基于LabVIEW的車(chē)輛監測系統的設計

摘要：基于National Instruetionals公司的LabVIEW虛擬儀器技術(shù)，設計和搭建了車(chē)輛監測系統。利用車(chē)載GPS/北斗定位接收系統獲取定位信息，通過(guò)GPRS將定位信息傳遞至監控臺，監控臺將信息匯總后返回至每一車(chē)輛，將所有車(chē)輛的位置信息共享并顯示。監測及顯示軟件通過(guò)LabVIEW編寫(xiě)，以期實(shí)現車(chē)輛運行狀況的實(shí)時(shí)監控。實(shí)驗結果表明，該系統能夠精確有效地監測和顯示車(chē)輛的運行狀況。

智能交通系統(Intelligent Transportation System，ITS)是未來(lái)交通系統的發(fā)展方向，結合最新的信息、控制和傳感等技術(shù)，建立實(shí)時(shí)、準確、高效的綜合交通運輸管理系統。目前我國的智能交通研究，水陸空3個(gè)方向都主要集中在提高整體運輸效益和服務(wù)水平上，用于滿(mǎn)足運輸工具使用者定位導航以及運輸企業(yè)、交通管理部門(mén)監測交通情況等的公眾服務(wù)需求。

汽車(chē)車(chē)載監控單元是車(chē)聯(lián)網(wǎng)的終端和網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)。在常規工作狀態(tài)下，車(chē)載監控單元依靠公共無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )按照設定的路由直接將數據信息等發(fā)送至區域控制中心(數據中心)。交通工具與數據中心之間是一個(gè)單向的連接。即數據中心可以獲知所有車(chē)輛的信息，但車(chē)輛之間卻不能互相知道彼此的位置。本文將實(shí)現數據中心整合區域內車(chē)輛位置信息實(shí)時(shí)廣播至區域內所有車(chē)輛，使得定位信息共享。為保證每個(gè)移動(dòng)節點(diǎn)的數據能夠及時(shí)傳輸，可采用移動(dòng)蜂窩網(wǎng)為通信載體，傳輸車(chē)載GPS/BDS定位接收系統提供的定位信息，支持移動(dòng)節點(diǎn)信息能夠有效地及時(shí)傳輸。

1 系統總體設計方案

系統結構框圖如圖1所示，分為主監測系統和車(chē)載系統兩部分。車(chē)載系統由車(chē)載定位系統、監測系統、通信系統3部分構成。主監測系統由監測系統和通信系統構成。車(chē)載系統完成定位信息的采集并通過(guò)GPRS傳送至主監測系統，主監測系統整合所有車(chē)載系統在一定時(shí)間內發(fā)送過(guò)來(lái)的信息，顯示于LabVIEW界面并將其廣播至車(chē)載系統。車(chē)載系統隨后分析收集到的數據并顯示于LabVIEW界面上。

2 車(chē)載系統設計

車(chē)載系統由車(chē)載GPS/BDS(北斗)定位接收系統、監測系統、信息傳輸系統3部分構成。

2.1 車(chē)載定位系統

車(chē)載定位系統采用了和芯星通的UM220-Ⅲ模塊。UM220-Ⅲ模塊是GPS/BDS雙接收系統模塊。其采用GNSS多系統融合、卡爾曼濾波等優(yōu)化算法及和芯星通Ultra—Sense高靈敏度設計，在各種復雜環(huán)境下能夠保持出色的捕獲跟蹤能力和可靠的連續定位結果。

GPS/BDS的定位信息包含的內容很多，在本系統中，由于只需要使用經(jīng)度、緯度以及經(jīng)緯度方向等信息，在設定時(shí)，可以將其他信息均設置為不輸出。

