GPS和3G在智能公交終端設計中運用

隨著(zhù)經(jīng)濟的發(fā)展，城市公交事業(yè)有了迅猛的發(fā)展，主要表現在：車(chē)輛變靚，站點(diǎn)增加，營(yíng)運時(shí)間延長(cháng)，線(xiàn)路增多，市民出行時(shí)已感到這種可喜的變化。但隨著(zhù)生活節奏的加快，對生活品質(zhì)要求的提高，乘客們早已不能滿(mǎn)足于現有的服務(wù)質(zhì)量。乘客的服務(wù)要求不僅體現在乘車(chē)過(guò)程中，還體現在乘車(chē)前后；不僅需要有車(chē)乘，而且需要乘好車(chē)、好乘車(chē)。這些多層次、多元化的需求都是傳統運營(yíng)模式、調度方式所無(wú)法做到的，只有智能公交系統的實(shí)施才能夠從根本上解決這些問(wèn)題。智能公交系統的實(shí)施，不僅可以給乘客帶來(lái)巨大的利益，提升城市形象，還以為公交企業(yè)節約大量經(jīng)營(yíng)成本，提高科學(xué)管理水平。因此智能公交系統的建設著(zhù)重大的社會(huì )效益和經(jīng)濟效益。

　　智能公交系統由以下幾部分組成：

　　1）車(chē)載設備子系統，簡(jiǎn)稱(chēng)“車(chē)載終端”;

　　2）車(chē)站智能電子站牌子系統；

　　3）公交管理系統。

　　文中主要以車(chē)載設備子系統--車(chē)載終端為研究對象展開(kāi)論述。

　　1 系統整體方案設計

　　文中研究的是一種基于GPS和3G的智能公交終端，簡(jiǎn)而言之就是研究車(chē)體部分車(chē)載終端設備。本文的研究主要分3大部分：視頻監控部分；GPS定位部分；通過(guò)現有3G網(wǎng)絡(luò )傳輸部分。

　　視頻監控部分，主要是在車(chē)廂外部設置2個(gè)攝像頭，車(chē)廂內部設置4個(gè)攝像頭。車(chē)廂外部在車(chē)的前后各設置一個(gè)攝像頭，用來(lái)監控車(chē)體的前后車(chē)況，為交通意外發(fā)生后的責任判定提供有力證據。車(chē)廂內部在司機處設置1個(gè)攝像頭，用來(lái)監控司機是否有打電話(huà)，閑聊等違規操作；在票箱處設置1個(gè)攝像頭，用來(lái)監控偷票漏票現象；在車(chē)體中間設置1個(gè)攝像頭，用來(lái)防止乘客碰瓷索賠，車(chē)內偷盜等，減少公交車(chē)上的犯罪率。下客門(mén)設置1個(gè)攝像頭，用來(lái)觀(guān)看乘客下車(chē)情況，乘客是否全都下車(chē)，是否有乘客從后門(mén)上車(chē)等逃票現象。

　　GPS定位部分，實(shí)現完善的導航功能。通過(guò)GPS全球定位系統確定公交車(chē)所在位置信息，把公交車(chē)所在的位置，路況信息可以實(shí)時(shí)的傳送到PC機監控端，這樣對車(chē)輛的調度起到關(guān)鍵的作用。

　　3G網(wǎng)絡(luò )傳輸部分，近年來(lái)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，本系統就是通過(guò)3C網(wǎng)絡(luò )將公交車(chē)上采集到的視頻信息和CPS信息傳輸到控制端，實(shí)現公交車(chē)運行時(shí)的全程監控。系統整體設計方案如圖1所示。

