基于i.MX6的智慧广告一体机的应用设计

2018-01-15，

单片机与嵌入式系统应用 2018年1期

，

(1.江南大学物联网工程学院，无锡 214122；2.杭州电子科技大学；3.江苏矽望电子科技有限公司)

引言

图1 智慧公交车的俯视图

近几年，随着“互联网+”、“智慧城市”等概念的提出，全国各地刮起一阵智慧风[9]。而交通作为城市的命脉首当其冲，智慧交通、智慧公交的理念渐渐深入人心。然而何为智慧公交，却并未形成一个统一的概念。一般来说，智慧公交指的是运用现代互联网技术、大数据云平台、GPS或BDS(北斗系统)、GIS等技术建立一种能够使乘客感觉舒适、便捷、安全、精准、贴心的公共交通运输系统[2]。传统公共交通运输系统存在候车时间长[1]、准点率差、服务态度差、车辆加减速迅猛、乘客满意度低等问题[2]，为此，设计了一套集监控、定位、WIFI热点、紧急情况视频数据云上传和广告资讯内容自动下载等功能于一体的智慧公交车载终端——智慧广告一体机。

1 智慧广告一体机的架构

如图1所示，这是一辆智慧公交车的俯视图，其中安装了6个喇叭、4个摄像头、1台广告机和1台报站显示器。广告机内部含有控制外围设备的主板和生成WIFI路由功能的4G模组、路由模块、GPS或北斗系统等。广告机的主要功能是播放广告以及政府的公告通知等信息。喇叭的主要功能是语音播放，包括广告声音和报站声音的播放，一般两者可以通过广告机内部的硬件电路实现自动切换。

如图2所示，4个摄像头分别负责监控不同的区域，其中全景高清摄像头可以将整辆车内乘客的一举一动尽收眼底，从而对发生在公交车上的各类偷窃等不法行为产生有力的震慑作用。

行车记录议摄像头可以记录车辆前方的交通状况，其对发生交通事故后的责任认定具有极其重要的价值。前后门摄像头主要负责记录乘客上下车时的状况，这为乘客投诉公交司机不文明的驾驶行为提供有力的证据。这些摄像头记录的视频均可通过网线传输到主板上并存储在存储卡内。CPU内包含紧急情况的检测与判断算法，当检测到发生紧急情况时，CPU会通知4G模组与路由模块将这段时间内的视频上传到云端。

报站显示器主要显示车辆的到站情况、车辆调度中心发布的通知公告、基于GPS定位得到的距路口的距离以及信号灯状态计算出的建议速度等。建议速度一般是主板CPU根据当前车辆的到站情况得到的基于GPS或北斗系统测算出车辆距路口的距离和路口信号灯的状态(包括未来的信号灯变化)而计算出的当前车辆建议行驶速度。根据建议速度，车辆一般都能够平稳地驶过路口而恰好避开红灯，这不仅可以缓解交通拥堵问题，也可以减少因司机的频繁加减速而带来的安全隐患问题，同时还可以改善乘客的乘车感受。

3 硬件设计与实现

智慧公交最核心的部分在于广告机内部的硬件电路，其内部构造如图3(a)所示，外观如图3(b)所示。广告机内部总共有7块电路板，分别是主板、RF板、电源板、Audio板、I/O板、IR板和高压条。

图3 广告机内部构造和外观

(1)主板

主板是整个广告机的核心(如图4所示)，也是实现智慧公交的关键所在。上面焊有BGA封装的CPU、DDR3(4片)和iNand(1片)，以及QFN封装的PMIC(Power Management Integrated Circuits)等，这些构成了主板的最小系统。

此外，主板上还有WIFI模块、TF卡座、DC-DC、Audio Decoding、LVDS和HDMI转VGA等功能性电路。CPU选用的是飞思卡尔半导体公司(被恩智浦收购)研发的i.MX6系列处理器，其具有Cortex-A9内核，主频高达1.2 GHz，控制着各种外围设备并协调好各个模块正常工作。

图4 主板的正反面

(2)RF板

RF板(如图5所示)上有路由模块、4G模组、GPS/北斗模块、USB Hub、SIM卡插槽和4个网口等主要功能模块，其主要负责将网络摄像头拍摄到的视频画面传输给主板或者上传到云端并将车辆位置报告给CPU。

图5 RF板

(3)电源板

电源板主要是将车载电源24 V转换成主板和其它功能板需要的稳定电源，一般为12 V。

(4)Audio板

Audio板主要负责将音频信号进行功率放大，且完成广告声音与报站声音之间的平稳切换。

(5)I/O板

I/O板是一块将广告机内部打通的转接板。电源板电源、摄像头电源的输入、GPS及与报站器相关的参数输出、喇叭音频输出、VGA扩展输出，以及CAR_ACC检测等信号的转接均需要通过I/O板。

