基于S3C2440的公交車舒適性監控與評價系統*

張　凱,周　侃,陸　鈞

(南京信息工程大學信息與控制學院,南京 210044)

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基于S3C2440的公交車舒適性監控與評價系統*

張凱*,周侃,陸鈞

(南京信息工程大學信息與控制學院,南京 210044)

摘要:公交車舒適度可以反應公交車服務水平,有助于建立高品質公交線路。通過對比分析公交車運營中的各種環境參數與所載乘客的主觀感受,建立了公交車舒適度(OBC)評價模型,并設計了一套基于嵌入式的舒適度監控系統。系統采用S3C2440微處理器芯片,集成溫濕度傳感器、加速度傳感器、聲卡模塊,同時設計了基于Qt的人機交互界面。該系統能實時監測公交車運營狀態,在舒適度較低的時候向駕駛員發出警告,實驗表明,安裝該系統的公交車,舒適性有了較大幅度的提升。

關鍵詞:嵌入式系統;公交車舒適性;系統建模;Qt

隨著我國汽車工業的迅猛增長,其帶來的交通擁堵也日趨嚴重,提供高品質公交線路是吸引民眾選擇公交出行的重要方法,能有效減緩交通擁堵,實現公交優先戰略。近年來,以舒適性為主的公交車服務質量研究受到越來越多的重視[1],但研究多注重于單個因素對乘坐體驗的影響,并沒有對公交車舒適度做出系統的研究。在研究方法上也缺乏將主觀評價與客觀檢測進行有效的結合。因此,本系統采集了公交車運營時的一些環境指標,同時對乘客的主觀感受進行實際調查,分析了大量的樣本數據,提出了公交車舒適度的4個獨立影響因子:熱舒適度(TC)、噪聲(NOISE)、振動(VIBRATION)、縱向加速度變化率(J),再結合個體差異對整體舒適度的影響[2],建立了公交車舒適度評價模型[3],在此模型的基礎上,設計出一套公交車舒適度監控系統,本系統采用S3C2440微處理器芯片,集成溫濕度傳感器、加速度傳感器、聲卡模塊,并設計了基于Qt4.5.3的人機交互界面。該系統能實時監測公交車運營狀態,并將其量化顯示在觸摸屏上,同時在舒適度較低的時候向駕駛員發出警告。本系統不僅能高效的監控公交車駕駛員的駕駛行為,其更深遠的意義在于它能有效改善并規范駕駛行為,從而提升駕駛員業務素質,促進公交服務質量的整體提升。

1　客觀環境變量研究

根據對公交車乘客的調查,影響公交車舒適度的因素主要有熱舒適度、噪聲、振動以及公交車縱向加速度變化率。

在我們過往的研究中,已對上述4項指標計算的計算方法進行了詳細的闡述[4]。

基于PPD[5]的熱舒適度計算公式:PPD=100-95exp[-(0.3353PMV4+0.2719PMV2)]

(1)

基于A聲級的噪聲計算公式[6]:

(2)

式中:LA為t時刻的瞬時聲級;T為采樣時間。

應用噪聲煩惱度的百分比HA表示人們對噪聲級的評價

(3)

基于總乘坐值的振動計算公式:

(4)

式中:x為加權加速度值;Z(x)為振動評價。

縱向加速度變化率計算公式[7]:

J′=J-0.6

(5)

式中:J為縱向加速度變化率。

2　數據采集與分析

2.1主觀數據采集

為了全面調查客觀環境因素對公交車舒適度的作用規律以及個體差異對乘坐體驗的影響,在檢測公交車運營過程中客觀環境變量的同時,我們也對其運載的乘客展開社會調查,問卷采用五級衡量尺度,調查了乘客的年齡、性別、健康狀況以及本次乘坐(OBC(S))與最近乘坐的的(OBC(G))舒適度評價。

2.2客觀數據采集

圖1　系統結構圖

為了實現對上述4個變量的檢測,本文設計了基于嵌入式的數據采集與分析平臺,其系統結構如圖1所示。在數據采集系統中,主處理器為S3C2440,平臺基于Linux,內核版本號為2.6.22.6,根文件系統支持Qt,Qt版本號為4.5.3,并配有一塊3.5寸的觸摸屏ACX502BMU,可以實時顯示所采集到的數據。熱舒適度檢測使用溫濕度傳感器SHT10;噪聲檢測采用基于I2S總線的UDA1341TS;該芯片外接揚聲器,用于向駕駛員發出警報;垂直振動和縱向加速度檢測都采用數字傳感器ADXL345,下面對系統的核心芯片進行簡單的介紹。

SHT10包括一個電容式聚合體測濕元件和一個能隙式測溫元件,SHT10的工作電壓為2.4 V～5.5 V,本系統工作在3.3 V。SHT10的接口類似于I2C總線設計,但與I2C接口不兼容。本文為其編寫了一個簡單的驅動程序,其電路設計如圖2所示。

