洪文欣，孙 宁
（南京林业大学汽车与交通工程学院，南京 210037）
近年来交通运营车辆突发事故越发频繁且多样化，传统的针对运营车辆的监测系统只能在固定卡口或出车前后给予一定监测，但不能在驾驶全过程中给予全面监测，因灵活性的缺乏而难以满足复杂的交通需求。国内外研究者对此进行了大量的研究工作，如王巍教授等[1]对运营车辆监测系统的研究，虽在一定程度上改善了监测片面问题，提高了驾驶安全和救援效率，但仍不能实现较为理想的实时性，也不能自如应对未来智能交通下更为复杂的驾驶环境和突发事故。鉴于此，本研究尝试设计一款基于树莓派的运营车辆监测系统，运用监控和传感器[2]获取车辆运行状态、驾驶员行为信息以及道路情况。在对协同定位系统进行硬件电路设计的同时，还利用Visual Basic对系统软件工作界面进行设计[3]，在软件平台上清晰呈现驾驶员行为、车辆信息和道路情况等。通过分析数据信息，可方便对车辆安全性进行判断并预备紧急事故处理方案，提高车辆的安全性和救援的高效性。
整体设计概念如图1所示。软件以智能监测技术为核心，硬件运用树莓派处理器，完成对运营车辆的监测。系统引入“车联网”理念，将汽车上的无线连接网络与车载设备进行连接,通过实时信息与数据共享，感知并掌握驾驶员驾驶情况、车载设备情况以及周边驾驶环境的安全性与可靠性,以此实现危险警报和预警功能，保障驾驶行为的安全性，保障交通安全。
图1 系统设计原理图
通过高精度人脸识别技术对驾驶员进行身份校验，是保证驾驶规范性和安全性的前提，对驾驶员能力与状态进行评估考核也可同时进行。监测系统由车内实时监控、车辆数据信息、环境监测和路况查询四个部分构成。后台可以在驾驶全过程中清晰地获得各方面动态信息，针对不同情况进行及时调整。在环境监测系统中，通过气象监测设备和车流量检测设备将天气数据和路况信息传递给处理器，处理器分析数据发布预警，针对预警发布对应举措。系统可根据驾驶行为记录等数据生成驾驶员考核表，便于运营车辆所在公司对驾驶员进行合理聘用和个性化管理及培训，从而提高驾驶员的业务能力，提升运营车辆的安全性及服务质量。
系统硬件基于树莓派设计，主要包括：供电模块、主处理器模块、无线通信模块、驾驶监测模块、车速车距监测模块等。树莓派主处理器模块作为系统硬件设备的核心[4-5]，由供电模块等作为辅助，与处理器的串口连接，共同实现所设计功能。
3.1 供电模块
供电模块以太阳光为主要能量来源，其具体电路如图2所示。本供电模块采用XL4015芯片，设计了一个直流电8V到36V输入；
输出是恒定的5V和稳定的5A直流升压斩波电路。XL4015也是一款适用各种DC-DC高电压大电流需求的开关降压型产品,可实现1.25V至32V的可调输出，具有4A恒流输出电流能力，有出色的线路和负载调节功能，除此之外还内置了热关断、电流限制和输出短路保护等功能芯片。
图2 供电模块电路图
3.2 处理器模块
处理器模块采用树莓派[6]处理器，其作为一款微型电脑处理器，具备体积小、功能齐全、处理能力强等优点，可以将电脑与单片机I/O功能良好结合。电路图如图3所示。
图3 树莓派电路图
本设计中，处理器以BCM2835芯片为核心。串口通信通过原生串口转485实现，达到控制设备并读取仪器数据的功能。通过处理器对车辆的运行状态、路况以及道路规划分析处理，可高效实现实时监测，提高精准度。
3.3 无线通信模块
无线通信模块选用西门子公司的MC55。MC55芯片可以提高语音联络和数据传输功能在同一系统中的集成度，能较好满足本系统中远程信息交互的要求。无线通信模块电路如图4所示，其中，TXD0口用于接收从单片机传入的数据；
RXD0口用于向单片机输出数据[7]；
通过端口TXD0与TXD1之间、RXD0与RXD1之间的数据传输，能够实现主处理器和GPRS模块间的无线通信。
图4 无线通信模块
3.4 驾驶监测模块
驾驶监测模块以智能摄像头为基础设备，辅以定位监测，监控驾驶员行为、以及道路状况，最终实现道路和车辆信息在上位机管理系统的实时视频显示，满足交通管理的监测等需求，如图5所示。
