石存杰

(上汽集團(tuán)商用車技術(shù)中心，上海 200438)

在“十二五”規(guī)劃期間，伴隨著我國經(jīng)濟(jì)快速恢復(fù)和發(fā)展，各行業(yè)對危險品的用量和品種也不斷增加，對道路安全危害的風(fēng)險在逐步擴(kuò)大[1]。據(jù)國內(nèi)外統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，危險品運(yùn)輸事故占危險品事故總數(shù)的30%～40%，對人民的生命和財(cái)產(chǎn)造成了巨大損失，嚴(yán)重污染了周邊環(huán)境[2-3]。

目前，危險品運(yùn)輸已成為區(qū)域公共安全的主要風(fēng)險源之一[4]。我國已有生產(chǎn)廠家設(shè)計(jì)出了基于GPS和GIS的危險品運(yùn)輸車輛監(jiān)控系統(tǒng)[5]，但是由于現(xiàn)有系統(tǒng)智能化程度不足，很難適應(yīng)信息社會日益發(fā)展的需要和對監(jiān)控系統(tǒng)的新要求。由于缺乏現(xiàn)代化的技術(shù)手段，問題突出表現(xiàn)在：(1)對“事前預(yù)防”缺乏有效的車輛實(shí)時跟蹤監(jiān)管平臺；(2)缺乏事故發(fā)生時刻的主動報(bào)警；(3)缺乏應(yīng)急管理信息服務(wù)平臺[6]。為此，設(shè)計(jì)了一種用于危險品運(yùn)輸安全的智能車載終端，可在危險品運(yùn)輸全過程中實(shí)現(xiàn)對“人-車-物”的全面感知、動態(tài)監(jiān)控、智能預(yù)警以及應(yīng)急求救等，最大限度地預(yù)防危險品事故的發(fā)生以及事故發(fā)生后減少損失，對危險品運(yùn)輸安全將起到十分重要的作用。

1 總體方案設(shè)計(jì)

智能車載終端是集成危險品運(yùn)輸實(shí)時監(jiān)測、位置追蹤、預(yù)警以及緊急救援于一體的綜合管理平臺。負(fù)責(zé)對駕駛?cè)藛T駕駛狀態(tài)實(shí)時監(jiān)控、車輛運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時監(jiān)控以及危險品狀態(tài)實(shí)時監(jiān)控。通過安裝在車上的各類MEMS傳感器模塊可以實(shí)時獲取運(yùn)輸車輛的各類參數(shù)，如車輛側(cè)傾角、加速度、行駛速度、溫度、壓力、危險品液位、閥門開關(guān)、漏液濃度等信息。這些信息傳輸?shù)杰囕d終端微處理器，經(jīng)數(shù)據(jù)處理后與安全閾值進(jìn)行比較，當(dāng)監(jiān)測到的數(shù)據(jù)接近閾值時，智能車載終端發(fā)出警示信息提醒駕駛?cè)藛T謹(jǐn)慎駕駛，并在車載終端屏幕上顯示警示的內(nèi)容，便于駕駛?cè)藛T采取相應(yīng)措施，因此需要一個準(zhǔn)確、可靠的信息采集和監(jiān)控系統(tǒng)[7]。

除了運(yùn)用傳感器技術(shù)外，智能車載終端還集成有衛(wèi)星導(dǎo)航模塊、無線通信模塊和撥號聯(lián)網(wǎng)模塊，其總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 智能車載終端結(jié)構(gòu)圖

2 終端的硬件設(shè)計(jì)

智能車載終端所用到的主要硬件設(shè)備包括通信導(dǎo)航模塊、MEMS傳感器模塊、微處理器模塊以及電源處理模塊等。

2.1 通信導(dǎo)航模塊

SIM908是一款集成GPS導(dǎo)航技術(shù)的四頻GSM/GPRS模塊。其體積小,重量輕,功耗低,緊湊的模塊尺寸將GPRS和GPS整合在SMT封裝，工業(yè)級標(biāo)準(zhǔn)接口和GPS功能在GSM和GPS信號覆蓋的部分能實(shí)現(xiàn)不同程度的無縫追蹤。支持4種頻段850 MHz/900 MHz/1 800 MHz/1 900 MHz；使用AT命令控制且支持增強(qiáng)型AT命令集；GPRS支持最大速率為 85.6 kb/s(下行速率)，GSM支持文本和PDU模式，GPS支持冷、熱啟動方式，定位精度小于2.5 m。

