基于Linux的ARM9遠程客車監(jiān)控系統(tǒng)

摘要：針對長途客車普遍存在著超員問題，提出了一種基于GPS／GPRS的遠程監(jiān)控系統(tǒng)設計方案，該方案采用ARM微處理器和嵌入式Linux操作系統(tǒng)作為開發(fā)平臺，利用數(shù)字圖像處理和GPS定位技術，以GPRS無線通信技術為傳輸手段，實現(xiàn)了客車車內(nèi)圖像數(shù)據(jù)、速度、定位等信息的采集、存儲和無線傳輸功能。
關鍵詞：Linux；GPS；GPRS；圖像采集

    隨著我國汽車數(shù)量的增加和國家公路網(wǎng)的建設，城市間的往來日益頻繁，受經(jīng)濟利益的驅使，長途客運市場普遍存在超員等問題，由此造成的重特大交通事故逐年增加，已嚴重威脅了人民群眾的生命和財產(chǎn)安全。目前，客運交通監(jiān)管部門主要采用設立檢查站和路上巡檢的傳統(tǒng)方法檢測客車是否超員，這些方法耗費人力物力，自動化程度不高，管理落后而且檢測精度很低。在國內(nèi)，只有少數(shù)地區(qū)對當?shù)氐牟糠诌\營車輛安裝了智能檢測設備。本文設計的監(jiān)控終端以GPS定位信息和車內(nèi)的圖像數(shù)據(jù)為基礎，利用GPRS無線通信技術，通過Internet建立與交通監(jiān)管中心的通信，對長途客車的超員、超速、以及車輛運行狀況、突發(fā)事件等進行實時監(jiān)控，為交通監(jiān)管、車輛調(diào)度、事故處理提供了必要的依據(jù)和證據(jù)。

1 系統(tǒng)整體設計方案
    本文針對長途客車監(jiān)控終端的功能要求，以GPS空間定位技術作為定位手段，獲得客車當前的定位信息。同時提出通過攝像頭模塊采集車內(nèi)圖像的超員檢測方案，即當長途客車在出站和運輸途中，發(fā)生開關門動作并重新運動時，車內(nèi)的攝像頭會自動拍攝圖片，同時將GPS接收信息中的定位信息和車內(nèi)圖像信息以約定的數(shù)據(jù)幀格式通過GPRS數(shù)據(jù)通道上傳至監(jiān)控中心，方便監(jiān)控載客數(shù)量，避免超員，有效防止了由于司乘人員私自帶客給公司帶來的經(jīng)濟損失。同時監(jiān)控人員也可以發(fā)送指令，隨時進行圖片拍攝和回傳。此外，當車內(nèi)發(fā)生搶劫、盜竊或意外事故時也可以人為啟動攝像頭進行拍照。這種設計可以在出現(xiàn)超員等情況下使得監(jiān)控中心第一時間獲取到目標客車的圖像和定位信息，為監(jiān)控中心實現(xiàn)全方位客車管理提供有力的幫助。系統(tǒng)的整體設計方案如圖1所示。

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2 系統(tǒng)硬件設計
    在硬件設計上，基于系統(tǒng)多任務并發(fā)執(zhí)行的需要，主控電路采用ARM微處理器S3C2440芯片；系統(tǒng)的存儲單元分別采用了SDRAM和NAND Flash；其外圍接口設備包括GPS接收機、GPRS通信模塊、攝像頭等。系統(tǒng)的硬件連接框圖如圖2所示。