(6)IR板

IR板又称红外板，主要负责接收遥控发出的红外信号以及指示灯显示。

(7)高压条

高压条主要负责将12 V电压升高到60 V以点亮显示屏。

此外，机壳内还有一块7.2 V的蓝色可充电电池，其功能是在车载电源突然掉电的情况下负责主板供电，保证CPU不至于突然掉电。同时，为了省电会将显示屏关闭，保存重要数据并上传摄像头采集到的视频，完成这些功能后则会自动关机。

综上所述，整个广告机的硬件控制系统架构如图6所示，各个功能模块紧紧围绕在CPU周围，有条不紊地各司其职，共同完成智慧公交的整体功能。目前，该套系统已经成功应用于南京市江宁区东山公交公司的公交车，并取得了市民和市政府领导们的一致好评。

图6 广告机的硬件系统

4 软件功能设计

如图7所示，智慧广告一体机软件功能设计主要包括6个子系统，它们是多线并行运行的。广告系统负责播放存储在TF卡中的广告视频，当ACC断电之后，会从云端下载更新广告视频。监控系统对4个摄像头采集到的图像进行处理，并分析判断是否是紧急情况，若是则立即将图像视频上传到云端，以防止丢失。感知系统指的是分布于公交车内部或者广告一体机内部的各种传感器，如温度传感器、PM2.5检测传感器、音频采集传感器等，其可将公交车内的各种环境数据上传给CPU，CPU根据这些数据进行判断，若有异常情况则作出相应的预警，通知远程服务端或显示在广告一体机的显示器上。报站系统集合了GPS定位技术，当定位到公交车快要到达站台时，利用已知的公交路线GIS信息，CPU可以自动报站。当公交车离开站台时，在获知前方路口信号灯状态信息的情况下，根据公交车到前方路口的距离，CPU经过计算可以给公交司机一个建议速度，使得公交车能够平稳地通过前方路口。网络系统集成了WIFI连接、路由热点、GPRS联网等功能，由3G/4G模组与SIM卡一起完成了GPRS上网功能，然后由路由器产生热点，可以供公交车上的乘客免费使用。此外，公交车在进入车站后，可以自动连接车站内的WIFI，并下载更新广告视频。

图7 智慧广告一体机运行流程图

充电系统在车载电源正常时可以给电池充电，在公交车意外断电或公交进站停止运营时则由电池供电。电池供电时，显示器将会被关闭以节约电池电量。如果只是公交进站熄火，那么智慧广告一体机将自动下载更新广告视频。

5 运行状况

该智慧广告一体机已在南京、马鞍山、枣庄等城市公交车上被使用，除首批次发现一个bug外，后续版本广告一体机没有再发现bug，也没有出现任何故障，整体运行良好。经研究发现，首批次出现的bug是启动电路中一个电阻阻值设置不合理导致的，目前该问题已被解决。

图8所示为主板的VDD_5VA主电源，如果VDD_5VA工作不正常，主板CPU也就无法工作。

图9为VDD_5VA的复位电路，当CAR_PWR_RST上电时，上电瞬间C307导通，Q52导通，CAR_PWR_ON高电平，Q32导通。5VA_EN低电平，VDD_5VA没有使能，VDD_5VA也没有5 V电压输出，CPU没有电，不会启动。当R432与C307组成的RC充电电路充满电时，C307相当于开路，Q52处于关断状态，CAR_PWR_ON信号被拉低，Q32关断，5VA_EN高电平，VDD_5VA被使能，VDD_5VA正常工作，后续相应电路就可以工作起来。

在首批次出现故障的PCB板子中，C307由于漏电流的存在，与R432进行分压，R432上存在较大压降，导致Q52的2引脚电压与1引脚电压差值大于Q52的开启电压，从而使得Q52导通，进而CAR_PWR_ON一直是高电平，最终使得VDD_5VA无法使能，主板CPU无法启动，外观表现为广告一体机无法开机。

这种故障都是机器运行一段时间(几周到几个月不等)之后才出现的，说明这是C307的老化所致，更换新的C307之后，机器可以正常启动开机。但是，这样做并不能从根本上解决问题，为了避免这种故障再次出现，就要在正常情况下避免Q52处于导通的状态，即Q52的2引脚电压与1引脚电压差值必须小于Q52的开启电压，也就是尽可能缩小Q52的2引脚与1引脚的电压差值，减少R432上的压降。

最终，我们的解决方案是在不影响其他时序电路的情况下，将R432的阻值由原先的220 kΩ更改为68 kΩ，后续运行中没有再出现不开机的情况。