2.2 微處理器模塊

MC9S12XET256是飛思卡爾公司提供一款具有32位性能、以及16位微處理器所有優(yōu)勢和效率的微處理器，保持了目前飛思卡爾現(xiàn)有的16位MCU的低成本、小功耗、電磁兼容和代碼效率高的優(yōu)點(diǎn)。其片上資源豐富，包括多達(dá)64 KB的RAM、8個異步串行通信接口(SCI)、3個串行外設(shè)接口(SPI)、2個16通道的12位 A/D轉(zhuǎn)換器、2個內(nèi)部IC的總線模塊(I2C)和一個8通道的16位標(biāo)準(zhǔn)定時器模塊(TIM)。模塊中提供的I/O端口可以用于接收MEMS傳感器采集到的信號。

2.3 電源處理模塊

電源處理模塊的作用是將運(yùn)輸車上提供的電能轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定可靠的直流電源供智能車載終端各個模塊使用。車上主要提供12 V和24 V兩種直流電源。車載電源長時間工作在惡劣的環(huán)境下，電壓不夠穩(wěn)定，作為輸入源對設(shè)計(jì)的電路也存在一定的干擾，并且選用的模塊需求5 V、4 V、3.3 V 3種直流穩(wěn)壓電源。因此電源處理模塊設(shè)計(jì)時采用了二級電源供電模式，第一級電源轉(zhuǎn)換由車載12 V電源轉(zhuǎn)換到5 V，第二級分別從5 V轉(zhuǎn)換到4.0 V和3.3 V。

第一級電源處理模塊選擇LM2596開關(guān)電壓調(diào)節(jié)器，能夠輸出3 A的驅(qū)動電流，同時具有負(fù)載調(diào)節(jié)特性。第二級電源處理模塊選擇LM2596Adj開關(guān)電壓調(diào)節(jié)器進(jìn)行5 V～4 V的電源轉(zhuǎn)換以及AMS1117線性穩(wěn)壓芯片進(jìn)行5 V～3.3 V的電壓轉(zhuǎn)換。設(shè)計(jì)的智能車載終端硬件核心電路板如圖2所示。

圖2 核心電路板實(shí)物圖

3 終端的軟件設(shè)計(jì)

3.1 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

下位機(jī)的主要功能可以分為數(shù)據(jù)處理與過程控制，采用模塊化程序設(shè)計(jì)方案，即由一個主程序和若干個功能子程序共同組成。其中，功能子程序主要由初始化、MEMS傳感器數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)解算和數(shù)據(jù)上傳等組成。程序設(shè)計(jì)中，依據(jù)信息處理的復(fù)雜程度分配了合理的延時時間，這樣可以確保數(shù)據(jù)處理完整同時又不會發(fā)生子程序運(yùn)行時間過長等問題。為了減少采集到的數(shù)據(jù)誤差，采用了數(shù)字濾波技術(shù)，在程序設(shè)計(jì)中主要用到算術(shù)平均濾波。下位機(jī)主程序的流程如圖3所示。

3.2 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件不僅要實(shí)現(xiàn)下位機(jī)之間的通信和對核心電路板硬件模塊的控制，而且還要為用戶提供一個良好的操作界面以及豐富的軟件功能。上位機(jī)軟件主要包括車載語音通話、短信息服務(wù)、聯(lián)系人操作、車載GPS導(dǎo)航、MEMS傳感器監(jiān)測、危險品視頻監(jiān)測、GPRS車聯(lián)網(wǎng)以及車輛電子名片配置。

圖3 下位機(jī)主程序流程圖

短消息業(yè)務(wù)與話音傳輸同樣為GSM數(shù)字蜂窩移動通信網(wǎng)絡(luò)提供主要業(yè)務(wù)[8]，當(dāng)遇到危險情況時可及時通知監(jiān)控中心或向相關(guān)部門請求救援，可保證信息交互的有效性和及時性。

聯(lián)系人操作主要用于保存服務(wù)器和緊急求救部門的聯(lián)系方式。當(dāng)收到電話或短信息時，系統(tǒng)會自動顯示匹配的備注信息；此外，可智能查找聯(lián)系人，只需輸入聯(lián)系人備注信息（如姓名）或者任意連續(xù)電話號碼，便可準(zhǔn)確定位到要查找的聯(lián)系人。