    以下就圖中主要電路展開說明。
2．1 微處理器的選擇
    文中設計的監(jiān)控終端要求具有性能高、運行可靠、功耗低等特點。鑒于此，嵌入式微處理器選擇了內(nèi)核為ARM920T的ARM9處理器。綜合考慮成本、集成度、處理速度、開發(fā)難度等諸多因素，本系統(tǒng)決定選擇SAMSUNG公司生產(chǎn)的S3C2440芯片作為系統(tǒng)的微處理器。該處理器是一款基于RISC的32位微處理器，工作頻率為400MHz，最高可達533 MHz，滿足了本系統(tǒng)對處理速度的要求，同時該處理器還集成了豐富的通信接口和控制器，有效地降低了系統(tǒng)的復雜度，為系統(tǒng)開發(fā)提供了良好的硬件平臺。
2．2 GPS模塊的選型與連接
    GPS全球定位系統(tǒng)是最新一代的衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)，可為用戶提供全天候、全球性和高精度的實時定位導航服務。GPS系統(tǒng)包括3個部分：空間部分-GPS衛(wèi)星星座；地面控制部分-地面監(jiān)控系統(tǒng)；用戶設備部分-GPS接收機。GPS的空間部分和地面監(jiān)控部分，是用戶應用該系統(tǒng)進行定位的基礎，而用戶只有通過用戶設備，才能實現(xiàn)應用GPS定位的目的。GPS接收機負責接收GPS衛(wèi)星發(fā)送的定位信號，并計算出車載終端當前所處位置、速度、方向等信息。在嵌入式車載監(jiān)控終端系統(tǒng)中，從價格、功耗、體積、抗干擾能力等方面比較，本課題選擇了GARMIN GPS15L。最簡單的系統(tǒng)，除GPS外還要包括外部電源和GPS天線。與GPS系統(tǒng)的通信可以通過RS232或CMOS電平的串行口來實現(xiàn)。
2．3 GPRS模塊的選型與連接
    GPRS技術具有實時在線、覆蓋范圍廣、數(shù)據(jù)傳輸速率高等優(yōu)點，目前被廣泛應用于遠程監(jiān)控系統(tǒng)中，主要完成被監(jiān)測數(shù)據(jù)的遠程無線傳輸。采用GPRS無線通信技術進行遠程數(shù)據(jù)傳輸為該系統(tǒng)的實時監(jiān)控管理提供了良好的解決方案。GPRS通信模塊主要完成無線上網(wǎng)的功能，通過GPRS傳輸手段連接到Internel網(wǎng)絡，并主動與監(jiān)控中心建立雙向數(shù)據(jù)通信鏈路。文中選用SIMCOM公司的SIM300模塊，它可自動掉線重連，支持GSM／GPRS通信，內(nèi)嵌了強大的TCP／IP協(xié)議棧，AT指令功能完善，具有SIM卡連接、天線、RS232串口等接口。S3C2440提供標準的RS232串口，可以通過串口和各種外設進行通信。SIM300與S3C2440之間的通信就是通過串口來實現(xiàn)的。[!--empirenews.page--]
2．4 攝像頭模塊的選型與連接
    考慮到無線網(wǎng)絡的帶寬限制和本系統(tǒng)的應用背景．文中采用了靜態(tài)圖像監(jiān)控方式。選用的是網(wǎng)眼V2000攝像頭，它的成本低、成像速度快、圖片質量高，具有良好的通用性。其采用USB接口，不需要視頻卡，可即插即用，使用方便，圖像清晰連貫。其圖像傳感器和數(shù)字信號處理芯片為Omnivision公司的OV7620和OV511。
    OV7620是一款高集成度、高分辨率的彩色圖像傳感器。其分辨率為640x480(30萬像素)，傳輸速率可達30幀／秒。OV7620的控制采用SCCB(Serial Camera Control Bus)協(xié)議，可利用其SCCB(Serial Camera Control Bus)接口完成對它的有關設置和讀取圖像數(shù)據(jù)。OV511是攝像頭的主控芯片，其片內(nèi)的高性能壓縮引擎可使圖像的壓縮比達到7：1，保證了從圖像傳感器到主控制器的快速圖像傳輸。
    網(wǎng)眼V2000攝像頭通過其USB接口直接與CPU上集成的USB Host接口相連。