图5 驾驶监测模块
实际设计中，选用CMOS FIFO摄像头；
AL422B作为视频帧存储器，结构为先进先出（FIFO），其接口较为简单。AL422B视频帧存储器的存储容量高达384×8 kbit[8]，能够存储1帧图像的完整信息，且工作频率达到50MHz，可以较好满足驾驶监测的监控要求[9]。
3.5 车速车距检测模块
车速车距检测模块采用CCD摄像头完成对道路信息数据的采集，如图6所示。
图6 车速车距检测模块电路图
CCD视频信号输出端经电容C1接至LM1881的视频信号输入引脚2，并将该视频信号接入转换口IOAO。视频信号经LM1881处理后，由CSO引脚输出分离后的行同步信号，接至SPCEO61A的外部中断IOB2引脚。当该引脚出现低电平时，产生外中断。通过在中断子程序中启动A/D转换，实现控制行的采集。将7脚输出奇偶场信号接至SPCEO61A的IOB6引脚，进而通过检测IOB6口的变化来控制现场信息采集。
利用Visual Basic对系统软件的工作界面进行设计，版本选用Visual Basic 6.0，搭建基于树莓派的运营车辆监测系统的界面。软件主界面如图7所示。主界面包括驾驶行为监测、驾驶员考核、设备检测、个性化设置、问题反馈、历史数据等按键，占击进入即可实现相应的功能。
图7 软件主界面
软件设计的核心在于驾驶全过程中对驾驶员、车辆、环境路况的实时监测，通过路基单元的监控设备、路况检测以及主处理器的数据分析处理，实现全方位动态监测。系统软件流程如图8所示，从中可见设置中提供了不同的用户权限，普通用户仅有软件界面信息的查看权，管理员享有手动调度、发送调度信息以及界面设置的权利。
图8 系统软件流程图
如图9所示为驾驶行为监测界面。驾驶员进入车辆必须经过高精度人脸识别进行身份校验，校验成功方能进行驾驶操作。本功能可有效保证驾驶的规范性，并实现实时存储驾驶员行车数据，以便对驾驶员进行考评。
图9 驾驶行为监测界面
监测系统由车内实时监控、车辆数据信息、环境监测和路况查询四个部分构成，界面如图10所示。后台程序可以在驾驶全过程中清晰地获得各方面状态信息，针对不同情况进行及时调整。本监测系统界面设有驾驶员实时监控图和包括速度、油量、信号的数据监控信息。管理员可通过点击环境监测、路况查询进入相应的功能界面。
图10 监测系统功能界面
单击环境监测，进入环境监测界面，如图11所示。在环境监测页面中，用户和管理员都可通过气象和车流量等信息检测设备，如运用GPS定位、传感器、卫星探测等技术获得包括天气、风力、路面结冰、路面积水等的环境信息，将天气数据和路况信息传递给处理器，处理器分析数据发布预警，提醒制定针对性应对举措[10]，及时、方便地辅助驾驶员进行安全出车、收车调整。
图11 环境监测功能界面
路况查询界面如图12所示。在其中，系统通过GPS定位、GIS地图和处理器结合的方式，实现对路况的实时动态监测。用户和管理员可查看当前车辆行驶及道路情况，方便对车辆安全性进行判断并预备紧急事故处理方案，提高车辆的安全性和救援的高效性。
图12 路况查询功能界面
最终，驾驶员考核界面如图13所示。在此处，系统将综合地考量驾驶员的日常职业道德、安全行车、工作质量、维修保养四个方面的表现，并自动生成考核成绩。这一功能便于运营车辆公司对驾驶员进行合理聘用和个性化管理及培训，从而提高驾驶员的业务能力，提升运营车辆的安全性。
图13 驾驶员考核界面
本系统基于树莓派主处理器，利用车辆与路基单元的信息采集，可实时动态地监测驾驶员、车辆和环境路况等信息。通过无线通讯，将数据传输给客户端和驾驶员，可以极为便利地完成对驾驶全过程的全方位监测。设计方案为适应不同的道路情况做了具体细致的考量，旨在提高运营车辆的规范性与安全性，同时结构简单、易于使用，具有一定实用价值。
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