基于嵌入式技术的危险品移动车载监控终端系统

陈彩华，汤红军

(1.湖南广播电视大学， 湖南 长沙 410004;2.湖南工程职业技术学院计算机学院，湖南 长沙 410114)



·计算机软件理论、技术与应用·

基于嵌入式技术的危险品移动车载监控终端系统

陈彩华1，汤红军2

(1.湖南广播电视大学， 湖南 长沙 410004;2.湖南工程职业技术学院计算机学院，湖南 长沙 410114)

针对危险品物流特点，结合嵌入式技术和物联网技术设计一种车载终端智能监控系统。以Linux和S3C2410X为软硬件基础，通过GPS设备接口、CAN设备接口以及摄像头接口构成系统的数据采集模块，分别用来采集危险品移动车载终端的GPS地理位置信息、在途危险品的车载环境数据以及车内外的视频图像信息；通过GPRS和Internet无线通信链路实现与远程监控中心实时交互，从而达到对危险品车载终端实时监控的目的。本设计可为其他车载移动实时监控系统的设计提供参考。

危险品物流；车载监控系统；S3C2410X；GPRS；嵌入式技术；物联网技术

随着工业化进程的推进，危险品在生产生活中的应用越来越多，车辆运输作为危险品运输的重要途径，占整个危险品运输方式的70%以上[1]。为确保危险品运输车辆在运输途中的安全，将危险品运输车辆的事故发生率降到最低，本文综合应用嵌入式技术和物联网技术，在危险品运输车辆上构建一个完整的车载微环境监控系统，动态感知、采集危险品的各种状态，借助GPRS与Internet无线通信链路与远程监控中心实时交互，实现对危险品车载终端的实时监控。

1 危险品移动车载监控终端系统硬件设计

1.1 嵌入式主控制器

车载监控终端作为危险品物流监控平台的信息来源，主要负责危险品物流数据的采集、预处理、传输等工作，融合了RS、GPS、GIS、GPRS等技术。基于成本、功耗、性能、集成度等因素的考虑，本文选择处理能力强、功耗低的32位ARM微处理器S3C2410X作为移动车载终端系统的主控制器，同时扩充外围存储模块、网络通信终端、数据采集模块、电源管理模块以及其他外设接口等。整个移动车载终端的硬件结构如图1所示。

图1 移动车载终端硬件结构

S3C2410X微处理器使用ARM920T核，工作频率为203 MHz，带MMU先进体系结构，支持Linux、WinCE、EPOC32等嵌入式操作系统，集成了外部存储控制器、LCD控制器、PS2接口、4通道的UART、2个USB主机接口、117个通用I/O、24个外部中断、芯片内置PLL[2-3]。

危险品移动车载终端系统的ARM主控制器是嵌入式Linux操作系统的运算和控制核心。GPS设备接口、CAN设备接口以及摄像头接口构成系统的数据采集模块，分别用来采集危险品移动车载终端的GPS地理位置信息、在途危险品的车载环境数据以及车内外的视频图像信息。GPRS无线通信模块负责和远程监控中心之间的数据通信。S3C2410X通过UART0与UART1分别接GPS模块、GPRS模块，模块之间采用TTL串行通信。LCD模块用来实时显示移动车载终端的位置、危险品货物状态信息和监控中心传达的控制信息。

1.2 数据采集系统

数据采集系统主要负责危险品移动车载终端环境数据、视频数据、音频数据等的无线采集。系统分别采用SHTU温湿度传感器、MQ-2气体传感器、管道管壁传感器WNK120来采集车载终端的温度、湿度、气体浓度以及管壁压力。采集好的数据在经过处理、封装后通过Internet传送到危险品物流监控中心服务器。视频数据的实时传输需要综合应用3G无线通信技术、传感器技术、视频压缩技术、卫星定位技术等，数据采集系统的结构如图2所示。

图2 数据采集系统结构

系统采用低功耗、32位的Cortex M3系列MCU作为传感器数据处理模块，通过CAN总线获取温度、湿度、压力等传感器采集的危险品物流信息，数据经封装后通过UART上传。

系统在危险品移动车载终端配置4路CCD摄像头，视频处理模块选择ADI公司生产的ADV7180视频解码芯片[4]。ADV7180芯片内部集成的10位A/D转换器能将所采集的标准模拟视频信号转换成符合ITU-RBT.656标准的8位YCrCb4:2:2数字视频信号。数字视频信号通过串口保存到嵌入式主控制器的SDRAM中，驾驶员通过嵌入式主控制器的LCD可以实时查看车内危险品的情况以及车尾的路况。

GPS信息釆集模块主要负责危险品移动车载终端所在位置的经度、纬度、速度、运动方向等信息的采集，通过串行接口UART与主控制器建立连接。系统以字符设备驱动形式将GPS模块添加进内核，主控制器就可以按普通串口来访问，数据的读写格式遵循NMEA-0183标准协议。

