況。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)及工作原理

1.1 車載終端整體設(shè)計(jì)

貨車車載監(jiān)控終端整體結(jié)構(gòu)見圖1，主要由貨車遠(yuǎn)程監(jiān)控和自身監(jiān)控兩部分構(gòu)成。遠(yuǎn)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(shí)能夠隨時(shí)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(shí)車載終端帶有液晶顯示屏可動(dòng)態(tài)顯示視頻監(jiān)控畫面，幫助司機(jī)在貨物運(yùn)輸和倒車過程中實(shí)時(shí)監(jiān)控車倉(cāng)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(dòng)態(tài)位置(精度、緯度、高度)、時(shí)間、狀態(tài)等信息,通過數(shù)據(jù)處理及主控模塊進(jìn)行處理后將這些信息實(shí)時(shí)地通過GPRS網(wǎng)絡(luò)傳至物流監(jiān)控中心,而后在具有強(qiáng)大地理信息處理查詢功能的電子地圖上進(jìn)行貨車運(yùn)動(dòng)軌跡的顯示,并能對(duì)貨車的準(zhǔn)確位置、速度、運(yùn)動(dòng)方向、車輛狀態(tài)等用戶感興趣的參數(shù)進(jìn)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(cāng)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(jìn)行處理，處理后的圖像信號(hào)直觀地顯示在車載終端的液晶顯示屏上，司機(jī)可通過液晶顯示屏實(shí)時(shí)了解貨物情況；貨車尾部保險(xiǎn)杠兩端各裝有一個(gè)視頻監(jiān)控器實(shí)時(shí)采集貨車尾部路面情況畫面并將畫面信號(hào)傳輸?shù)街骺啬K進(jìn)行處理而后在液晶顯示屏上顯示，可幫助司機(jī)實(shí)時(shí)了解貨車尾部路面情況并方便司機(jī)倒車。

2 貨車車載監(jiān)控終端硬件設(shè)計(jì)

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(chǔ)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(tái)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(jià)比16/32位ARM920T的RISC處理器，工作頻率最高可達(dá)533MHz；具有外部存儲(chǔ)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(gè)通用I／O口和24通道外部中斷源等資源[2]。同時(shí)還具備體積小、成本低、功耗低、資源眾多等諸多特點(diǎn)。

2.2 存儲(chǔ)模塊

ARM存儲(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)器件來存儲(chǔ)系統(tǒng)數(shù)據(jù)。Flash存儲(chǔ)器是一種可在系統(tǒng)電擦寫，掉電后信息不丟失的存儲(chǔ)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(shí)間長(zhǎng)，高達(dá)10萬次的擦除，DC3.3V供電。該芯片具有一個(gè)8位的I/0端口。在CE為低電平時(shí)。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(duì)命令和地址的鎖存。同時(shí)Samsung K9F1208U0C具有較強(qiáng)的糾錯(cuò)功能,能夠最大限度地保護(hù)用戶數(shù)據(jù)。SDRAM存取速度大大高于F1ash存儲(chǔ)器.具有讀寫的屬性.因此SDRAM在系統(tǒng)中主要用作程序的運(yùn)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(dòng)時(shí)，CPU首先從復(fù)位地址0X0處讀取啟動(dòng)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(yùn)行，以提高系統(tǒng)的運(yùn)行速度。系統(tǒng)及用戶堆棧、運(yùn)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(fù)責(zé)捕獲、跟蹤3顆或3顆以上的衛(wèi)星，接收、放大、記錄GPS信號(hào)并對(duì)信號(hào)進(jìn)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(hào)在站間的傳播時(shí)間和載波相位差，實(shí)時(shí)地獲得導(dǎo)航定位數(shù)據(jù)或采用測(cè)后處理的方式，獲得貨車位置、速度、運(yùn)動(dòng)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?jǐn)?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?xiàng)＃恍柚苯油ㄟ^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(shí)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(hào)輸入，可對(duì)亮度、對(duì)比度和飽和度進(jìn)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(hào)，當(dāng)某一路接通時(shí)，視頻信號(hào)將進(jìn)入視頻解碼器SAA7111進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，以將模擬信息變成標(biāo)準(zhǔn)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(chǔ)到SDRAM中，隨后CPU對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)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(jī)可通過液晶顯示模塊實(shí)時(shí)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(gè)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(biāo)準(zhǔn)5V,存儲(chǔ)模塊、GPS模塊和視頻處理模塊為標(biāo)準(zhǔn)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(jì)為多電源供電。

3 貨車車載監(jiān)控終端軟件設(shè)計(jì)

