基于i.MX6的智慧廣告一體機的應用設計

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(1.江南大學 物聯網工程學院，無錫 214122；2.杭州電子科技大學；3.江蘇矽望電子科技有限公司)

引 言

圖1 智慧公交車的俯視圖

近幾年，隨著“互聯網+”、“智慧城市”等概念的提出，全國各地刮起一陣智慧風[9]。而交通作為城市的命脈首當其沖，智慧交通、智慧公交的理念漸漸深入人心。然而何為智慧公交，卻并未形成一個統一的概念。一般來說，智慧公交指的是運用現代互聯網技術、大數據云平臺、GPS或BDS(北斗系統)、GIS等技術建立一種能夠使乘客感覺舒適、便捷、安全、精準、貼心的公共交通運輸系統[2]。傳統公共交通運輸系統存在候車時間長[1]、準點率差、服務態度差、車輛加減速迅猛、乘客滿意度低等問題[2]，為此，設計了一套集監控、定位、WIFI熱點、緊急情況視頻數據云上傳和廣告資訊內容自動下載等功能于一體的智慧公交車載終端——智慧廣告一體機。

1 智慧廣告一體機的架構

如圖1所示，這是一輛智慧公交車的俯視圖，其中安裝了6個喇叭、4個攝像頭、1臺廣告機和1臺報站顯示器。廣告機內部含有控制外圍設備的主板和生成WIFI路由功能的4G模組、路由模塊、GPS或北斗系統等。廣告機的主要功能是播放廣告以及政府的公告通知等信息。喇叭的主要功能是語音播放，包括廣告聲音和報站聲音的播放，一般兩者可以通過廣告機內部的硬件電路實現自動切換。

如圖2所示，4個攝像頭分別負責監控不同的區域，其中全景高清攝像頭可以將整輛車內乘客的一舉一動盡收眼底，從而對發生在公交車上的各類偷竊等不法行為產生有力的震懾作用。

行車記錄議攝像頭可以記錄車輛前方的交通狀況，其對發生交通事故后的責任認定具有極其重要的價值。前后門攝像頭主要負責記錄乘客上下車時的狀況，這為乘客投訴公交司機不文明的駕駛行為提供有力的證據。這些攝像頭記錄的視頻均可通過網線傳輸到主板上并存儲在存儲卡內。CPU內包含緊急情況的檢測與判斷算法，當檢測到發生緊急情況時，CPU會通知4G模組與路由模塊將這段時間內的視頻上傳到云端。

報站顯示器主要顯示車輛的到站情況、車輛調度中心發布的通知公告、基于GPS定位得到的距路口的距離以及信號燈狀態計算出的建議速度等。建議速度一般是主板CPU根據當前車輛的到站情況得到的基于GPS或北斗系統測算出車輛距路口的距離和路口信號燈的狀態(包括未來的信號燈變化)而計算出的當前車輛建議行駛速度。根據建議速度，車輛一般都能夠平穩地駛過路口而恰好避開紅燈，這不僅可以緩解交通擁堵問題，也可以減少因司機的頻繁加減速而帶來的安全隱患問題，同時還可以改善乘客的乘車感受。

3 硬件設計與實現

智慧公交最核心的部分在于廣告機內部的硬件電路，其內部構造如圖3(a)所示，外觀如圖3(b)所示。廣告機內部總共有7塊電路板，分別是主板、RF板、電源板、Audio板、I/O板、IR板和高壓條。

圖3 廣告機內部構造和外觀

(1)主板

主板是整個廣告機的核心(如圖4所示)，也是實現智慧公交的關鍵所在。上面焊有BGA封裝的CPU、DDR3(4片)和iNand(1片)，以及QFN封裝的PMIC(Power Management Integrated Circuits)等，這些構成了主板的最小系統。

此外，主板上還有WIFI模塊、TF卡座、DC-DC、Audio Decoding、LVDS和HDMI轉VGA等功能性電路。CPU選用的是飛思卡爾半導體公司(被恩智浦收購)研發的i.MX6系列處理器，其具有Cortex-A9內核，主頻高達1.2 GHz，控制著各種外圍設備并協調好各個模塊正常工作。

圖4 主板的正反面

(2)RF板

RF板(如圖5所示)上有路由模塊、4G模組、GPS/北斗模塊、USB Hub、SIM卡插槽和4個網口等主要功能模塊，其主要負責將網絡攝像頭拍攝到的視頻畫面傳輸給主板或者上傳到云端并將車輛位置報告給CPU。

圖5 RF板

(3)電源板

電源板主要是將車載電源24 V轉換成主板和其它功能板需要的穩定電源，一般為12 V。

(4)Audio板

Audio板主要負責將音頻信號進行功率放大，且完成廣告聲音與報站聲音之間的平穩切換。

(5)I/O板

I/O板是一塊將廣告機內部打通的轉接板。電源板電源、攝像頭電源的輸入、GPS及與報站器相關的參數輸出、喇叭音頻輸出、VGA擴展輸出，以及CAR_ACC檢測等信號的轉接均需要通過I/O板。

