陳彩華，湯紅軍

(1.湖南廣播電視大學， 湖南 長沙 410004;2.湖南工程職業(yè)技術(shù)學院計算機學院，湖南 長沙 410114)

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·計算機軟件理論、技術(shù)與應(yīng)用·

基于嵌入式技術(shù)的危險品移動車載監(jiān)控終端系統(tǒng)

陳彩華1，湯紅軍2

(1.湖南廣播電視大學， 湖南 長沙 410004;2.湖南工程職業(yè)技術(shù)學院計算機學院，湖南 長沙 410114)

針對危險品物流特點，結(jié)合嵌入式技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計一種車載終端智能監(jiān)控系統(tǒng)。以Linux和S3C2410X為軟硬件基礎(chǔ)，通過GPS設(shè)備接口、CAN設(shè)備接口以及攝像頭接口構(gòu)成系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集模塊，分別用來采集危險品移動車載終端的GPS地理位置信息、在途危險品的車載環(huán)境數(shù)據(jù)以及車內(nèi)外的視頻圖像信息；通過GPRS和Internet無線通信鏈路實現(xiàn)與遠程監(jiān)控中心實時交互，從而達到對危險品車載終端實時監(jiān)控的目的。本設(shè)計可為其他車載移動實時監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計提供參考。

危險品物流；車載監(jiān)控系統(tǒng)；S3C2410X；GPRS；嵌入式技術(shù)；物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

隨著工業(yè)化進程的推進，危險品在生產(chǎn)生活中的應(yīng)用越來越多，車輛運輸作為危險品運輸?shù)闹匾緩?，占整個危險品運輸方式的70%以上[1]。為確保危險品運輸車輛在運輸途中的安全，將危險品運輸車輛的事故發(fā)生率降到最低，本文綜合應(yīng)用嵌入式技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，在危險品運輸車輛上構(gòu)建一個完整的車載微環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，動態(tài)感知、采集危險品的各種狀態(tài)，借助GPRS與Internet無線通信鏈路與遠程監(jiān)控中心實時交互，實現(xiàn)對危險品車載終端的實時監(jiān)控。

1 危險品移動車載監(jiān)控終端系統(tǒng)硬件設(shè)計

1.1 嵌入式主控制器

車載監(jiān)控終端作為危險品物流監(jiān)控平臺的信息來源，主要負責危險品物流數(shù)據(jù)的采集、預處理、傳輸?shù)裙ぷ?，融合了RS、GPS、GIS、GPRS等技術(shù)?；诔杀?、功耗、性能、集成度等因素的考慮，本文選擇處理能力強、功耗低的32位ARM微處理器S3C2410X作為移動車載終端系統(tǒng)的主控制器，同時擴充外圍存儲模塊、網(wǎng)絡(luò)通信終端、數(shù)據(jù)采集模塊、電源管理模塊以及其他外設(shè)接口等。整個移動車載終端的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 移動車載終端硬件結(jié)構(gòu)

S3C2410X微處理器使用ARM920T核，工作頻率為203 MHz，帶MMU先進體系結(jié)構(gòu)，支持Linux、WinCE、EPOC32等嵌入式操作系統(tǒng)，集成了外部存儲控制器、LCD控制器、PS2接口、4通道的UART、2個USB主機接口、117個通用I/O、24個外部中斷、芯片內(nèi)置PLL[2-3]。

危險品移動車載終端系統(tǒng)的ARM主控制器是嵌入式Linux操作系統(tǒng)的運算和控制核心。GPS設(shè)備接口、CAN設(shè)備接口以及攝像頭接口構(gòu)成系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集模塊，分別用來采集危險品移動車載終端的GPS地理位置信息、在途危險品的車載環(huán)境數(shù)據(jù)以及車內(nèi)外的視頻圖像信息。GPRS無線通信模塊負責和遠程監(jiān)控中心之間的數(shù)據(jù)通信。S3C2410X通過UART0與UART1分別接GPS模塊、GPRS模塊，模塊之間采用TTL串行通信。LCD模塊用來實時顯示移動車載終端的位置、危險品貨物狀態(tài)信息和監(jiān)控中心傳達的控制信息。

