基于4G移動通信的實時車輛監(jiān)控管理系統(tǒng)

北京大學 北京 100871

引言

“互聯(lián)網(wǎng)+”是最近的一個熱點詞匯，簡言之，“互聯(lián)網(wǎng)+”就是應用移動互聯(lián)網(wǎng)絡的新興實踐成果，推動經(jīng)濟形態(tài)不斷發(fā)生演變而形成新的生產(chǎn)力，從而帶動社會經(jīng)濟實體的生命力，為改革、創(chuàng)新、發(fā)展提供廣闊的網(wǎng)絡平臺。使用移動互聯(lián)網(wǎng)技術變革傳統(tǒng)行業(yè)，就是利用信息通信技術以及互聯(lián)網(wǎng)平臺讓移動互聯(lián)技術與傳統(tǒng)行業(yè)進行深度融合，創(chuàng)造新的發(fā)展生態(tài)。這樣既可以充分發(fā)揮移動互聯(lián)技術在社會資源配置中的優(yōu)化和集成作用，將信息通信技術的創(chuàng)新成果深度融合于經(jīng)濟、社會各領域之中，提升全社會的創(chuàng)新力和生產(chǎn)力，又能夠形成更廣泛的以移動互聯(lián)為基礎設施和實現(xiàn)工具的經(jīng)濟發(fā)展新形態(tài)[1-2]。

考慮到在傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)中經(jīng)常出現(xiàn)產(chǎn)品售出后廠家管理缺失，后期維護成本高昂、低效，我們希望可以依托4G蜂窩移動通信技術，為企業(yè)開發(fā)并實現(xiàn)可用于工業(yè)控制、消防、物流、安防，并能快速處理大量數(shù)據(jù)的遠程監(jiān)控管理系統(tǒng)。正是基于這樣的考慮，我們提出了一套基于4G蜂窩移動技術的遠程管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以實現(xiàn)遠程監(jiān)控設備狀態(tài)(包括傳感器數(shù)據(jù)、地理位置信息、現(xiàn)場音視頻)、管理更改設備參數(shù)、發(fā)送指導信息等功能。在實際應用中，可以將嵌入式設備安裝于待監(jiān)控前端，設備通過4G蜂窩移動通信網(wǎng)絡連接服務器，向其傳輸視音頻、傳感器數(shù)據(jù)、地理位置，并本地保存采集的視音頻?？蛻舳诉B接服務器并通過它向設備發(fā)送遠程管理命令、實時接收設備數(shù)據(jù)。服務器除起到嵌入式設備與客戶端之間的橋梁作用外，還保存設備數(shù)據(jù)至數(shù)據(jù)庫。此外，還有一個基于YII框架的B/S結構Web服務器作為PC客戶端的補充，管理人員可隨時隨地通過瀏覽器訪問網(wǎng)站查看設備歷史數(shù)據(jù)及分析。

本系統(tǒng)主要包括嵌入式前端設備、服務器和客戶端三個部分。系統(tǒng)框圖如圖1所示。待監(jiān)控前端內(nèi)嵌一個基于海思Hi3520處理器的嵌入式采集設備，該設備配備有多個傳感器采集單元、4G上網(wǎng)單元、GPS/北斗定位單元等。嵌入式采集設備將采集到的視頻、傳感器數(shù)據(jù)和地理位置通過4G移動通信網(wǎng)絡傳輸?shù)椒掌?。服務器統(tǒng)一管理各設備，根據(jù)一定優(yōu)先級轉發(fā)數(shù)據(jù)至客戶端，并存儲數(shù)據(jù)至本地數(shù)據(jù)庫?？蛻舳私邮盏椒掌鬓D發(fā)過來的數(shù)據(jù)后，將其通過視頻播放器、動態(tài)圖表、地圖等方式顯示，且客戶端可通過服務器向嵌入式設備發(fā)送設備參數(shù)更改及指導信息。該系統(tǒng)服務器上同時搭建了一個Web數(shù)據(jù)查詢網(wǎng)站，方便用戶隨時隨地通過任意瀏覽器查看設備歷史傳感器和地理位置數(shù)據(jù)。