3 系統(tǒng)軟件設計
    常見的嵌入式操作系統(tǒng)有Linux、WinCE、Vxworks等。Linux操作系統(tǒng)的源碼完全開放，由于其具有高效穩(wěn)定、內(nèi)核小、執(zhí)行速度快，網(wǎng)絡資源豐富，可移植性好等優(yōu)點，廣泛應用于嵌入式系統(tǒng)領域。因此，選擇嵌入式Linux操作系統(tǒng)作為本系統(tǒng)的軟件開發(fā)平臺。
    在軟件設計上，首先需建立交叉編譯環(huán)境，用來編譯引導程序和Linux內(nèi)核。然后完成引導程序Bootloader的移植；配置和編譯Linux內(nèi)核；制作根文件系統(tǒng)以及編寫各外設與CPU間的接口驅動程序。最后，通過編寫上層應用程序完成GPS信息采集、圖像采集、GPRS傳輸?shù)裙δ?。下面具體介紹了幾個主要程序的設計思路。
3．1 圖像采集程序
    在車載監(jiān)控系統(tǒng)中，攝像頭網(wǎng)眼V2000是以ov511為主控芯片的攝像頭，它的驅動主要是要實現(xiàn)結構體相應函數(shù)功能。由于Linux內(nèi)核自帶ov511驅動，所以不用再自己編寫攝像頭的驅動程序，只需在定制內(nèi)核的時候選中即可。
    當Linux系統(tǒng)正常啟動后，插上V2000攝像頭，如果成功加載驅動，將為攝像頭在／dev／v41／目錄下創(chuàng)建設備文件device0，上層應用程序即可通過此設備文件訪問攝像頭，實現(xiàn)拍攝圖像的功能。嵌入式系統(tǒng)平臺已搭建成功，要實現(xiàn)實時地獲取圖像，就需要利用V4L(Vidio For Linux)編程接口實現(xiàn)圖像采集程序了?？紤]到攝像頭采集的640x480的RGB圖像數(shù)據(jù)量較大，這里用圖像壓縮函數(shù)put_image_jpeg將圖像轉化為JPEG格式，這樣存儲時就減少了占用的NandFlash空間，同時通過GPRS網(wǎng)絡回傳監(jiān)控中心時，也減少了傳輸費用和確保傳送成功。
3．2 GPS解析程序
    GPS接收機GPS15L輸出數(shù)據(jù)格式符合NMEA-0183標準。NMEA-0183協(xié)議是由美國國家海洋電子協(xié)會制定的一種串行通信的數(shù)據(jù)協(xié)議，所有輸入輸出信息均為一行ASCII字符。它的一條消息稱為語句(Sentenee)，每條語句都以‘$’開始，以回車換行符(<CR><LF>)結束，中間是用逗號分隔的若干個域。一條NMEA-0183語句包含以下5個部分：
    起始符，固定字符‘$’，表示語句開始；
    標識符域，表示一條語句的全部數(shù)據(jù)域的特定格式，長度可變；
    數(shù)據(jù)域，包含各種類型的數(shù)據(jù)，各數(shù)據(jù)之間用逗號分隔，數(shù)據(jù)域可以為空，但用來分隔數(shù)據(jù)的逗號不可省略；
    校驗和，以‘*’開始，由2個字符的十六進制數(shù)組成；
    結束符，固定字符<CR><LF>，表示語句結束。
    NMEA-0183語句中最常見的幾種格式有GPGGA、GPRMC、GPGSV、GPVTG等，它們包含的信息不盡相同。本設計中采用的是GPGGA(Global Positioning System Fix Data)輸出語句，它包含了主要的GPS定位數(shù)據(jù)。
    GPS信息解析程序流程圖如圖3所示。

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3．3 GPRS數(shù)據(jù)傳輸程序
    GPRS數(shù)據(jù)傳輸任務分為GPRS初始化、建立連接、傳輸數(shù)據(jù)和斷開連接這4個步驟。
    GPRS初始化主要是完成波特率等通信參數(shù)的設置。初始化完成后，就可以通過AT命令建立和GPRS網(wǎng)絡的物理層連接，然后實現(xiàn)GPRS網(wǎng)絡的附著、PDP激活、傳輸環(huán)境配置，進而建立PPP數(shù)據(jù)鏈路，最后實現(xiàn)Internet的接入，進入數(shù)據(jù)傳輸階段。本設計中，采用的中國移動的GPRS網(wǎng)絡。當撥號上網(wǎng)成功后，就通過中國移動網(wǎng)關連接到了Internet，因此就可以利用TCP／IP協(xié)議與Internet上的交通監(jiān)管中心的IP地址進行通信了。由于Linux操作系統(tǒng)已內(nèi)置TCP／IP協(xié)議棧，因此可以直接使用套接字編程實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。套接字的基本模式是C／S(客戶／服務器)，監(jiān)控終端是客戶模式，而遠程監(jiān)控中心是服務器模式。GPRS數(shù)據(jù)傳輸程序的流程圖如圖4所示。

4 結束語
    針對長途客車監(jiān)控手段相對落后以及事故頻發(fā)的現(xiàn)狀，提出了一種基于GPRS／GPS的監(jiān)控系統(tǒng)。經(jīng)實驗測試，該系統(tǒng)在靈敏度和精度上均能滿足實際的需求，解決了傳統(tǒng)的巡檢方式造成的人員浪費和檢測精度低的問題，有效防止了客車超員現(xiàn)象的發(fā)生，為長途客運的安全提供了保障，同時也使得交通監(jiān)管部門的工作更科學化、系統(tǒng)化和自動化。此外，本系統(tǒng)還可以進一步擴充，如可以增加免提車載電話、語音提示、報警開關等，使監(jiān)控系統(tǒng)的功能更加完善和智能。