1.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要負責危險品移動車載終端環(huán)境數(shù)據(jù)、視頻數(shù)據(jù)、音頻數(shù)據(jù)等的無線采集。系統(tǒng)分別采用SHTU溫濕度傳感器、MQ-2氣體傳感器、管道管壁傳感器WNK120來采集車載終端的溫度、濕度、氣體濃度以及管壁壓力。采集好的數(shù)據(jù)在經(jīng)過處理、封裝后通過Internet傳送到危險品物流監(jiān)控中心服務(wù)器。視頻數(shù)據(jù)的實時傳輸需要綜合應(yīng)用3G無線通信技術(shù)、傳感器技術(shù)、視頻壓縮技術(shù)、衛(wèi)星定位技術(shù)等，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)采用低功耗、32位的Cortex M3系列MCU作為傳感器數(shù)據(jù)處理模塊，通過CAN總線獲取溫度、濕度、壓力等傳感器采集的危險品物流信息，數(shù)據(jù)經(jīng)封裝后通過UART上傳。

系統(tǒng)在危險品移動車載終端配置4路CCD攝像頭，視頻處理模塊選擇ADI公司生產(chǎn)的ADV7180視頻解碼芯片[4]。ADV7180芯片內(nèi)部集成的10位A/D轉(zhuǎn)換器能將所采集的標準模擬視頻信號轉(zhuǎn)換成符合ITU-RBT.656標準的8位YCrCb4:2:2數(shù)字視頻信號。數(shù)字視頻信號通過串口保存到嵌入式主控制器的SDRAM中，駕駛員通過嵌入式主控制器的LCD可以實時查看車內(nèi)危險品的情況以及車尾的路況。

GPS信息釆集模塊主要負責危險品移動車載終端所在位置的經(jīng)度、緯度、速度、運動方向等信息的采集，通過串行接口UART與主控制器建立連接。系統(tǒng)以字符設(shè)備驅(qū)動形式將GPS模塊添加進內(nèi)核，主控制器就可以按普通串口來訪問，數(shù)據(jù)的讀寫格式遵循NMEA-0183標準協(xié)議。

2 危險品移動車載監(jiān)控終端系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.1 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

危險品移動車載監(jiān)控終端系統(tǒng)軟件設(shè)計的目的是實現(xiàn)本地視頻監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集和無線網(wǎng)絡(luò)傳輸功能。本文選用性能穩(wěn)定、可靠性高、功能強大的嵌入Linux操作系統(tǒng)作為監(jiān)控終端的系統(tǒng)軟件[5]，實現(xiàn)GPS信息接收、GPRS網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)發(fā)送、LCD顯示、RFID射頻識別、GUI界面操作以及Linux操作系統(tǒng)的編寫等功能。系統(tǒng)軟件的運行流程如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)軟件流程

2.2 視頻圖像采集設(shè)計

Linux系統(tǒng)為視頻設(shè)備提供通用接口的是內(nèi)核驅(qū)動V4L2，主要包括頂層的Video核心層和底層的slave設(shè)備，頂層為訪問設(shè)備提供API接口，底層用來實現(xiàn)視頻采集設(shè)備的具體硬件操作[6]。與V4L2的2層驅(qū)動結(jié)構(gòu)對應(yīng)，本文的視頻圖像采集模塊包括V4L2核心驅(qū)動程序和ADV7180設(shè)備驅(qū)動程序。在設(shè)置好攝像頭的參數(shù)后，整個視頻采集程序的流程如圖4所示。

2.3 危險品車載環(huán)境數(shù)據(jù)采集設(shè)計

危險品車載環(huán)境數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用的是CAN總線，嵌入式主控制器利用CAN總線接收傳感器采集的溫度、濕度、壓力、濃度等危險品車載環(huán)境數(shù)據(jù)。本文利用SocketCAN來實現(xiàn)Linux中的CAN協(xié)議。SocketCAN使用Berkely套接字和Linux網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，通過網(wǎng)絡(luò)接口來訪問CAN設(shè)備驅(qū)動[7]。系統(tǒng)將底層的CAN控制器注冊為一個網(wǎng)絡(luò)設(shè)備后，數(shù)據(jù)的收發(fā)就可以在CAN控制器與CAN協(xié)議族之間、用戶空間與Socket層之間進行。CAN總線收發(fā)數(shù)據(jù)的流程如圖5所示。

