潘道遠(yuǎn)，宋曉磊，石存杰

(江蘇大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院, 江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

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一種用于危險品運(yùn)輸安全的智能車載終端的設(shè)計

潘道遠(yuǎn)，宋曉磊，石存杰

(江蘇大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院, 江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

為了減少危險品公路交通運(yùn)輸事故的發(fā)生，提高運(yùn)輸效率以及運(yùn)輸過程中保護(hù)人-車-物安全，設(shè)計了一款用于危險品運(yùn)輸安全的智能車載終端。所設(shè)計的智能車載終端負(fù)責(zé)對駕駛員駕駛狀態(tài)、車輛運(yùn)行狀態(tài)和危險品狀態(tài)實(shí)時監(jiān)控，并具有通信、導(dǎo)航和聯(lián)網(wǎng)等功能。硬件部分主要包括通信導(dǎo)航模塊、MEMS傳感器模塊、微處理器模塊和電源處理模塊等。終端軟件系統(tǒng)由下位機(jī)軟件和上位機(jī)軟件組成，下位機(jī)軟件負(fù)責(zé)系統(tǒng)初始化、傳感器數(shù)據(jù)采集與處理；上位機(jī)軟件負(fù)責(zé)調(diào)用下位機(jī)數(shù)據(jù)進(jìn)行車輛狀態(tài)顯示，以及完成與駕駛員的交互操作?；谒O(shè)計的智能車載終端平臺開展了實(shí)車道路試驗(yàn)，結(jié)果表明：該智能車載終端運(yùn)行穩(wěn)定、性能良好。

車輛工程；公路交通運(yùn)輸；危險品；智能車載終端；智能交通

隨著我國社會經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，各行業(yè)對危險品原材料的品種和用量不斷增加，危險品的運(yùn)輸數(shù)量也隨之劇增，導(dǎo)致危險品運(yùn)輸對道路安全危害的風(fēng)險逐步擴(kuò)大[1]。據(jù)不完全統(tǒng)計，危險品運(yùn)輸事故占危險品事故總量的30%～40%，對人民的生命和財產(chǎn)造成巨大損失，嚴(yán)重影響社會的安定和團(tuán)結(jié)[2]。因此，提高危險品運(yùn)輸?shù)陌踩云仍诿冀蕖?/p>

危險品運(yùn)輸已成為安全生產(chǎn)環(huán)節(jié)的重要風(fēng)險源之一[3]，而與之相關(guān)的運(yùn)輸監(jiān)控、動態(tài)管理等已成為研究的難點(diǎn)[4-5]。我國已有相關(guān)生產(chǎn)企業(yè)開發(fā)出基于GIS和GPS的危險品運(yùn)輸安全監(jiān)控平臺[6]，但是由于監(jiān)控平臺智能性程度不高，難以滿足信息社會快速發(fā)展的要求。目前，我國對危險品運(yùn)輸安全的監(jiān)控還處于初期發(fā)展階段，主要表現(xiàn)在：①缺乏事前預(yù)防的車輛狀態(tài)監(jiān)控平臺；②缺乏應(yīng)急處理的管理信息服務(wù)平臺；③缺乏事故救援的主動呼救報警平臺[7]。為此，筆者開展了提高危險品運(yùn)輸安全相關(guān)技術(shù)的研究。為了實(shí)現(xiàn)在危險品運(yùn)輸全過程中對人-車-物的全面感知、動態(tài)監(jiān)控、智能預(yù)警和應(yīng)急求救，設(shè)計了一款用于危險品運(yùn)輸安全的智能車載終端。該智能車載終端能夠極大地預(yù)防危險品事故的發(fā)生，并減少事故造成的損失。

1 總體方案設(shè)計

智能車載終端是集成車輛實(shí)時監(jiān)測、位置追蹤、前期預(yù)警和緊急救援于一體的綜合管理平臺，負(fù)責(zé)對駕駛員、車輛、危險品的狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控。智能車載終端主要由各種MEMS傳感器模塊、衛(wèi)星導(dǎo)航模塊、無線通信模塊和撥號聯(lián)網(wǎng)模塊組成，同時為了增強(qiáng)平臺的人機(jī)交互性，配置有操作按鍵和顯示屏幕。車載終端通過各種MEMS傳感器模塊實(shí)時獲取人-車-物的狀態(tài)信息。車載終端微處理器對狀態(tài)信息進(jìn)行處理，并與安全閾值進(jìn)行比較。當(dāng)比較結(jié)果顯示監(jiān)測數(shù)據(jù)接近安全閾值時，智能車載終端發(fā)出警示信息，提醒駕駛員謹(jǐn)慎駕駛；顯示屏幕彈出警示內(nèi)容，便于駕駛員采取相應(yīng)措施，預(yù)防事故的發(fā)生。智能車載終端的總體結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1 智能車載終端總體結(jié)構(gòu)

