摘要：針對城市公交普遍存在行車安全和乘客乘車難問題，提出了一種基于GPS/3G技術(shù)的公交車遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。本方案采用ARM微處理器和嵌入式Linux探作系統(tǒng)，利用數(shù)字圖像處理和GPS定位技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對公交車車內(nèi)視頻監(jiān)控、行車狀態(tài)統(tǒng)計(jì)管理、定位信息采集等功能，同時以3G無線通信為傳輸手段，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控終端與控制中心通信，提高公交運(yùn)行安全及服務(wù)質(zhì)量，使市民能更好地來坐公交，享受生活。

　　隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城市公交事業(yè)有了迅猛的發(fā)展，主要表現(xiàn)在：車輛變靚，站點(diǎn)增加，營運(yùn)時間延長，線路增多，市民出行時已感到這種可喜的變化。但隨著生活節(jié)奏的加快，對生活品質(zhì)要求的提高，乘客們早已不能滿足于現(xiàn)有的服務(wù)質(zhì)量。乘客的服務(wù)要求不僅體現(xiàn)在乘車過程中，還體現(xiàn)在乘車前后；不僅需要有車乘，而且需要乘好車、好乘車。這些多層次、多元化的需求都是傳統(tǒng)運(yùn)營模式、調(diào)度方式所無法做到的，只有智能公交系統(tǒng)的實(shí)施才能夠從根本上解決這些問題。智能公交系統(tǒng)的實(shí)施，不僅可以給乘客帶來巨大的利益，提升城市形象，還以為公交企業(yè)節(jié)約大量經(jīng)營成本，提高科學(xué)管理水平。因此智能公交系統(tǒng)的建設(shè)著重大的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。

　　智能公交系統(tǒng)由以下幾部分組成：

　　1）車載設(shè)備子系統(tǒng)，簡稱“車載終端”;

　　2）車站智能電子站牌子系統(tǒng)；

　　3）公交管理系統(tǒng)。

　　文中主要以車載設(shè)備子系統(tǒng)--車載終端為研究對象展開論述。

　　1 系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)

　　文中研究的是一種基于GPS和3G的智能公交終端，簡而言之就是研究車體部分車載終端設(shè)備。本文的研究主要分3大部分：視頻監(jiān)控部分；GPS定位部分；通過現(xiàn)有3G網(wǎng)絡(luò)傳輸部分。

　　視頻監(jiān)控部分，主要是在車廂外部設(shè)置2個攝像頭，車廂內(nèi)部設(shè)置4個攝像頭。車廂外部在車的前后各設(shè)置一個攝像頭，用來監(jiān)控車體的前后車況，為交通意外發(fā)生后的責(zé)任判定提供有力證據(jù)。車廂內(nèi)部在司機(jī)處設(shè)置1個攝像頭，用來監(jiān)控司機(jī)是否有打電話，閑聊等違規(guī)操作；在票箱處設(shè)置1個攝像頭，用來監(jiān)控偷票漏票現(xiàn)象；在車體中間設(shè)置1個攝像頭，用來防止乘客碰瓷索賠，車內(nèi)偷盜等，減少公交車上的犯罪率。下客門設(shè)置1個攝像頭，用來觀看乘客下車情況，乘客是否全都下車，是否有乘客從后門上車等逃票現(xiàn)象。

　　GPS定位部分，實(shí)現(xiàn)完善的導(dǎo)航功能。通過GPS全球定位系統(tǒng)確定公交車所在位置信息，把公交車所在的位置，路況信息可以實(shí)時的傳送到PC機(jī)監(jiān)控端，這樣對車輛的調(diào)度起到關(guān)鍵的作用。

　　3G網(wǎng)絡(luò)傳輸部分，近年來我國的3G網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)很成熟了，可以高效的傳輸視頻信息，本系統(tǒng)就是通過3C網(wǎng)絡(luò)將公交車上采集到的視頻信息和CPS信息傳輸?shù)娇刂贫耍瑢?shí)現(xiàn)公交車運(yùn)行時的全程監(jiān)控。系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

　　圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

　　2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　硬件設(shè)計(jì)上，本系統(tǒng)采用ARM微處理器S3C2440芯片作為主控芯片，系統(tǒng)為存儲擴(kuò)展了128MB的NANDFLASH和64MB的SDBAM，這樣可以更好的儲存視頻信息。系統(tǒng)的外圍擴(kuò)展模塊包括通用USB攝像頭、GPS模塊、3G模塊和LCD顯示屏。系統(tǒng)的硬件框圖如圖2所示。