圖4 視頻圖像采集流程

圖5 CAN總線數(shù)據(jù)收流程圖

2.4 無線通信協(xié)議設(shè)計

車載監(jiān)控系統(tǒng)采集的危險品車載環(huán)境數(shù)據(jù)、危險品狀態(tài)數(shù)據(jù)、車況視頻圖像數(shù)據(jù)以及GPS數(shù)據(jù)，經(jīng)過嵌入式主控制器處理后，由無線通信模塊發(fā)送到遠程監(jiān)控中心。本文選擇SIMCOM公司的SIM5216芯片作為危險品車載終端的無線通信模塊，采用GPRS傳輸方式。它是監(jiān)控中心與移動車載終端之間信息傳輸?shù)臉蛄?。在傳輸時，對危險品移動車載終端的環(huán)境數(shù)據(jù)和GPS位置信息，網(wǎng)絡(luò)會自動按IP和TCP/UDP協(xié)議要求對其進行封裝。為保證數(shù)據(jù)的安全性和可維護性，本系統(tǒng)在所選的TCP通信協(xié)議基礎(chǔ)上，設(shè)計了危險品物流所特有的通信數(shù)據(jù)包格式，所設(shè)計的數(shù)據(jù)包表格如表1所示。系統(tǒng)以CRC校驗作為通信數(shù)據(jù)的尾部，既能實現(xiàn)通信數(shù)據(jù)的靈活，又能提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?/p>

本文中的視頻數(shù)據(jù)基于RTP協(xié)議進行傳輸，采集的視頻數(shù)據(jù)經(jīng)過X264編碼后，通過RTP協(xié)議封裝，由UDP打包成數(shù)據(jù)包進行傳輸，數(shù)據(jù)視頻打包過程如圖6所示。

表1 無線通信數(shù)據(jù)格式示例

圖6 視頻數(shù)據(jù)封裝過程

3 結(jié)束語

本文以ARMS3C2410X為基礎(chǔ)，通過擴展GPS、GPRS，以及數(shù)據(jù)采集模塊，設(shè)計了一款集遠程監(jiān)控、本地監(jiān)控功能于一體的危險品車載監(jiān)控終端系統(tǒng)。它能夠?qū)崟r快速地采集在途危險品信息、車載環(huán)境狀態(tài)，實現(xiàn)危險品物流過程中的車載信息的全程監(jiān)控，解決了現(xiàn)有的危險品監(jiān)控系統(tǒng)在數(shù)據(jù)采集、無線網(wǎng)絡(luò)傳輸中的不足。由于系統(tǒng)硬件平臺的低功耗特性，在實際應(yīng)用中，可以根據(jù)需求動態(tài)更改數(shù)據(jù)采集設(shè)備，使系統(tǒng)拓展應(yīng)用到其他車載移動實時監(jiān)控領(lǐng)域。

[1]閆利勇,陳永光.危險化學品公路運輸事故新特點及對策研究[J].中國安全生產(chǎn)科學技術(shù),2010,6(4): 65.

[2]陳彩華,龍衛(wèi)兵.基于ARM-3S的物流監(jiān)控系統(tǒng)研究與設(shè)計[J].計算機測量與控制,2011,19(6): 1361.

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(編校：饒莉)

Design of the Mobile Vehicle-mounted Monitoring Terminal for Dangerous Goods Based on Embedded Technology

CHEN Caihua1，TANG Hongjun2

(1. Hunan Radio and Television University, Changsha 410004 China;2.HunanEngineeringPolytechnic,Changsha410114China)

According to the characteristics of dangerous goods, the real-time processing of dangerous goods logistics information was realized based on the embedded technology and internet of things technology. Linux and S3C2410X are the software and hardware foundation. GPS device interface, the CAN device interface and camera interface system of data acquisition module, were used to collect mobile car terminal GPS location information of dangerous goods, the vehicle environment data and video image information both within and outside the car. With GPRS and Internet wireless communication link, the intelligent management of dangerous goods logistics was realized. The system can be a reference for design of other vehicle-mounted mobile real-time monitoring system.

dangerous logistics；vehicle monitoring system； S3C2410X； GPRS；the embedded technology; the internet of things technology

2015-07-21

湖南省教育廳科學研究項目《基于3S技術(shù)的危險品物流監(jiān)控平臺構(gòu)建及智能決策系統(tǒng)研究》(11C0352)

陳彩華(1973—)，女，副教授，碩士，主要研究方向為嵌入式系統(tǒng)。E-mail：cchlxy@126.com

TP277.2

A

1673-159X(2016)05-0030-4

10.3969/j.issn.1673-159X.2016.05.006