2 危险品移动车载监控终端系统软件设计

2.1 系统软件结构

危险品移动车载监控终端系统软件设计的目的是实现本地视频监控、数据采集和无线网络传输功能。本文选用性能稳定、可靠性高、功能强大的嵌入Linux操作系统作为监控终端的系统软件[5]，实现GPS信息接收、GPRS网络数据发送、LCD显示、RFID射频识别、GUI界面操作以及Linux操作系统的编写等功能。系统软件的运行流程如图3所示。

图3 系统软件流程

2.2 视频图像采集设计

Linux系统为视频设备提供通用接口的是内核驱动V4L2，主要包括顶层的Video核心层和底层的slave设备，顶层为访问设备提供API接口，底层用来实现视频采集设备的具体硬件操作[6]。与V4L2的2层驱动结构对应，本文的视频图像采集模块包括V4L2核心驱动程序和ADV7180设备驱动程序。在设置好摄像头的参数后，整个视频采集程序的流程如图4所示。

2.3 危险品车载环境数据采集设计

危险品车载环境数据采集系统采用的是CAN总线，嵌入式主控制器利用CAN总线接收传感器采集的温度、湿度、压力、浓度等危险品车载环境数据。本文利用SocketCAN来实现Linux中的CAN协议。SocketCAN使用Berkely套接字和Linux网络协议，通过网络接口来访问CAN设备驱动[7]。系统将底层的CAN控制器注册为一个网络设备后，数据的收发就可以在CAN控制器与CAN协议族之间、用户空间与Socket层之间进行。CAN总线收发数据的流程如图5所示。

图4 视频图像采集流程

图5 CAN总线数据收流程图

2.4 无线通信协议设计

车载监控系统采集的危险品车载环境数据、危险品状态数据、车况视频图像数据以及GPS数据，经过嵌入式主控制器处理后，由无线通信模块发送到远程监控中心。本文选择SIMCOM公司的SIM5216芯片作为危险品车载终端的无线通信模块，采用GPRS传输方式。它是监控中心与移动车载终端之间信息传输的桥梁。在传输时，对危险品移动车载终端的环境数据和GPS位置信息，网络会自动按IP和TCP/UDP协议要求对其进行封装。为保证数据的安全性和可维护性，本系统在所选的TCP通信协议基础上，设计了危险品物流所特有的通信数据包格式，所设计的数据包表格如表1所示。系统以CRC校验作为通信数据的尾部，既能实现通信数据的灵活，又能提高数据传输的安全。

本文中的视频数据基于RTP协议进行传输，采集的视频数据经过X264编码后，通过RTP协议封装，由UDP打包成数据包进行传输，数据视频打包过程如图6所示。

表1 无线通信数据格式示例

图6 视频数据封装过程

3 结束语

本文以ARMS3C2410X为基础，通过扩展GPS、GPRS，以及数据采集模块，设计了一款集远程监控、本地监控功能于一体的危险品车载监控终端系统。它能够实时快速地采集在途危险品信息、车载环境状态，实现危险品物流过程中的车载信息的全程监控，解决了现有的危险品监控系统在数据采集、无线网络传输中的不足。由于系统硬件平台的低功耗特性，在实际应用中，可以根据需求动态更改数据采集设备，使系统拓展应用到其他车载移动实时监控领域。

[1]闫利勇,陈永光.危险化学品公路运输事故新特点及对策研究[J].中国安全生产科学技术,2010,6(4): 65.

[2]陈彩华,龙卫兵.基于ARM-3S的物流监控系统研究与设计[J].计算机测量与控制,2011,19(6): 1361.

[3]陈彩华,梅大成,刘彬. 基于ARM-Linux的矿井安全监控系统设计与实现[J]. 西华大学学报(自然科学版),2011,30(1):69.

[4]吴君钦,宋健,刘昊.基于S3C6410和ADV7180的嵌入式视频采集系统设计与实现[J].计算机工程与科学,2012,34(12): 115.

[5]李宁.ARM开发工具RealView MDK使用入门[M].北京:北京航空航天大学出版社，2008.

[6]于海彬，张雪，陈兴林.基于Linux的TW2835的驱动程序设计与实现[J].计算机工程与设计,2013,34(9):3068.

[7]谭海鹏.Linux SocketCAN在机车走形部监测装置中的应用[J].单片机与嵌入式系统应用，2013,13(7):68.

(编校：饶莉)

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

湖南省教育厅科学研究项目《基于3S技术的危险品物流监控平台构建及智能决策系统研究》(11C0352)

陈彩华(1973—)，女，副教授，硕士，主要研究方向为嵌入式系统。E-mail：cchlxy@126.com

TP277.2

A

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

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