圖1 系統總體設計框圖

　　2 系統硬件設計

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

圖2 硬件系統設計框圖
2.1 主控芯片的選擇

　　本系統設計的監控終端要求多路傳輸，實(shí)時(shí)性強，低功耗等特點(diǎn)。因此本系統的主控芯片選擇了內核為ARM920T的ARM9處理器。由于S3C2440芯片應用比較廣泛，片內資源豐富，資料齊全，價(jià)格適中，所以選擇它作為系統的微處理器。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533 MHz，滿(mǎn)足了舉系統對處理速度的要求，同時(shí)該處理器還集成了豐富的通信接口和控制器，有效地降低了系統的復雜度，為系統開(kāi)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(dòng)態(tài)視頻形式的監控方式。選用的是網(wǎng)眼V2000攝像頭，其圖像傳感器和數字信號處理芯片為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。網(wǎng)眼V2000攝像頭通過(guò)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)設置和讀取圖像數據。

　　ov511是攝像頭的主控芯片，其片內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。

　　2.3 GPS模塊的選型與連接

　　本系統的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。在本系統中，GR-87模塊通過(guò)6PIN排線(xiàn)與主板相連，1腳為電源輸入腳，接5 V電源，2、3腳為GPS模塊的數據接收和發(fā)送，5腳接地。工作時(shí)，GPS模塊串口2與主控制器S3C2440進(jìn)行通信，通過(guò)設置模塊定時(shí)輸出GPS定位數據，由主控制器對GPS數據進(jìn)行處理，提取出經(jīng)緯度，時(shí)間等有用信息，為自動(dòng)報站及正點(diǎn)考核提供可靠數據，保證報站及正點(diǎn)考核功能的實(shí)現。

　　2.4 3G模塊的選型與連接

　　根據無(wú)線(xiàn)接口技術(shù)的不同，現有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(dòng)的TD-SCDMA技術(shù)?？紤]到傳輸帶寬、網(wǎng)絡(luò )穩定性、實(shí)用性等因素，本系統采用電信CDMA2000作為無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )傳輸，采用中興公司的MC8630模塊作為視頻數據傳輸模塊。MC8630模塊具有語(yǔ)音、短信、數據業(yè)務(wù)和GPS等功能，工作頻段為800MHz，通過(guò)雙天線(xiàn)接收分集技術(shù)和均衡技術(shù)，上行速率最高可達3.1 Mbit/s下行速率最高可達3.1 Mbit/s.可以通過(guò)USB接口將MC8630模塊連接到MIN2440（S3C2440為主芯片的開(kāi)發(fā)板）處理器上，實(shí)現封裝后的視頻數據傳輸。

　　3 系統軟件設計

　　目前常見(jiàn)的嵌入式操作系統主要有WinCE、Linux、Vxworks等幾種。其中Linux操作系統的源碼完全開(kāi)放。由于其自身具有高效穩定、網(wǎng)絡(luò )資源豐富、內核小、執行速度快，可移植性好等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應用于嵌入式系統領(lǐng)域。所以，選擇嵌入式Linux操作系統作為本系統的軟件開(kāi)發(fā)平臺。

　　在軟件設計方面，首先需要在單片機和PC機之間建立交叉編譯環(huán)境，用來(lái)編譯引導程序和Linux內核。然后完成引導程序Bootloa der的移植；配置和編譯Linux內核；制作根文件系統以及底層驅動(dòng)程序。最后，通過(guò)編寫(xiě)上層應用程序完成圖像采集、GPS信息采集、3G傳輸等功能。下面幾節詳細的介紹了幾個(gè)主要程序的設計思想。

　　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內核自帶ov511驅動(dòng)，所以不用再自己編寫(xiě)攝像頭的驅動(dòng)程序，只需在定制內核的時(shí)候選中即可。為開(kāi)發(fā)節省了時(shí)間。