2 終端的硬件設(shè)計

智能車載終端的硬件設(shè)備主要包括電源處理模塊、微處理器模塊、通信導(dǎo)航模塊和MEMS傳感器模塊等。電源處理模塊主要負(fù)責(zé)將車載電壓轉(zhuǎn)換為可供車載終端各個模塊使用的穩(wěn)定直流電壓。微處理器模塊的作用是處理各種MEMS傳感器采集的數(shù)據(jù)，并與安全閾值進(jìn)行比較，根據(jù)比較結(jié)果確定車載終端的操作。通信導(dǎo)航模塊集成GPS、GSM和GPRS通信模塊，能夠?qū)崿F(xiàn)導(dǎo)航、聯(lián)網(wǎng)和通信等功能。MEMS傳感器模塊負(fù)責(zé)對運(yùn)輸車輛和危險品的狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，并通過I/O端口向微處理器傳輸監(jiān)測數(shù)據(jù)。

2.1 電源處理模塊

電源處理模塊是將車載電壓轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定可靠的直流電壓供智能車載終端各個模塊使用。車輛直接提供的電壓有12 V和24 V。由于車載電源長期工作在惡劣環(huán)境下，輸出電壓不夠穩(wěn)定，對測控電路存在一定干擾，并且智能車載終端各個模塊所需直流電壓為3.3，4.0，5.0 V等3種電壓[8]，因此需要設(shè)計專門的電源處理模塊對車載電壓進(jìn)行處理。智能車載終端的電源處理模塊采用二級電壓轉(zhuǎn)換模式，第1級電壓轉(zhuǎn)換由車載12 V轉(zhuǎn)換為5.0 V，第2級由5.0 V分別轉(zhuǎn)換為3.3 V和4.0 V。第1級電壓轉(zhuǎn)換模塊功率消耗較大，故選擇LM2596開關(guān)電壓調(diào)節(jié)器。第2級電壓轉(zhuǎn)換模塊選擇AMS1117線性穩(wěn)壓芯片進(jìn)行5.0 V轉(zhuǎn)換為3.3 V和LM2596Adj開關(guān)電壓調(diào)節(jié)器進(jìn)行5.0 V轉(zhuǎn)換為4.0 V。

2.2 微處理器模塊

MC9S12XET256是Freescale公司提供的一款32位性能微處理器，具有16位微處理器具備的效率和優(yōu)勢。其片上資源非常豐富，包括1個64 kb的RAM，2個16通道的12位D/A轉(zhuǎn)換器，3個串行外設(shè)接口(SPI)，8個異步串行通信接口(SCI)，1個8通道的16位標(biāo)準(zhǔn)定時器模塊(TIM)和2個內(nèi)部IC的總線模塊(IIC)。它具有功耗小、成本低、程序執(zhí)行效率高和電磁兼容等優(yōu)點(diǎn)。

2.3 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，支持850，900，1 800，1 900 MHz 4種頻段。將GPS和GPRS整合在SMT封裝里，在GPS和GSM信號覆蓋的地方能實(shí)現(xiàn)不同資產(chǎn)的無縫追蹤，GPS支持冷、熱啟動方式，GSM支持PDU和文本模式，GPRS的最大速率為85.6 kbps，定位精度<2.5 m。支持增強(qiáng)型AT命令集，并使用AT命令進(jìn)行控制。它具有GPS功能和工業(yè)級的標(biāo)準(zhǔn)接口，模塊尺寸緊湊，體積小、重量輕、功耗低。