GPS數(shù)據(jù)可以被上位機(jī)程序調(diào)用,獲取車輛經(jīng)度、維度和海拔等地理位置和速度等信息,并在屏幕上顯示。系統(tǒng)后臺實(shí)時記錄車輛行駛軌跡,并且可用于車載導(dǎo)航軟件。

MEMS傳感器監(jiān)測主要用于實(shí)時監(jiān)測并顯示危險品和運(yùn)輸車輛的狀態(tài)。傳感器采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)微處理器數(shù)據(jù)處理后，通過RS-232串口向上位機(jī)傳送16進(jìn)制數(shù)據(jù)幀。上位機(jī)通過對數(shù)據(jù)幀進(jìn)行解析和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換可以得到各個傳感器的實(shí)時監(jiān)測值。

視頻監(jiān)測依靠攝像頭來實(shí)現(xiàn)，在危險品四周分別安裝4個高質(zhì)量的紅外攝像頭，便于駕駛?cè)藛T在夜間對危險品狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視。在車輛駕駛室安裝2個攝像頭，可使監(jiān)控中心對駕駛室進(jìn)行監(jiān)控，防止駕駛?cè)藛T因疲勞駕駛造成交通事故。

GPRS車聯(lián)網(wǎng)可以實(shí)現(xiàn)與監(jiān)控中心建立連接，通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息交互，可以隨時接收來自監(jiān)控中心的信息，以及上傳GPS信息、MEMS傳感器數(shù)據(jù)和視頻信息至監(jiān)控中心，從而方便監(jiān)控中心對危險品及運(yùn)輸車輛進(jìn)行實(shí)時遠(yuǎn)程監(jiān)控。

車輛電子名片是車輛的身份標(biāo)示，用于保存車輛信息、駕駛?cè)藛T信息和系統(tǒng)提醒設(shè)置。要改變這些參數(shù)，需登錄車輛管理系統(tǒng)進(jìn)行密碼驗(yàn)證，以防止信息泄露，增強(qiáng)了系統(tǒng)的安全保密性。

4 實(shí)車道路試驗(yàn)

自主開發(fā)的智能車載終端經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，軟硬件運(yùn)行狀態(tài)良好。車載通信功能運(yùn)行穩(wěn)定，在試驗(yàn)過程中網(wǎng)絡(luò)信號正常，電話功能運(yùn)行良好，無明顯信號延時；正常收發(fā)短信息，每條短信息最多70個字符；聯(lián)系人查找可以提高檢索效率；GPRS可以連接固定IP地址的監(jiān)控中心，在試驗(yàn)時可以互相收發(fā)信息。車載導(dǎo)航功能運(yùn)行正常，軟件界面以1 Hz頻率實(shí)時更新車輛的經(jīng)度、緯度、速度等信息，正常地調(diào)用嵌入的第三方導(dǎo)航軟件，且道路導(dǎo)航效果良好。MEMS傳感器模塊實(shí)時在線顯示監(jiān)測的數(shù)據(jù)并且以5 Hz的頻率不斷刷新，通過視頻檢測功能可清晰地觀測車輛的四周和內(nèi)室情況。

綜合利用MEMS傳感器技術(shù)、GSM無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、GPS衛(wèi)星定位導(dǎo)航技術(shù)、GPRS網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及視頻監(jiān)測等技術(shù)，自主開發(fā)了一種用于危險品運(yùn)輸安全的智能車載終端硬件平臺和軟件系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)對 “人-車-物”的全面感知，實(shí)現(xiàn)了對危險品和運(yùn)輸車的動態(tài)監(jiān)測以及監(jiān)控中心對運(yùn)輸車輛的遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理。試驗(yàn)結(jié)果表明,設(shè)計(jì)的智能車載終端取得了一定的研究效果，為深入開展危險品運(yùn)輸安全提供了一定的工程應(yīng)用指導(dǎo)。為了進(jìn)一步提高危險品運(yùn)輸車輛監(jiān)管水平，開發(fā)出功能豐富的監(jiān)控中心軟件平臺將是下一個階段的研究重點(diǎn)。

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