文中針對運行中的車(chē)輛進(jìn)行監測，由于車(chē)輛的不停運動(dòng)，所處的網(wǎng)絡(luò )環(huán)境不斷地變化，因此能夠在弱信號條件下提供優(yōu)異的捕獲、跟蹤靈敏度，并保持接收機定位的連續性和可靠性就顯得很重要。UM220-Ⅲ模塊通過(guò)串口(可用USB轉串口)與車(chē)載PC相連，將定位信息傳輸給車(chē)載PC，并由車(chē)載PC進(jìn)行分析和轉發(fā)給通信模塊。

2.2 通信系統

車(chē)載PC將接收到UM220-Ⅲ模塊發(fā)送的定位信息，由LabVIEW軟件進(jìn)行分析和整合，并通過(guò)另一個(gè)串口(可用USB轉串口)發(fā)送至通信系統。SIM900A模塊由ATMEGA128單片機控制，通過(guò)無(wú)線(xiàn)公共網(wǎng)絡(luò )按照設定的路由與主監測系統通信。

2.3 車(chē)載PC

車(chē)載PC上的LabVIEW中預存了一定的地圖信息，因此，只要有車(chē)載定位系統的定位信息，就可以將自身的位置情況顯示在LabVIEW的界面上。除此之外，通信模塊還接收來(lái)自主監測系統整合的包含區域內其他車(chē)輛位置情況的信息。因此，在車(chē)載PC的LabVIEW界面還將顯示其他車(chē)輛的位置情況。

3 主監測系統設計

主監測系統主要是由一臺有固定IP的PC組成。PC依靠公共無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )接收來(lái)自于車(chē)載通信系統發(fā)出的信息，由LabVIEW來(lái)實(shí)現其監測和通信功能。

具體系統流程圖如圖2所示，其中，車(chē)載PC串口1與UM220-Ⅲ模塊相連接，串口2連接通信模塊。每一個(gè)車(chē)載通信模塊與主監測系統通信時(shí)，均要指定端口。

4 軟件設計部分

4.1 LabVIEW串口程序

串口作為計算機最經(jīng)典傳統的通信接口，同時(shí)也是被最廣泛使用的接口，LabVIEW也集成了串口通信功能。因此，文中的有線(xiàn)通信接口均采用串口，或是USB轉串口。

LabVIEW的串口通信函數選板中包含了串行通信常用的功能模塊。本系統主要使用到VISA資源名稱(chēng)(Resource Name)、VISA配置函數(Configure Serial Port)、VISA讀取函數(Read)和VISA關(guān)閉函數(Close)。VISA配置函數主要用于配置串口的初始化。本系統中使用的串口通信程序配置的波特率為9600，數據位為8位，奇偶偶校驗位為0位，停止位為1位。

本系統中，由于車(chē)輛數量不定，且各車(chē)輛發(fā)送數據到主監測系統的LabVIEW軟件的時(shí)間不一，程序中的串口均采用被動(dòng)接收方式接收數據。數據位設為8位，即程序設置為

每次從串口讀取1字節數據，當程序判斷出該字節為有效數據(幀頭“$”)時(shí)，就開(kāi)始將之后的數據進(jìn)行讀取、存取、拆分、計算、轉換等一系列處理，程序結束時(shí)，利用VISA關(guān)閉函數將占用的串口資源釋放掉。

車(chē)載PC安裝的LabVIEW軟件監測串口接收數據的程序如圖3所示。

4.2 LabVIEW的UDP通信

文中車(chē)載系統與主監測系統是依靠無(wú)線(xiàn)公共網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行通信的。具體到LabVIEW軟件中，則是利用了其UDP通信功能。

TCP/IP(傳輸控制協(xié)議，網(wǎng)際協(xié)議)作為網(wǎng)絡(luò )通信的標準。是迄今為止使用最為廣泛的協(xié)議。UDP方式是無(wú)連接通信，采用廣播的方式來(lái)發(fā)布數據，特別適合于一點(diǎn)對多點(diǎn)的通信，且其響應速度較快，適用于文中的情況。