設(shè)計的智能車載終端硬件核心電路板如圖2，圖2中各種MEMS傳感器模塊通過I/O端口與微處理器進(jìn)行通信。

圖2 核心電路板

3 終端的軟件設(shè)計

智能車載終端軟件由下位機(jī)軟件和上位機(jī)軟件兩部分組成。下位機(jī)軟件負(fù)責(zé)系統(tǒng)初始化、傳感器數(shù)據(jù)采集、車輛姿態(tài)角解算、數(shù)據(jù)的濾波和融合處理。上位機(jī)軟件負(fù)責(zé)調(diào)用下位機(jī)數(shù)據(jù)、車輛狀態(tài)預(yù)測、車輛狀態(tài)顯示、車載通信、車載導(dǎo)航、監(jiān)測報警以及一些其它附加功能。智能車載終端軟件的流程如圖3。

圖3 平臺軟件流程

3.1 下位機(jī)軟件設(shè)計

下位機(jī)軟件的功能包括數(shù)據(jù)處理和過程控制。下位機(jī)軟件采用模塊化設(shè)計，即軟件由若干子程序模塊和一個主程序模塊共同組成。子程序模塊由系統(tǒng)初始化、傳感器數(shù)據(jù)采集、傳感器數(shù)據(jù)解算和數(shù)據(jù)上傳等部分組成。主程序模塊的流程如圖4。

圖4 下位機(jī)軟件的主程序模塊流程

在程序設(shè)計中，為了保證處理數(shù)據(jù)的完整性和防止子程序模塊運(yùn)行時間過長等問題，根據(jù)數(shù)據(jù)處理的復(fù)雜程度合理分配延遲時間。為了減小傳感器采集數(shù)據(jù)時出現(xiàn)的誤差，下位機(jī)軟件采用擴(kuò)展卡爾曼濾波器對實(shí)時獲取的車輛運(yùn)行狀態(tài)和貨物信息進(jìn)行處理。

下位機(jī)軟件初始化模塊的部分程序如下：

Void vehicleSensors_init(void)

{

SystemInit();// 配置系統(tǒng)時鐘

delay_init(72);//延時初始化

Initial_LED_GPIO();//初始化下位機(jī)LED燈

Initial_UART1(115200L); //初始化波特率

IIC_Init();//初始化I2C接口

delay_ms(300);//等待器件上電

MPU6050_initialize();//初始化運(yùn)動處理組件

HMC5883L_ initialize ();//初始化磁力計

BMP085_init();//初始化氣壓高度計

……

}

為了得到傳感器采集數(shù)據(jù)的最優(yōu)估計值，將狀態(tài)方程與觀測方程進(jìn)行離散化：

Xk=Φk,k-1Xk-1+Γk-1Wk-1

(1)

Zk=HkXk+Vk

(2)

式中：Φk,k-1為tk-1時刻到tk時刻的一步轉(zhuǎn)移矩陣；Hk為系統(tǒng)測量矩陣；Γk-1為系統(tǒng)噪聲驅(qū)動矩陣；Vk為系統(tǒng)測量的噪聲序列；Wk-1為系統(tǒng)激勵的噪聲序列。

系統(tǒng)卡爾曼濾波方程如下：

1) 系統(tǒng)狀態(tài)一步預(yù)測

(3)

2) 系統(tǒng)狀態(tài)一步預(yù)測均方差

(4)

3) 濾波增益矩陣

(5)

4) 狀態(tài)估計矩陣

(6)

5) 均方差估計矩陣

P=[I-KkHk]Pk,k-1

(7)

由式(3)～式(7)可得到系統(tǒng)的時間更新方程和測量更新方程，代入初始值即可獲取最優(yōu)估計值。

下位機(jī)對卡爾曼濾波處理后的十六進(jìn)制數(shù)據(jù)采用十進(jìn)制ASCII碼進(jìn)行傳輸，如0X123將傳輸十進(jìn)制數(shù)據(jù)“123”，這些數(shù)據(jù)在下位機(jī)中按照高位和低位存儲，負(fù)數(shù)則存儲其補(bǔ)碼數(shù)據(jù)格式。將傳感器采集的數(shù)據(jù)加上數(shù)據(jù)標(biāo)示頭文件、數(shù)據(jù)長度和數(shù)據(jù)結(jié)束標(biāo)示等構(gòu)成一個數(shù)據(jù)幀，其數(shù)據(jù)處理的下位機(jī)程序如下：

UART2_Put_Char(0xa5);