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(shí)時(shí)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(jì)

鑒于貨車車載監(jiān)控終端的遠(yuǎn)程監(jiān)控和自身監(jiān)控的特性，本終端應(yīng)用程序也分遠(yuǎn)程監(jiān)控和自身監(jiān)控兩部分進(jìn)行單獨(dú)設(shè)計(jì)。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(duì)串口進(jìn)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(jì)使用Linux操作系統(tǒng)提供的串口編程接口函數(shù)實(shí)現(xiàn)[11]。

貨車遠(yuǎn)程監(jiān)控應(yīng)用軟件的功能主要是GPS信號(hào)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(yuǎn)程監(jiān)控應(yīng)用軟件流程圖

程序工作時(shí)先進(jìn)行GPS和GPRS串口初始化工作，然后進(jìn)入主控制循環(huán)。在主控循環(huán)中，先識(shí)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(gè)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(hào)在液晶屏上顯示。同時(shí)它還可以接收鍵盤輸入中斷，完成多路視頻信號(hào)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(shí)先進(jìn)行SAA7111串口初始化，然后進(jìn)入主控制循環(huán)。在主控循環(huán)中，對(duì)系統(tǒng)開機(jī)默認(rèn)導(dǎo)通的1路視頻信號(hào)進(jìn)行處理并將處理后的視頻信號(hào)送液晶顯示屏顯示。主程序在運(yùn)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(hào)上去或回到1路信號(hào)顯示。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

本系統(tǒng)選擇在室內(nèi)環(huán)境下進(jìn)行初步的模擬實(shí)驗(yàn)和測(cè)試。視頻監(jiān)控選用兩路視頻信號(hào)。在遠(yuǎn)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(cè)遠(yuǎn)程監(jiān)控是否正常工作。系統(tǒng)開機(jī)后自動(dòng)運(yùn)行貨車遠(yuǎn)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(jī)默認(rèn)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(hào)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(yuǎn)程監(jiān)控中心的串口調(diào)試助手接收區(qū)顯示實(shí)時(shí)接收到的GPS數(shù)據(jù)，說明系統(tǒng)遠(yuǎn)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(shí)驗(yàn)顯示，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，并取得了理想的實(shí)驗(yàn)效果。

圖7 監(jiān)控中心GPS數(shù)據(jù)接收?qǐng)D

5 結(jié)束語

近年來，許多類似汽車倒車?yán)走_(dá)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(jī)動(dòng)車上，本文利用ARM的強(qiáng)大功能實(shí)現(xiàn)了貨車倒車視頻監(jiān)控與基于GPS/GPRS的貨車遠(yuǎn)程監(jiān)控進(jìn)行了集成，節(jié)約了開發(fā)成本。重點(diǎn)介紹了嵌入式貨車車載監(jiān)控終端的實(shí)現(xiàn)方案，并給出了詳細(xì)的硬件及軟件組成和設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。并進(jìn)行了系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，取得了良好的實(shí)驗(yàn)效果。該系統(tǒng)可有效緩解目前公路物流產(chǎn)業(yè)對(duì)車輛實(shí)時(shí)監(jiān)控與調(diào)度的迫切需要和貨車司機(jī)倒車難、貨物防盜等問題，相信投入市場(chǎng)一定會(huì)極大推動(dòng)我國(guó)公路物流產(chǎn)業(yè)的智能化管理發(fā)展，并深受貨車司機(jī)的喜愛，創(chuàng)造出良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

[1]李博.高速公路：從零到世界第二.http://www.ceh.com.cn/ceh/xwpd/2009/11/5/55216.shtml, 2009,11.

[2]李述良，馮杰，劉文進(jìn)，漆進(jìn)峰.基于S3C2440A嵌入式系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)[J].黃岡師范學(xué)院學(xué)報(bào),2009,29(3):37-41.

[3]杜春雷.ARM體系結(jié)構(gòu)與編程[M].北京:清華大學(xué)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]李彩紅.基于ARM的車載GPS定位終端的設(shè)計(jì)[J].微計(jì)算機(jī)信息,2008,24(19):229-231.

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

[8]莫餒，李勇建，許華勝.基于GPS／GPRS的船載導(dǎo)航監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].壓電與聲光，2009，31(1)：24-26.

[9]馬騰，楊宏業(yè)，基于GPS／GPRS的車載監(jiān)控終端的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子測(cè)量技術(shù).2009，32(4):71-74.

[10]鄭靈翔.嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用開發(fā)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社,2006.

[11]RICHARD W.Advanced programming in the UNIX environment[M].北京：人民郵電出版社，2006.