“寫(xiě)入UDP”函數需要指定計算機與發(fā)送端口，文中制定計算機為主監控系統PC的IP/環(huán)回IP(默認，無(wú)需配置)，發(fā)送端口為車(chē)載通信系統ATMEGA128單片機程序中指定的端口。以“7080端口為例，UDP通信程序如圖4所示。

4.3 車(chē)載系統LabVIEW設計

車(chē)載系統的LabVIEW主要功能有兩個(gè)：1)接收來(lái)自自身定位系統的定位信息，分析整合，并實(shí)時(shí)地將之顯示在界面上;2)接收主監測系統發(fā)送的其他車(chē)輛定位信息，判斷其位置是否在本車(chē)所在地圖之內，如果在，則實(shí)時(shí)顯示;不在，則拋棄信息。

車(chē)載LabVIEW要將定位數據整合拆分，主要分為經(jīng)度和緯度兩個(gè)方面，兩個(gè)VI程序基本類(lèi)似，本文中列舉經(jīng)度拆分截取的程序，如圖5所示。車(chē)載LabVIEW的VI子程序中，判斷其他車(chē)輛是否在本車(chē)所顯示的地圖范圍之內的程序比較簡(jiǎn)單，只是數據處理和比較大小，這里不再一一列舉。

4.4 主監測系統LabVIEW設計

本系統中車(chē)載通信系統的SIM900A模塊是由ATMEGA128單片機控制的。在其發(fā)送數據時(shí)，需要選定接收端的端口。因此，主監測系統的LabVIEW可以清楚地分出每一個(gè)定位信息屬于哪一個(gè)車(chē)載系統。

主監測系統的LabVIEW需要監測所有車(chē)輛的運行情況，其主要功能有三點(diǎn)：1)實(shí)時(shí)顯示所有車(chē)輛的位置信息;2)在有需要的時(shí)候，顯示所有車(chē)輛的近期路線(xiàn)圖;3)能夠將某一車(chē)輛的運行情況單獨顯示。

主監測系統的程序和車(chē)載系統程序類(lèi)似，主要的區別在于可以顯示車(chē)輛的近期路線(xiàn)圖。只需要添加一個(gè)“接受緩沖區”來(lái)存儲車(chē)輛近期位置信息即可。圖6為車(chē)載LabVIEW軟件界面顯示的一部分。其中，藍色、紅色、灰色三點(diǎn)為區域內其他車(chē)輛，綠色為本車(chē)近期行駛路線(xiàn)圖。本文的實(shí)驗在上海交通大學(xué)校園內進(jìn)行，為了方便實(shí)驗，取車(chē)載系統數量為4，在實(shí)際運用中，可以按照情況增加。

5 結束語(yǔ)

本系統采用了NI公司的LabVIEW作為主要的監控和顯示軟件，在車(chē)載軟件以及主監測軟件上均實(shí)現了對于區域內車(chē)輛位置信息的共享和監測。車(chē)載系統和主監測系統都只需操作一個(gè)界面就能夠實(shí)現定位數據的實(shí)時(shí)采集、處理、存儲和顯示。這使操作得到很大的簡(jiǎn)化。

文中所闡述的系統具有成本低，操作簡(jiǎn)便，自動(dòng)化程度高，擴展性和移植性強等特點(diǎn)。在此基礎上，今后可以對系統進(jìn)行進(jìn)一步改進(jìn)，使之更為實(shí)用。例如，在車(chē)輛上安裝報警器等，可通過(guò)本系統將警報傳輸至監控中心或者對區域內其他車(chē)輛發(fā)出預警信息?；蛘咴谲?chē)載LabVIEW程序上設計文字信息/語(yǔ)音信息的輸入，使得車(chē)輛可以直接與監控中心或區域內車(chē)輛進(jìn)行交流等等。此外，隨著(zhù)居民生活水平的提高，車(chē)輛的使用將更加頻繁，車(chē)輛之間的連接也顯得更為重要。開(kāi)車(chē)的時(shí)候不方便打電話(huà)或使用其他的交流工具，文中所提出的方法也可為這方面的研究提供一些參考。