UART2_Put_Char(0x5a);//數(shù)據(jù)幀開始標(biāo)示

UART2_Put_Char(14+4);//發(fā)送的數(shù)據(jù)量

UART2_Put_Char(0xA1);

if(tempr<0)//溫度信息

tempr=32768-tempr;//求補(bǔ)碼

ctemp=tempr>>8;

UART2_Put_Char(ctemp);//發(fā)送高8位數(shù)據(jù)

temp+=ctemp;

ctemp=tempr;

UART2_Put_Char(ctemp);//發(fā)送低8位數(shù)據(jù)

temp+=ctemp;

…

UART2_Put_Char(temp%256);//冗余校驗(yàn)碼

UART2_Put_Char(0xaa);//數(shù)據(jù)幀結(jié)束標(biāo)志

3.2 上位機(jī)軟件設(shè)計

上位機(jī)軟件采用VB.NET程序語言進(jìn)行開發(fā)。上位機(jī)通過RS-232串口與下位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸前，上位機(jī)對RS-232串口進(jìn)行初始化操作，包括設(shè)置串口的端口號、波特率、數(shù)據(jù)位、停止位和奇偶校驗(yàn)位。由于下位機(jī)傳輸數(shù)據(jù)的不連續(xù)性，上位機(jī)采用定時觸發(fā)方式從緩沖區(qū)讀取數(shù)據(jù)，并進(jìn)行相應(yīng)的解碼操作得到傳感器的實(shí)際數(shù)據(jù)。

為方便駕駛員實(shí)時了解車輛運(yùn)行狀態(tài)和貨物信息，上位機(jī)軟件在控制核心電路板和與下位機(jī)通信的同時，還要為用戶提供良好的操作界面。上位機(jī)對數(shù)據(jù)幀進(jìn)行解析和轉(zhuǎn)換得到傳感器的實(shí)時監(jiān)測數(shù)據(jù)，其中傳感器數(shù)據(jù)包括：車輛的橫擺角、側(cè)傾角、行駛速度、行駛加速度，危險品的溫度，危險品容器的壓力、液位、閥門開關(guān)等。當(dāng)監(jiān)測數(shù)據(jù)超出安全閾值時，上位機(jī)彈出警示信息界面，提醒駕駛員安全駕駛或者停車檢查。對于無法靠近的危險品進(jìn)行檢測可以依靠攝像頭來實(shí)現(xiàn)，為此在上位機(jī)中增加了視頻檢測功能。

在車輛運(yùn)行過程中，可以通過GPRS撥號聯(lián)網(wǎng)與具有固定IP和端口的監(jiān)控中心進(jìn)行信息交互，這樣不僅方便監(jiān)控中心實(shí)時遠(yuǎn)程監(jiān)控危險品及運(yùn)輸車輛，追蹤車輛行駛位置和進(jìn)行必要的調(diào)度，以提高管理水平和運(yùn)輸效率，而且通信費(fèi)用依據(jù)數(shù)據(jù)傳輸流量計算，實(shí)際應(yīng)用成本低廉，便于推廣。

當(dāng)危險品在運(yùn)輸過程中發(fā)生突發(fā)情況時，上位機(jī)提供了兩種應(yīng)急方案與外界進(jìn)行信息交互。第1種方案采用車載電話功能直接與外界進(jìn)行信息交互。當(dāng)遇到危險情況時，這種方案通過車載通話以免提的方式及時通知監(jiān)控中心或向應(yīng)急部門請求救援，具有實(shí)時性強(qiáng)，交互性好等優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)是車載電話存在漫游費(fèi)用，故遠(yuǎn)程運(yùn)輸成本較高。第2種方案采用短信息方式。這種方式可以在駕駛員驚恐的情況下，將車輛的詳細(xì)位置信息、危險品和車輛的重要狀態(tài)信息以文本形式傳輸給監(jiān)控中心或應(yīng)急部門，便于安排救援或事故處理。

為監(jiān)控運(yùn)輸車輛行駛位置以及向駕駛員提供路況導(dǎo)航信息，設(shè)計了車載GPS導(dǎo)航和信息顯示程序。車載導(dǎo)航采用嵌入第三方導(dǎo)航軟件為駕駛員提供導(dǎo)航信息。信息顯示用于電話報警時提供車輛位置的經(jīng)緯度等信息。此外，上位機(jī)軟件增加了一些其它附加功能，如聯(lián)系人、便簽、車輛電子名片、系統(tǒng)配置等功能。智能車載終端上位機(jī)軟件的程序界面如圖5。