圖1 系統(tǒng)框圖

本系統(tǒng)與其他同類應用相比，具有幾方面的優(yōu)點。1)數(shù)據(jù)傳輸速度快且穩(wěn)定；2)軟件功能豐富；3)不受地理位置限制；4)系統(tǒng)擴展性高；5)界面簡潔，操作簡單，易上手。

1 硬件系統(tǒng)設計

海思Hi3520是一款基于ARM11處理器內(nèi)核以及視頻硬件加速引擎的高性能通信媒體處理器。它提供H.264和MJPEG多協(xié)議編解碼，有豐富的視音頻輸入輸出接口，分辨率高，支持Linux等開放操作系統(tǒng)，故我們選擇其作為主處理器。為實現(xiàn)視音頻采集、傳感器采集、地理位置數(shù)據(jù)采集、鍵盤操作、屏幕顯示、4G上網(wǎng)等功能，我們?yōu)槠渑渲昧硕鄠€外設，總體硬件框圖如圖2所示。

圖2 硬件系統(tǒng)框架

1.1 視頻采集模塊

視頻接口技術經(jīng)歷了從CVBS、S-VIDEO、VGA、DVI到HDMI五代。CVBS叫做復合視頻廣播信號，也叫做基帶視頻或RCA視頻，是(美國)國家電視標準委員會(NTSC)電視信號的傳統(tǒng)圖像數(shù)據(jù)傳輸方法，它將模擬的亮度和色度信號混合在一起，使用一根線，模擬波形來傳輸數(shù)據(jù)，其對應的視頻接口稱為RCA接口，或AV接口；S-Video接口將亮度和色度分離傳輸，避免了混合視頻信號傳輸時亮度和色度的相互干擾；VGA接口，又稱D-Sub接口，同時傳輸紅、綠、藍模擬信號以及水平和垂直同步信號，故VGA信號具有色彩豐富的特點；DVI是基于TMDS技術來傳輸數(shù)字信號，把RGB基色信號通過最小轉換編碼為包含行場同步信息、時鐘信息、糾錯等的信號，經(jīng)過DC平衡后，采用差分信號傳輸數(shù)據(jù)；而HDMI接口是一個純數(shù)字化技術，能提供最佳的視頻質量。

視頻方面，Hi3520支持16路CVBS視頻輸入，故我們可同時采集多路視頻，且支持CVBS、VGA或外接BT1120 HDMI輸出。其視頻編解碼性能可達到960f/s(Frames Per Second)@CIF(352×288)，或240f/s@D1(704×576)。音頻方面，它也擁有豐富的音頻輸入輸出接口。

視音頻數(shù)據(jù)流采集過程為：攝像頭采集視頻信號，以CVBS格式輸入到TW2865，音頻信號也通過TW2865采集輸入到Hi3520芯片。Hi3520芯片接收到視頻數(shù)據(jù)，經(jīng)過圖像處理后，進行H.264編碼，對音頻信號進行ARM軟件編碼。編碼后的音視頻流既可存儲到SD卡，也可通過Hi3520芯片業(yè)務層把視音頻復合流(或獨立的視頻/音頻流)封裝成IP流，通過4G網(wǎng)絡傳送到服務器，這主要依據(jù)軟件業(yè)務層邏輯。

1.2 傳感器模塊

在基于4G蜂窩移動通信系統(tǒng)的遠程管理系統(tǒng)中，考慮到傳感器數(shù)據(jù)采集的精確性、傳感器接入的多樣性、傳感器數(shù)據(jù)分析的便捷性，我們使用對多路傳感器數(shù)據(jù)的并行處理方式。

串行通訊RS-485標準是為了彌補RS-232通信距離短、速率低等缺點而制定，具有遠距離、多節(jié)點以及傳輸線成本低的特性。ADM2582E芯片是一個帶隔離增強型RS-485收發(fā)器，不需要外部隔離電源模塊，在單個封裝內(nèi)集成了一個三通道隔離器、一個三態(tài)差分線路驅動器、一個差分輸入接收器和一個isoPowerTM DC/DC轉換器。