圖2　溫濕度傳感器電路圖

SHT10在溫度為25 ℃時測溫精度為±0.5 ℃,測濕精度為±4.5%,基本可以滿足本設計的需要。

ADXL345是一款小而薄的超低功耗3軸加速度計,分辨率高(13 bit),測量范圍達±16 g。數字輸出數據為16 bit二進制補碼格式。

ADXL345工作在I2C模式下的地址是由ALT ADDRESS引腳決定的,將ALT ADDRESS接地,選擇備用I2C地址0x53(隨后為R/W位)。這轉化為0xA6寫入,0xA7讀取。

圖3　加速度傳感器電路圖

UDA1341TS是一款音頻接口芯片,工作電壓為2.4 V～3.6 V,本系統工作在3.3 V下,該芯片支持I2S總線,在編譯內核的時候將I2S驅動編譯進內核,并相應修改配置文件mach-smdk2440.c,其接口電路如圖4所示。

圖4　音頻芯片電路圖

評價系統采用在線數據分析和離線參數整定的方式,即公交車上實時采集上述4個信號的值,然后對上述信號進行即時存儲,對于不方便實時采集的主觀數據,可采用手動輸入的方式。在所有數據準備好后,系統會根據后文中提出的舒適度模型計算當前時刻的公交車舒適度。所有數據都存儲在與S3C2440相連的512M NANDFLASH里。

2.3系統軟件設計

2.3.1軟件開發環境搭建

本系統采用Linux操作系統,Linux系統具有開源,內核可裁剪等特點,用戶可以根據自己的需求對內核進行裁剪并重新編譯。本文完成的主要工作有:第一,在前面所述的硬件平臺上構建最小嵌入式Linux系統,包括對UBOOT、內核、根文件系統的移植,在對內核進行移植的時候,將本系統所用到的溫濕度傳感器,加速度傳感器和聲卡模塊等相關的驅動編譯到內核中;第二,將Qt移植到本系統中,以及編寫相應的數據顯示程序。

系統開發環境:主機開發環境選擇Fedora 14操作系統,主機工具鏈gcc-4.6.3,交叉編譯工具鏈arm-linux-gcc-4.3.2,內核版本采用2.6.22.6內核。

2.3.2主程序設計

圖5　主程序流程圖

本系統主程序流程圖如圖5所示,系統初次啟動時,需要人為輸入公交車舒適度閾值與年齡、性別等主觀參數。在輸入的參數得到確認后,系統開始實時采集環境變量并計算公交車舒適度,若公交車舒適度低于我們設定的閾值,則向駕駛員發出警報。

2.3.3Qt 4.5.3安裝與移植

Qt是一個已經形成事實標準的C++框架,它被用于高性能的跨平臺軟件開發。除了擁有擴展的C++類庫以外,Qt還提供了許多可用來直接快速編寫應用程序的工具。下面對如何安裝與移植進行詳細的闡述。

(1)安裝觸摸屏包tslib-1.4.tar.gz。該包主要用于校正觸摸屏,并保存校正數據。解壓該包后執行如下命令:

./configure--prefix=/home/mytslib/--host=arm-linux ac_cv_func_malloc_0_nonnull=yes

make

make install

(2)編譯安裝qt-x11-4.5.3。qt-x11-4.5.3是運行在linux平臺下用于仿真QT應用程序的軟件,解壓后執行如下命令:

./configure

gmake

gmake install

(3)編譯安裝qt-embedded-linux-open

source-src-4.5.3.tar.gz。該包用于編譯可運行于開發板的linux程序:

cd/

mkdir mini2440

mkdir tslib

./configure-prefix/mini2440-release-shared-fast-pch-no-qt3support-qt-sql-sqlite-no-libtiff-no-libmng-qt-libjpeg-qt-zlib-qt-libpng-qt-freetype-no-openssl-nomake examples

./configure-nomake demos-nomake tools-optimized-qmake-no-phonon-no-nis-no-opengl-no-cups-no-xcursor-no-xfixes-no-xrandr-no-xrender-no-xkb-no-sm-no-xinerama-no-xshape-no-separate-debug-info

./configure-xplatform qws/linux-arm-g++-embedded arm-depths 16-no-qvfb-qt-gfx-linuxfb-no-gfx-qvfb-no-kbd-qvfb-no-mouse-qvfb-qt-kbd-usb-confirm-license-qt-mouse-tslib-I/home/mytslib/include-L/home/mytslib/lib

gmake

gmake install

(4)移植相關庫文件至開發板。將虛擬機中mini2440與tslib 2個文件夾拷貝至開發板根目錄中,并修改環境變量。

至此,Qt4.5.3便安裝與移植成功。

2.3.4數據顯示程序實現

編寫Qt4應用程序通常有2種做法,一是全部采用手寫代碼,在命令行下完成編譯和運行,二是在集成開發界面(IDE)編譯和運行程序并使用Qt Designer設計界面。其本質是一樣的,只是IDE簡化了操作。鑒于Qt Designer的超強便利性,我們使用它來輔助開發界面,在命令行調試行下編譯代碼。

Qt本質上是基于C++的,其開發界面也如出一轍,只需要在搭建好基本框架后設置信號/槽并設計布局。完成設計后,Qt Designer會生成一個OBC.ui文件,在命令行中執行uic-o OBC.h OBC.ui,將其轉化為頭文件的格式,該界面程序就可以供主程序使用了。