圖5 上位機(jī)程序主界面

4 實(shí)車試驗(yàn)和測試結(jié)果

為驗(yàn)證自主設(shè)計的智能車載終端的運(yùn)行效果和穩(wěn)定性，進(jìn)行了危險品運(yùn)輸?shù)膶?shí)車試驗(yàn)。在試驗(yàn)過程中，智能車載終端軟硬件運(yùn)行狀態(tài)良好。車載通信功能運(yùn)行穩(wěn)定，網(wǎng)絡(luò)信號正常，無明顯信號延時；車載電話功能運(yùn)行良好，短信息能夠正常收發(fā)，最多能發(fā)送70個字符；聯(lián)系人查找功能能夠提高檢索效率；GPRS能夠連接到具有固定IP地址的監(jiān)控中心，相互通信順暢。車載導(dǎo)航功能運(yùn)行正常，能夠調(diào)用嵌入的第三方導(dǎo)航軟件。車載導(dǎo)航軟件以周期為1 s實(shí)時更新車輛位置經(jīng)緯度和行駛速度等信息，導(dǎo)航效果良好，車載導(dǎo)航軟件運(yùn)行界面如圖6。

圖6 車載導(dǎo)航效果

各種MEMS傳感器模塊以周期為0.2 s不斷更新監(jiān)測數(shù)據(jù)。當(dāng)出現(xiàn)危險異常情況時，智能車載終端發(fā)出了警示信息，上位機(jī)軟件彈出了警示信息界面，并正確地提供了異常信息，駕駛員快速地排除故障，確保了人-車-物的安全。駕駛員可以通過視頻檢測功能清晰地觀測車輛內(nèi)室及其周圍的環(huán)境。

5 結(jié) 語

綜合利用MEMS傳感器技術(shù)、GPS衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)、GSM無線通信技術(shù)、GPRS網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和視頻檢測技術(shù)等，設(shè)計了一種用于危險品運(yùn)輸安全的智能車載終端，開發(fā)了相應(yīng)的硬件平臺和軟件系統(tǒng)。為驗(yàn)證自主設(shè)計的智能車載終端的穩(wěn)定性，進(jìn)行了危險品運(yùn)輸?shù)膶?shí)車試驗(yàn)，智能車載終端能夠?qū)崿F(xiàn)對人-車-物的全面感知。試驗(yàn)結(jié)果表明，設(shè)計的智能車載終端可以提高危險品運(yùn)輸?shù)陌踩托?。所設(shè)計的智能車載終端功耗小、成本低、重量輕，對進(jìn)一步探索智能車載終端的開發(fā)具有一定的參考價值。

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Design of Intelligent Vehicle Terminal for the Safety of Dangerous Cargo Transportation

Pan Daoyuan, Song Xiaolei, Shi Cunjie

(School of Automobile & Traffic Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, Jiangsu, China)

In order to reduce the road transportation accidents of dangerous cargo, to improve the transport efficiency and protect the security of driver-vehicle-cargo during transportation, an intelligent vehicle terminal was designed for the safety of the transport of dangerous cargo independently. The intelligent vehicle terminal was responsible for the real-time monitoring of driving state, the running state of vehicles and dangerous cargo. The terminal also has functions such as communication, navigation and networking. Hardware includes navigation module, MEMS sensor module, microprocessor module, power module and so on. Software system is composed of lower computer software and PC software, the functions of lower computer software are system initialization, data acquisition and processing; the PC software is responsible for calling data from lower machine to display vehicle status, and complete interactions with the driver. Finally, a road test was carried out based on the designed terminal platform. The results indicate that the intelligent vehicle terminal can run stately and have good performance.

vehicle engineering; road transportation; dangerous cargo; intelligent vehicle terminal; intelligent transportation

10.3969/j.issn.1674-0696.2015.04.33

2013-05-03；

2015-06-11

潘道遠(yuǎn)(1982—)，男，湖南常德人，博士，主要從事汽車電子、振動分析與控制方面的研究。E-mail：plongroad@163.com。

宋曉磊(1986—)，男，山東平度人，碩士，主要從事汽車振動與噪聲控制方面的研究。E-mail：116665708@qq.com。

U463.3

A

1674-0696(2015)04-166-05