傳感器模塊采用STC12C5A60S2單片機接入運轉設備，利用PCA模塊產(chǎn)生轉速等數(shù)據(jù)，經(jīng)過ADM2582E芯片，通過RS485接口與Hi3520處理器連接，前端設備中的應用程序不斷讀取傳感器接入?yún)R總模塊中的數(shù)據(jù)，并根據(jù)數(shù)據(jù)進行正確性判斷和校驗，然后可以在前端設備顯示，同時，通過4G移動通信上傳到服務器以供管理人員在客戶端閱讀歷史數(shù)據(jù)以及對傳感器進行大數(shù)據(jù)處理分析。

1.3 地理位置采集模塊

地理位置信息采用和芯星通UM220-III型雙系統(tǒng)高性能GNSS模塊，基于雙系統(tǒng)多頻率高性能SoC芯片，可以同時支持北斗BD B1和GPS L1兩個頻點的定位信息采集和綜合功能，能夠實現(xiàn)2.5m精度的定位信息獲取，數(shù)據(jù)更新速率可以達到1Hz以上。UM220-III N模塊串口1為主串口，支持數(shù)據(jù)傳輸、固件升級功能，輸入/輸出信號類型為LVTTL電平。默認波特率為9600b/s，模塊常規(guī)啟動時，須在復位信號變高后1s內(nèi)，保持模塊串口1的輸入管腳為恒定高電平。在基于4G蜂窩移動通信系統(tǒng)的遠程管理系統(tǒng)中，地理位置信息采集模塊通過串口輸入到Hi3520處理器中，直接受到整個系統(tǒng)的控制。

獲取的地理位置信息經(jīng)過芯片內(nèi)部數(shù)據(jù)運算和優(yōu)化，在縮小誤差偏移量后通過串口輸出，應用程序循環(huán)掃描串口緩沖區(qū)并針對數(shù)據(jù)進行識別，獲得精確的地理位置信息，利用單獨線程通過4G移動通信上傳到服務器并保存在服務器端數(shù)據(jù)庫。

1.4 4G上網(wǎng)模塊

在4 G上網(wǎng)模塊，我們采用中興ME3 7 60型號4 G通信模塊，本4 G上網(wǎng)模塊M E 3 7 6 0是一款Mini PCI-E接口的LTE模塊，公網(wǎng)版本支持LTE TDD band38(2.6GHz)、band39 (1.9GHz)、band40(2.3GHz)、band41(2.5GHz)；向下兼容TD-SCDMA A頻段(2.1GHz)和F頻段(1.9GHz)以及GSM900MHz和GSM1800MHz。支持最大50M/150Mb/s的理論上下行數(shù)據(jù)傳輸速率，專網(wǎng)版本支持1.4G和1.8G。

4G上網(wǎng)撥號模塊采用ttyUSB0接口連接遠程管理系統(tǒng)，由應用程序直接控制上網(wǎng)撥號的過程，當一個新的USB設備接入到Linux主機中，主機首先會通過控制端點讀入此設備的配置、接口和端點等信息，利用控制管道完成控制型傳輸，然后主機再對該設備進行枚舉。枚舉即讀取該設備的許多重要信息，其中最重要的是讀取該設備的生產(chǎn)商識別碼(VID)以及產(chǎn)品識別碼(PID)，將這兩個識別碼分別與USB內(nèi)核中存在的各個識別碼進行匹配。若匹配成功，即利用Linux系統(tǒng)的USB內(nèi)核成功實現(xiàn)該設備的USB驅動加載。

2 軟件系統(tǒng)架構設計

一個系統(tǒng)的軟件架構確定了系統(tǒng)的功能模塊劃分及實現(xiàn)方案，對系統(tǒng)性能影響至關重要。根據(jù)軟件開發(fā)通用的界面層、業(yè)務層和數(shù)據(jù)訪問層三層架構模型，我們分別對嵌入式設備、服務器和客戶端進行架構設計。

