基于樹莓派的運營車輛監測系統*

洪文欣，孫 寧

（南京林業大學汽車與交通工程學院，南京 210037）

1 引言

近年來交通運營車輛突發事故越發頻繁且多樣化，傳統的針對運營車輛的監測系統只能在固定卡口或出車前后給予一定監測，但不能在駕駛全過程中給予全面監測，因靈活性的缺乏而難以滿足復雜的交通需求。國內外研究者對此進行了大量的研究工作，如王巍教授等[1]對運營車輛監測系統的研究，雖在一定程度上改善了監測片面問題，提高了駕駛安全和救援效率，但仍不能實現較為理想的實時性，也不能自如應對未來智能交通下更為復雜的駕駛環境和突發事故。鑒于此，本研究嘗試設計一款基于樹莓派的運營車輛監測系統，運用監控和傳感器[2]獲取車輛運行狀態、駕駛員行為信息以及道路情況。在對協同定位系統進行硬件電路設計的同時，還利用Visual Basic對系統軟件工作界面進行設計[3]，在軟件平臺上清晰呈現駕駛員行為、車輛信息和道路情況等。通過分析數據信息，可方便對車輛安全性進行判斷并預備緊急事故處理方案，提高車輛的安全性和救援的高效性。

2 系統整體設計考慮

整體設計概念如圖1所示。軟件以智能監測技術為核心，硬件運用樹莓派處理器，完成對運營車輛的監測。系統引入“車聯網”理念，將汽車上的無線連接網絡與車載設備進行連接,通過實時信息與數據共享，感知并掌握駕駛員駕駛情況、車載設備情況以及周邊駕駛環境的安全性與可靠性,以此實現危險警報和預警功能，保障駕駛行為的安全性，保障交通安全。

圖1 系統設計原理圖

通過高精度人臉識別技術對駕駛員進行身份校驗，是保證駕駛規范性和安全性的前提，對駕駛員能力與狀態進行評估考核也可同時進行。監測系統由車內實時監控、車輛數據信息、環境監測和路況查詢四個部分構成。后臺可以在駕駛全過程中清晰地獲得各方面動態信息，針對不同情況進行及時調整。在環境監測系統中，通過氣象監測設備和車流量檢測設備將天氣數據和路況信息傳遞給處理器，處理器分析數據發布預警，針對預警發布對應舉措。系統可根據駕駛行為記錄等數據生成駕駛員考核表，便于運營車輛所在公司對駕駛員進行合理聘用和個性化管理及培訓，從而提高駕駛員的業務能力，提升運營車輛的安全性及服務質量。

3 硬件電路設計

系統硬件基于樹莓派設計，主要包括：供電模塊、主處理器模塊、無線通信模塊、駕駛監測模塊、車速車距監測模塊等。樹莓派主處理器模塊作為系統硬件設備的核心[4-5]，由供電模塊等作為輔助，與處理器的串口連接，共同實現所設計功能。

3.1 供電模塊

供電模塊以太陽光為主要能量來源，其具體電路如圖2所示。本供電模塊采用XL4015芯片，設計了一個直流電8V到36V輸入；輸出是恒定的5V和穩定的5A直流升壓斬波電路。XL4015也是一款適用各種DC-DC高電壓大電流需求的開關降壓型產品,可實現1.25V至32V的可調輸出，具有4A恒流輸出電流能力，有出色的線路和負載調節功能，除此之外還內置了熱關斷、電流限制和輸出短路保護等功能芯片。

圖2 供電模塊電路圖

3.2 處理器模塊

處理器模塊采用樹莓派[6]處理器，其作為一款微型電腦處理器，具備體積小、功能齊全、處理能力強等優點，可以將電腦與單片機I/O功能良好結合。電路圖如圖3所示。

圖3 樹莓派電路圖

本設計中，處理器以BCM2835芯片為核心。串口通信通過原生串口轉485實現，達到控制設備并讀取儀器數據的功能。通過處理器對車輛的運行狀態、路況以及道路規劃分析處理，可高效實現實時監測，提高精準度。

3.3 無線通信模塊

無線通信模塊選用西門子公司的MC55。MC55芯片可以提高語音聯絡和數據傳輸功能在同一系統中的集成度，能較好滿足本系統中遠程信息交互的要求。無線通信模塊電路如圖4所示，其中，TXD0口用于接收從單片機傳入的數據；RXD0口用于向單片機輸出數據[7]；通過端口TXD0與TXD1之間、RXD0與RXD1之間的數據傳輸，能夠實現主處理器和GPRS模塊間的無線通信。