2.4數據分析與處理

整個樣本的乘客平均年齡值為27.94,圖6和圖7可以定性地描述各個變量與公交車車舒適性之間的關聯:

(1)大齡乘客的舒適性體驗要優于低齡人。

(2)健康人群擁有較高的舒適性體驗。

(3)女性相對于男性乘客有較高的舒適性體驗。

(4)熱舒適度,噪聲,振動,縱向加速度變化率對舒適性都有不同程度的影響。

為了定量的分析各個變量對舒適性體驗的影響,同時也為了建立舒適度計算模型,本文采用皮爾遜積矩相關系數描述各個變量與公交車舒適性之間的關聯度[8]。

(6)

其中r取值范圍為[-1,1],r>0表示正相關,r<0表示負相關,|r|表示了變量之間相關程度的高低。

從表1中可以發現年齡、性別、健康程度與公交車舒適度的關聯性較弱。噪聲,熱舒適度,加速度變化率與公交車舒適度的相關性較強。倘若將7個因子同時作為舒適度模型的輸入變量,由于3個弱相關因子的影響,擬合程度必然不高,但若剔除這3個因素,在一些特殊場合,比如小學、女子學校、醫院、途徑這些場所的公交車乘客大多年齡較小、性別單一、健康程度較差。如此我們的模型便不能適用。考慮模型的高適用性,我們將所有7個因子做為輸入,只要通過顯著性檢驗,我們就可以認為建立的回歸方程有效。

圖6　不同個體對公交車舒適度的影響

圖7　客觀環境變量對公交車舒適度的影響

線性回歸模型如式(6)所示:

(7)

表1　公交車舒適度與各變量的相關系數

注:N=725;**p<0.01;***p<0.001;男性定量為1,女性為0。

線性回歸模型假定回歸函數E(Y|X)是線性的,或假定線性模型是一個合理的近似,我們的目的是估計βj。

在SPSS中對整個樣本進行多元回歸分析,得出公交車舒適度的計算公式:

OBC(S)=0.214Age-6.41Gender+3.177Health-

0.612Noise-0.687TC-1.079Vibration-

94.213J′+163.174(R2=0.74)

(8)

修整后的確定系數R2為0.74,擬合度一般,對回歸結果進行顯著性檢驗,顯著性水平均小于0.05,可以認為所建立的回歸方程有效。

3　系統驗證

為評價系統的準確性,需對其進行檢驗評估。為此,我們在公交車上展開了第2次試驗,得到的結果如表2所示,OBC(C)表示根據我們的計算公式得出的舒適度,OBC(Q)為問卷調查得出的舒適度,1為安裝該系統的公交車,2為未安裝了本系統的公交車,N1,N2為樣本數。

表2　系統驗證

圖8為系統數據采集與評價界面,該界面基于Qt4.5.3。

本系統計算出的舒適度與問卷調查的結果相差無幾,這說明該評價系統的計算結果基本上符合乘客的主觀感受。同時,我們發現,即使是初次安裝本系統,公交車舒適度也有了接近20%的提升。

圖8　系統數據采集與評價界面

4　結束語

公交車舒適度是乘客服務質量要求中的重要方面,提高公交車舒適度對于提高客流量、改善公交環境、促進公交企業科學健康發展具有重要意義。本文通過提出公交車舒適度評價計算方法,設計了基于S3C2440的公交車舒適度的檢測與評價系統,并對南京市公交車展開調查分析,結果表明客觀檢測得到的系統評價結果與主觀調查結果比較接近,驗證了本評價系統的可行性。該系統對于公交車舒適度評價提供了一種較為科學的度量手段,有助于推動公交事業的發展。

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張凱(1965-),男,漢族,山東泰安人,南京信息工程大學信息與控制學院教授,碩士生導師,研究方向為智能交通,智能檢測,zkark@163.com;

周侃(1989-),男,漢族,江蘇鹽城人,南京信息工程大學信息與控制學院碩士研究生,研究方向為智能交通、數據挖掘、計算機應用,xzero72@126.com。

EvaluatingandMonitoringthePerformanceofBusServiceBasedonS3C2440*

ZHANGKai*,ZHOUKan,LUJun

(College of information and control,Nanjing university of information science and technology,Nanjing,210044)

Abstract:In order to improve the level of bus service,a field study was undertaken to develop a combined bus comfort model.By comparing the subjective views of bus passengers to objective physical parameters,a combined bus comfort model was established.An effective system integrated the comfort model,measuring instrument and the driver monitor could greatly improve the bus service quality.This system is combined of S3C2440,humidity and temperature sensor,digital accelerometer and audio CODEC.

Key words:embedded systems;bus comfort;model;Qt

doi:EEACC:721010.3969/j.issn.1005-9490.2014.04.031

中圖分類號:TP368.2

文獻標識碼:A

文章編號:1005-9490(2014)04-0728-05

收稿日期:2013-08-16修改日期:2013-09-03

項目來源:國家自然科學基金項目(71341029)