2.1 嵌入式設備

嵌入式設備的本地數(shù)據(jù)主要來自硬件采集模塊，包括GPS/北斗定位模塊、傳感器模塊、視頻、音頻采集模塊和鍵盤采集模塊。設備通過硬件驅動程序采集到這些數(shù)據(jù)后，將其送入業(yè)務邏輯層。業(yè)務邏輯層負責設備的聯(lián)網(wǎng)、視頻音頻編解碼、數(shù)據(jù)封包與發(fā)包、數(shù)據(jù)收包與解包、鍵盤命令解析與執(zhí)行，以及其他的系統(tǒng)運行必備功能(如軟件看門狗功能實現(xiàn)系統(tǒng)出錯時重啟，遠程更新功能方便系統(tǒng)升級，日志生成功能方便開發(fā)人員根據(jù)日志進行設備維修)。設備采用Linux操作系統(tǒng)，通過Socket與服務器進行連接[3]。如圖3所示。

2.2 服務器

服務器分為兩大部分。第一部分是一個輕量級基于Windows Socket完成端口模型的C/S結構服務器(如圖4所示)，其數(shù)據(jù)訪問層通過MySQL C API 連接本地數(shù)據(jù)庫。業(yè)務邏輯層不斷監(jiān)聽來自嵌入式設備和客戶端的連接請求，統(tǒng)一管理它們，對接收到的數(shù)據(jù)包進行本地保存與轉發(fā)并實時記錄下服務器運行狀態(tài)。其中，為了地理位置可在百度地圖等地圖上顯示，還需要將地理位置采集模塊獲取到的地理位置坐標進行轉換。

圖3 嵌入式設備系統(tǒng)框圖

圖4 C/S結構服務器系統(tǒng)架構

圖5 B/S結構服務器系統(tǒng)架構

圖6 客戶端系統(tǒng)架構

服務器第二部分是一個B/S結構的Web服務器，其主要目的是供管理人員隨時隨地通過任意瀏覽器查看設備歷史數(shù)據(jù)，它可以使用免費穩(wěn)定的Apache Web服務器進行開發(fā)，也可以使用Windows自帶的IIS Web服務器。我們使用MySQL和PHP作為開發(fā)工具，MySQL是功能強大的免費開源的關系型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，PHP是一種通用的開源腳本語言，可快速地執(zhí)行動態(tài)網(wǎng)頁、消耗資源少、可嵌入到HTML頁面中并可進行C、C++程序擴展。同時我們選擇了Yii作為軟件框架，Yii Framework是一個用于開發(fā)大型Web應用的高性能面向對象編程(OOP)的PHP框架[4]。

對于一個Web應用，人們通常將其三層架構稱為表現(xiàn)層、業(yè)務層和持久層。持久層應用關系對象關系映射(ORM)框架，建模數(shù)據(jù)，簡化數(shù)據(jù)庫查詢過程。根據(jù)我們系統(tǒng)的特點，設計系統(tǒng)框架如圖5所示。

2.3 客戶端

與C/S結構服務器相對應的客戶端需完成實時視頻監(jiān)控、傳感與地理位置數(shù)據(jù)查看、文字與命令信息發(fā)送等功能(如圖6所示)，其主要是基于Windows的MFC框架。MFC(Microsoft Foundation Classes)是微軟公司實現(xiàn)的一個C++基礎類庫，封裝了大部分的Windows API，使用MFC框架可開發(fā)出功能強大的Windows應用程序[5]。我們的客戶端并不連接數(shù)據(jù)庫，故其只有界面層和業(yè)務邏輯層兩大塊。