圖4 無線通信模塊

3.4 駕駛監測模塊

駕駛監測模塊以智能攝像頭為基礎設備，輔以定位監測，監控駕駛員行為、以及道路狀況，最終實現道路和車輛信息在上位機管理系統的實時視頻顯示，滿足交通管理的監測等需求，如圖5所示。

圖5 駕駛監測模塊

實際設計中，選用CMOS FIFO攝像頭；AL422B作為視頻幀存儲器，結構為先進先出（FIFO），其接口較為簡單。AL422B視頻幀存儲器的存儲容量高達384×8 kbit[8]，能夠存儲1幀圖像的完整信息，且工作頻率達到50MHz，可以較好滿足駕駛監測的監控要求[9]。

3.5 車速車距檢測模塊

車速車距檢測模塊采用CCD攝像頭完成對道路信息數據的采集，如圖6所示。

圖6 車速車距檢測模塊電路圖

CCD視頻信號輸出端經電容C1接至LM1881的視頻信號輸入引腳2，并將該視頻信號接入轉換口IOAO。視頻信號經LM1881處理后，由CSO引腳輸出分離后的行同步信號，接至SPCEO61A的外部中斷IOB2引腳。當該引腳出現低電平時，產生外中斷。通過在中斷子程序中啟動A/D轉換，實現控制行的采集。將7腳輸出奇偶場信號接至SPCEO61A的IOB6引腳，進而通過檢測IOB6口的變化來控制現場信息采集。

4 系統軟件設計

利用Visual Basic對系統軟件的工作界面進行設計，版本選用Visual Basic 6.0，搭建基于樹莓派的運營車輛監測系統的界面。軟件主界面如圖7所示。主界面包括駕駛行為監測、駕駛員考核、設備檢測、個性化設置、問題反饋、歷史數據等按鍵，占擊進入即可實現相應的功能。

圖7 軟件主界面

軟件設計的核心在于駕駛全過程中對駕駛員、車輛、環境路況的實時監測，通過路基單元的監控設備、路況檢測以及主處理器的數據分析處理，實現全方位動態監測。系統軟件流程如圖8所示，從中可見設置中提供了不同的用戶權限，普通用戶僅有軟件界面信息的查看權，管理員享有手動調度、發送調度信息以及界面設置的權利。

圖8 系統軟件流程圖

如圖9所示為駕駛行為監測界面。駕駛員進入車輛必須經過高精度人臉識別進行身份校驗，校驗成功方能進行駕駛操作。本功能可有效保證駕駛的規范性，并實現實時存儲駕駛員行車數據，以便對駕駛員進行考評。

圖9 駕駛行為監測界面

監測系統由車內實時監控、車輛數據信息、環境監測和路況查詢四個部分構成，界面如圖10所示。后臺程序可以在駕駛全過程中清晰地獲得各方面狀態信息，針對不同情況進行及時調整。本監測系統界面設有駕駛員實時監控圖和包括速度、油量、信號的數據監控信息。管理員可通過點擊環境監測、路況查詢進入相應的功能界面。

圖10 監測系統功能界面

單擊環境監測，進入環境監測界面，如圖11所示。在環境監測頁面中，用戶和管理員都可通過氣象和車流量等信息檢測設備，如運用GPS定位、傳感器、衛星探測等技術獲得包括天氣、風力、路面結冰、路面積水等的環境信息，將天氣數據和路況信息傳遞給處理器，處理器分析數據發布預警，提醒制定針對性應對舉措[10]，及時、方便地輔助駕駛員進行安全出車、收車調整。

圖11 環境監測功能界面

路況查詢界面如圖12所示。在其中，系統通過GPS定位、GIS地圖和處理器結合的方式，實現對路況的實時動態監測。用戶和管理員可查看當前車輛行駛及道路情況，方便對車輛安全性進行判斷并預備緊急事故處理方案，提高車輛的安全性和救援的高效性。

圖12 路況查詢功能界面

最終，駕駛員考核界面如圖13所示。在此處，系統將綜合地考量駕駛員的日常職業道德、安全行車、工作質量、維修保養四個方面的表現，并自動生成考核成績。這一功能便于運營車輛公司對駕駛員進行合理聘用和個性化管理及培訓，從而提高駕駛員的業務能力，提升運營車輛的安全性。

圖13 駕駛員考核界面

5 結束語

本系統基于樹莓派主處理器，利用車輛與路基單元的信息采集，可實時動態地監測駕駛員、車輛和環境路況等信息。通過無線通訊，將數據傳輸給客戶端和駕駛員，可以極為便利地完成對駕駛全過程的全方位監測。設計方案為適應不同的道路情況做了具體細致的考量，旨在提高運營車輛的規范性與安全性，同時結構簡單、易于使用，具有一定實用價值。