(6)IR板

IR板又稱紅外板，主要負責接收遙控發出的紅外信號以及指示燈顯示。

(7)高壓條

高壓條主要負責將12 V電壓升高到60 V以點亮顯示屏。

此外，機殼內還有一塊7.2 V的藍色可充電電池，其功能是在車載電源突然掉電的情況下負責主板供電，保證CPU不至于突然掉電。同時，為了省電會將顯示屏關閉，保存重要數據并上傳攝像頭采集到的視頻，完成這些功能后則會自動關機。

綜上所述，整個廣告機的硬件控制系統架構如圖6所示，各個功能模塊緊緊圍繞在CPU周圍，有條不紊地各司其職，共同完成智慧公交的整體功能。目前，該套系統已經成功應用于南京市江寧區東山公交公司的公交車，并取得了市民和市政府領導們的一致好評。

圖6 廣告機的硬件系統

4 軟件功能設計

如圖7所示，智慧廣告一體機軟件功能設計主要包括6個子系統，它們是多線并行運行的。廣告系統負責播放存儲在TF卡中的廣告視頻，當ACC斷電之后，會從云端下載更新廣告視頻。監控系統對4個攝像頭采集到的圖像進行處理，并分析判斷是否是緊急情況，若是則立即將圖像視頻上傳到云端，以防止丟失。感知系統指的是分布于公交車內部或者廣告一體機內部的各種傳感器，如溫度傳感器、PM2.5檢測傳感器、音頻采集傳感器等，其可將公交車內的各種環境數據上傳給CPU，CPU根據這些數據進行判斷，若有異常情況則作出相應的預警，通知遠程服務端或顯示在廣告一體機的顯示器上。報站系統集合了GPS定位技術，當定位到公交車快要到達站臺時，利用已知的公交路線GIS信息，CPU可以自動報站。當公交車離開站臺時，在獲知前方路口信號燈狀態信息的情況下，根據公交車到前方路口的距離，CPU經過計算可以給公交司機一個建議速度，使得公交車能夠平穩地通過前方路口。網絡系統集成了WIFI連接、路由熱點、GPRS聯網等功能，由3G/4G模組與SIM卡一起完成了GPRS上網功能，然后由路由器產生熱點，可以供公交車上的乘客免費使用。此外，公交車在進入車站后，可以自動連接車站內的WIFI，并下載更新廣告視頻。

圖7 智慧廣告一體機運行流程圖

充電系統在車載電源正常時可以給電池充電，在公交車意外斷電或公交進站停止運營時則由電池供電。電池供電時，顯示器將會被關閉以節約電池電量。如果只是公交進站熄火，那么智慧廣告一體機將自動下載更新廣告視頻。

5 運行狀況

該智慧廣告一體機已在南京、馬鞍山、棗莊等城市公交車上被使用，除首批次發現一個bug外，后續版本廣告一體機沒有再發現bug，也沒有出現任何故障，整體運行良好。經研究發現，首批次出現的bug是啟動電路中一個電阻阻值設置不合理導致的，目前該問題已被解決。

圖8所示為主板的VDD_5VA主電源，如果VDD_5VA工作不正常，主板CPU也就無法工作。

圖9為VDD_5VA的復位電路，當CAR_PWR_RST上電時，上電瞬間C307導通，Q52導通，CAR_PWR_ON高電平，Q32導通。5VA_EN低電平，VDD_5VA沒有使能，VDD_5VA也沒有5 V電壓輸出，CPU沒有電，不會啟動。當R432與C307組成的RC充電電路充滿電時，C307相當于開路，Q52處于關斷狀態，CAR_PWR_ON信號被拉低，Q32關斷，5VA_EN高電平，VDD_5VA被使能，VDD_5VA正常工作，后續相應電路就可以工作起來。

在首批次出現故障的PCB板子中，C307由于漏電流的存在，與R432進行分壓，R432上存在較大壓降，導致Q52的2引腳電壓與1引腳電壓差值大于Q52的開啟電壓，從而使得Q52導通，進而CAR_PWR_ON一直是高電平，最終使得VDD_5VA無法使能，主板CPU無法啟動，外觀表現為廣告一體機無法開機。

這種故障都是機器運行一段時間(幾周到幾個月不等)之后才出現的，說明這是C307的老化所致，更換新的C307之后，機器可以正常啟動開機。但是，這樣做并不能從根本上解決問題，為了避免這種故障再次出現，就要在正常情況下避免Q52處于導通的狀態，即Q52的2引腳電壓與1引腳電壓差值必須小于Q52的開啟電壓，也就是盡可能縮小Q52的2引腳與1引腳的電壓差值，減少R432上的壓降。

最終，我們的解決方案是在不影響其他時序電路的情況下，將R432的阻值由原先的220 kΩ更改為68 kΩ，后續運行中沒有再出現不開機的情況。

圖8 主板主電源VDD_5VA電路

圖9 主板VDD_5VA復位電路

結 語

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孟鵬濤(碩士研究生)，主要研究方向為控制理論與控制工程、嵌入式系統；吳薇(博導)，主要研究方向為嵌入式系統、車聯網與物聯網。