　　圖2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

　　2.1 主控芯片的選擇

　　本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的監(jiān)控終端要求多路傳輸，實(shí)時性強(qiáng)，低功耗等特點(diǎn)。因此本系統(tǒng)的主控芯片選擇了內(nèi)核為ARM920T的ARM9處理器。由于S3C2440芯片應(yīng)用比較廣泛，片內(nèi)資源豐富，資料齊全，價格適中，所以選擇它作為系統(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400 MHz，最高可達(dá)533 MHz，滿足了舉系統(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(fù)雜度，為系統(tǒng)開發(fā)提供了良好的硬件平臺。

　　2.2 攝像頭模塊的選型與連接

　　文中采用的是動態(tài)視頻形式的監(jiān)控方式。選用的是網(wǎng)眼V2000攝像頭，其圖像傳感器和數(shù)字信號處理芯片為Omnivision公司的OV7620和OV511它的成像速度快、圖片質(zhì)量高、成本低，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，使用方使，圖像精晰連貫，馬賽克比率低。為視頻的良好錄制提供了可靠的硬件基礎(chǔ)。網(wǎng)眼V2000攝像頭通過其USB接口直接與CPU上集成的USBHost接口相連。

　　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，傳輸速率可達(dá)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(guān)設(shè)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(dá)到7:1，保證了從圖像傳感器到主控制器的快速圖像傳輸。

　　2.3 GPS模塊的選型與連接

　　本系統(tǒng)的GPS模塊采用的是HOLUX的GB-87模塊。該模塊支持NMEA0183協(xié)議，支持V3.3-V5.5電壓輸入，TTL接口電平，波特率可置。在本系統(tǒng)中，GR-87模塊通過6PIN排線與主板相連，1腳為電源輸入腳，接5 V電源，2、3腳為GPS模塊的數(shù)據(jù)接收和發(fā)送，5腳接地。工作時，GPS模塊串口2與主控制器S3C2440進(jìn)行通信，通過設(shè)置模塊定時輸出GPS定位數(shù)據(jù)，由主控制器對GPS數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，提取出經(jīng)緯度，時間等有用信息，為自動報站及正點(diǎn)考核提供可靠數(shù)據(jù)，保證報站及正點(diǎn)考核功能的實(shí)現(xiàn)。

　　2.4 3G模塊的選型與連接

　　根據(jù)無線接口技術(shù)的不同，現(xiàn)有3G技術(shù)可以分為聯(lián)通的WCDMA技術(shù)，電信的CDMA2000技術(shù)和移動的TD-SCDMA技術(shù)。考慮到傳輸帶寬、網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性、實(shí)用性等因素，本系統(tǒng)采用電信CDMA2000作為無線網(wǎng)絡(luò)傳輸，采用中興公司的MC8630模塊作為視頻數(shù)據(jù)傳輸模塊。MC8630模塊具有語音、短信、數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)和GPS等功能，工作頻段為800MHz，通過雙天線接收分集技術(shù)和均衡技術(shù)，上行速率最高可達(dá)3.1 Mbit/s下行速率最高可達(dá)3.1 Mbit/s.可以通過USB接口將MC8630模塊連接到MIN2440（S3C2440為主芯片的開發(fā)板）處理器上，實(shí)現(xiàn)封裝后的視頻數(shù)據(jù)傳輸。

　　3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　目前常見的嵌入式操作系統(tǒng)主要有WinCE、Linux、Vxworks等幾種。其中Linux操作系統(tǒng)的源碼完全開放。由于其自身具有高效穩(wěn)定、網(wǎng)絡(luò)資源豐富、內(nèi)核小、執(zhí)行速度快，可移植性好等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域。所以，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(shè)計(jì)方面，首先需要在單片機(jī)和PC機(jī)之間建立交叉編譯環(huán)境，用來編譯引導(dǎo)程序和Linux內(nèi)核。然后完成引導(dǎo)程序Bootloa der的移植；配置和編譯Linux內(nèi)核；制作根文件系統(tǒng)以及底層驅(qū)動程序。最后，通過編寫上層應(yīng)用程序完成圖像采集、GPS信息采集、3G傳輸?shù)裙δ堋Ｏ旅鎺坠?jié)詳細(xì)的介紹了幾個主要程序的設(shè)計(jì)思想。

　　3.1 圖像采集程序

　　在視頻采集方面，本文采用的攝像頭是網(wǎng)眼V2000，它是一款是以ov511為主控芯片的攝像頭。選用它的原因是由于Linux內(nèi)核自帶ov511驅(qū)動，所以不用再自己編寫攝像頭的驅(qū)動程序，只需在定制內(nèi)核的時候選中即可。為開發(fā)節(jié)省了時間。