　　當Linux系統正常啟動(dòng)后，插上V2000攝像頭，如果成功加載驅動(dòng)，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(guò)此設備文件訪(fǎng)問(wèn)攝像頭，實(shí)現拍攝圖像的功能。嵌入式系統平臺已搭建成功，要實(shí)現實(shí)時(shí)地獲取圖像，就需要利用V4L（Vidio For Linux）編程接口實(shí)現圖像采集程序了?？紤]到攝像頭采集的640x480的RGB圖像數據量較大，這里用圖像壓縮函數put_image_jpeg將圖像轉化為JPEG格式，這樣存儲時(shí)就減少了占用的NandFlash空間，同時(shí)通過(guò)3G網(wǎng)絡(luò )回傳監控中心時(shí)，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HOLUX的GR-87模塊輸出數據格式符合NMEA.183標準。NMEA.0183協(xié)議是由美國國家海洋電子協(xié)會(huì )制定的一種串行通信的數據協(xié)議，所有輸入輸出信息均為一行ASCII字符。它的一條消息稱(chēng)為語(yǔ)句（Sentence），每條語(yǔ)句都以“$”開(kāi)始，以回車(chē)換行符（《CR》《LF》）結束，中間是用逗號分隔的若干個(gè)域。
由于此GPS模塊設置信息掉電丟失，在每次系統啟動(dòng)時(shí)均要對該GPS模塊進(jìn)行初始化。將模塊設置成每秒鐘輸出一次GPS信息。系統啟動(dòng)后，模塊接收GPS信息，然后解析出GPS信息，根據解析出來(lái)的經(jīng)緯度信息與數據區中存儲的站點(diǎn)信息比較，計算出實(shí)際距離。如果距離到達閥值時(shí)，啟動(dòng)GPS報站中斷。該GPS模塊接收模塊遵循NMEA.0183協(xié)議，可以輸出多種格式的數據幀，均以“MYM”開(kāi)頭。輸出數據采用的是ASCII碼字符，內容包含了緯度、經(jīng)度、速度、日期、航向及衛星狀況等信息。該系統所使用的僅限于$GPRMC定位數據幀格式。系統啟動(dòng)后，通過(guò)串口對GPS模塊進(jìn)行設置，由于系統對實(shí)時(shí)性要求不高，將GPS設置為每秒鐘輸出一次RMC數據。提取GPRMC語(yǔ)句的思路是設置一個(gè)數據緩沖區，把接收到的GPS數據都放入這個(gè)緩沖區，當緩沖區滿(mǎn)了的時(shí)侯就在緩沖區中查找是否接受到GPRMC定位語(yǔ)句，如果沒(méi)有接收到則重新接GPS數據。如果找到GPRMC定位語(yǔ)句則還要判斷該語(yǔ)句在緩沖區中的位置離緩沖區的最大字節數是否大于62個(gè)字節（因為本程序中需要的GPRMC定位語(yǔ)句所包含的字節數為62），然后通過(guò)多程序提取相關(guān)經(jīng)緯度、時(shí)間和速度等信息并通過(guò)數據處理線(xiàn)程進(jìn)行相關(guān)處理。運行過(guò)程如圖3所示。

圖3 GPS模塊運行過(guò)程

　　3.3 3G模塊解析程序

　　MC8630模塊驅動(dòng)可以通過(guò)驅動(dòng)源碼交叉編譯生成。MC8630模塊的加載和撥號連接的過(guò)MC8630模塊驅動(dòng)可以通過(guò)驅動(dòng)源碼交叉編譯生成。MC8630模塊的加載和撥號連接的過(guò)程如下：

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

　　2）修改驅動(dòng)源碼Makefde文件，包括添加內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(gè)設備節點(diǎn)/dev/ttyUSB0-ttyUSB3;

　　5）mknod/dev/ttyUSB0 c 188 0，創(chuàng )建設備節點(diǎn)；

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

　　7）添加內核選項，編譯支持PPP協(xié)議的內核；

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

　　9）ppp-off中斷連接。

　　4 結束語(yǔ)

　　本系統設計的智能公交終端采用先進(jìn)的3G/GPS技術(shù)，通過(guò)對公交車(chē)輛運行時(shí)的信息的采集、傳輸和處理，實(shí)現了對公交運營(yíng)車(chē)輛的實(shí)時(shí)監控和調度，迅速調整公交車(chē)輛的運行狀況，提高車(chē)輛工作的效率，使公交資源實(shí)現最佳利用和分配，達到公交的智能化。