界面層主要利用MFC框架的各種顯示控件模塊和第三方High-Speed Charting圖表控件、百度地圖完成主要窗口界面的編寫。業(yè)務層則利用MFC的Socket框架進行網(wǎng)絡通信、基于Windows消息處理機制響應用戶操作與網(wǎng)絡操作、根據(jù)用戶需求調(diào)用百度地圖API顯示嵌入式設備的地理位置、動態(tài)管理傳感數(shù)據(jù)、進行H.264視頻解碼與播放。

3 系統(tǒng)部署與測試

基于系統(tǒng)硬件設計方案，我們設計、購置原料并搭建了嵌入式設備電路板，其硬件電路如圖7所示。在搭建完前端設備開發(fā)環(huán)境并燒錄了前端設備運行必須的linux內(nèi)核系統(tǒng)、文件系統(tǒng)、應用程序后，前端設備可按其軟件架構正常運行，設備運行界面如圖8所示。

圖7 硬件電路

圖8 嵌入式設備運行界面

基于服務器軟件設計架構，我們搭建了c/s結構的服務器和用于瀏覽器訪問的b/s結構Web服務器。使用帶有酷睿雙核E5400處理器，1.96GB內(nèi)存，安裝有Microsoft Windows Server 2003操作系統(tǒng)、自帶IIS Web服務器的電腦運行服務器程序，c/s結構服務器可自啟動并在控制臺打印簡單運行信息，基于Yii框架的Web服務器亦可正常運行。使用帶有酷睿i3處理器，Windows7家庭普通版的電腦通過瀏覽器訪問數(shù)據(jù)查詢網(wǎng)站，網(wǎng)站頁面如圖9和圖10所示。

圖9 傳感器數(shù)據(jù)圖表顯示

圖10 地理位置顯示

基于客戶端軟件設計架構，我們搭建了基于MFC框架的客戶端。使用帶有酷睿i3處理器，Windows7家庭普通版的電腦，啟動其立體聲混音功能，客戶端運行情況如圖11所示。

圖11 客戶端實時監(jiān)控

4 結束語

本文從當前傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)需要引入新興移動互聯(lián)技術出發(fā)，考慮到當前一些諸如機械、農(nóng)業(yè)、安防等傳統(tǒng)行業(yè)亟待遠程管理的難點，介紹了一個基于4G蜂窩移動通信系統(tǒng)的遠程管理系統(tǒng)，采用遠程監(jiān)控和管理嵌入式前端、服務器大數(shù)據(jù)分析、專家管理數(shù)據(jù)和查看現(xiàn)場視頻等方法，完成對H264音視頻采集、保存和實時傳輸、多路傳感器數(shù)據(jù)、北斗/GPS地理位置信息上傳等較多功能，并在本平臺基礎上實現(xiàn)不同類型設備接入、大量數(shù)據(jù)收集的篩選和分析、歷史數(shù)據(jù)查看等極具研究前景和符合未來發(fā)展需求的功能。

在本遠程管理系統(tǒng)設計和開發(fā)過程中，我們實現(xiàn)了從底層硬件設計到上層軟件架構的一整套解決方案：基于海思Hi3520處理器的較強數(shù)據(jù)處理能力，構建了功能強大、可擴展性強外圍軟硬件系統(tǒng)，并依據(jù)界面層、業(yè)務層、數(shù)據(jù)訪問層三個層次設計了嵌入式前端系統(tǒng)、服務器、客戶端三者各自的系統(tǒng)架構。通過系統(tǒng)的部署和測試結果，本系統(tǒng)正常實現(xiàn)各項功能的運行，并極大地提高了傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)管理效率，節(jié)約了大量人員服務成本，并基于傳感上傳的數(shù)據(jù)進行大數(shù)據(jù)分析，很好的對產(chǎn)業(yè)發(fā)展過程中可能出現(xiàn)的機遇和問題做出了預測，對提高傳統(tǒng)行業(yè)的生產(chǎn)力、刺激產(chǎn)業(yè)升級都產(chǎn)生積極的作用，本系統(tǒng)也具備廣泛的應用前景和極強的實用性。

參考文獻

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[5] 侯俊杰.深入淺出MFC[M].武漢:華中科技大學出版社,2001