　　當(dāng)Linux系統(tǒng)正常啟動后，插上V2000攝像頭，如果成功加載驅(qū)動，將為攝像頭在/dev/v41/目錄下創(chuàng)建設(shè)備文件device0，上層應(yīng)用程序即可通過此設(shè)備文件訪問攝像頭，實(shí)現(xiàn)拍攝圖像的功能。嵌入式系統(tǒng)平臺已搭建成功，要實(shí)現(xiàn)實(shí)時地獲取圖像，就需要利用V4L（Vidio For Linux）編程接口實(shí)現(xiàn)圖像采集程序了。考慮到攝像頭采集的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(zhuǎn)化為JPEG格式，這樣存儲時就減少了占用的NandFlash空間，同時通過3G網(wǎng)絡(luò)回傳監(jiān)控中心時，也減少了傳輸費(fèi)用和確保傳送成功。

　　3.2 GPS解析程序

　　GPS接收機(jī)HOLUX的GR-87模塊輸出數(shù)據(jù)格式符合NMEA.183標(biāo)準(zhǔn)。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（Sentence），每條語句都以“$”開始，以回車換行符（《CR》《LF》）結(jié)束，中間是用逗號分隔的若干個域。

　　由于此GPS模塊設(shè)置信息掉電丟失，在每次系統(tǒng)啟動時均要對該GPS模塊進(jìn)行初始化。將模塊設(shè)置成每秒鐘輸出一次GPS信息。系統(tǒng)啟動后，模塊接收GPS信息，然后解析出GPS信息，根據(jù)解析出來的經(jīng)緯度信息與數(shù)據(jù)區(qū)中存儲的站點(diǎn)信息比較，計(jì)算出實(shí)際距離。如果距離到達(dá)閥值時，啟動GPS報站中斷。該GPS模塊接收模塊遵循NMEA.0183協(xié)議，可以輸出多種格式的數(shù)據(jù)幀，均以“MYM”開頭。輸出數(shù)據(jù)采用的是ASCII碼字符，內(nèi)容包含了緯度、經(jīng)度、速度、日期、航向及衛(wèi)星狀況等信息。該系統(tǒng)所使用的僅限于$GPRMC定位數(shù)據(jù)幀格式。系統(tǒng)啟動后，通過串口對GPS模塊進(jìn)行設(shè)置，由于系統(tǒng)對實(shí)時性要求不高，將GPS設(shè)置為每秒鐘輸出一次RMC數(shù)據(jù)。提取GPRMC語句的思路是設(shè)置一個數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，把接收到的GPS數(shù)據(jù)都放入這個緩沖區(qū)，當(dāng)緩沖區(qū)滿了的時侯就在緩沖區(qū)中查找是否接受到GPRMC定位語句，如果沒有接收到則重新接GPS數(shù)據(jù)。如果找到GPRMC定位語句則還要判斷該語句在緩沖區(qū)中的位置離緩沖區(qū)的最大字節(jié)數(shù)是否大于62個字節(jié)（因?yàn)楸境绦蛑行枰腉PRMC定位語句所包含的字節(jié)數(shù)為62），然后通過多程序提取相關(guān)經(jīng)緯度、時間和速度等信息并通過數(shù)據(jù)處理線程進(jìn)行相關(guān)處理。運(yùn)行過程如圖3所示。

　　圖3 GPS模塊運(yùn)行過程

　　3.3 3G模塊解析程序

　　MC8630模塊驅(qū)動可以通過驅(qū)動源碼交叉編譯生成。MC8630模塊的加載和撥號連接的過MC8630模塊驅(qū)動可以通過驅(qū)動源碼交叉編譯生成。MC8630模塊的加載和撥號連接的過程如下：

　　1）在編譯前首先要確認(rèn)編譯驅(qū)動和編譯內(nèi)核的編譯環(huán)境相同，也就是需要相同版本號的交叉編譯工具（本系統(tǒng)Linux版本號為2.6）；

　　2）修改驅(qū)動源碼Makefde文件，包括添加內(nèi)核源碼目錄和編譯工具；

　　3）Make編譯之后，生成ztemt.ko;

　　4）insmod ztemt.ko，生成4個設(shè)備節(jié)點(diǎn)/dev/ttyUSB0-ttyUSB3;

　　5）mknod/dev/ttyUSB0 c 188 0，創(chuàng)建設(shè)備節(jié)點(diǎn)；

　　6）編寫Linux下?lián)芴柲_本、chat配置文件和賬號密碼配置文件；

　　7）添加內(nèi)核選項(xiàng)，編譯支持PPP協(xié)議的內(nèi)核；

　　8）pppd call evdo撥號連接，ifconfig查詢網(wǎng)絡(luò)是否連接；

　　9）ppp-off中斷連接。

　　4 結(jié)束語

　　本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的智能公交終端采用先進(jìn)的3G/GPS技術(shù)，通過對公交車輛運(yùn)行時的信息的采集、傳輸和處理，實(shí)現(xiàn)了對公交運(yùn)營車輛的實(shí)時監(jiān)控和調(diào)度，迅速調(diào)整公交車輛的運(yùn)行狀況，提高車輛工作的效率，使公交資源實(shí)現(xiàn)最佳利用和分配，達(dá)到公交的智能化。