基于LabVIEW的車輛監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計

鄒媛，陶正蘇，茅旭初

（上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院，上海 200240）

智能交通系統(tǒng)（Intelligent Transportation System，ITS）是未來交通系統(tǒng)的發(fā)展方向，結(jié)合最新的信息、控制和傳感等技術(shù)，建立實時、準(zhǔn)確、高效的綜合交通運輸管理系統(tǒng)[1]。目前我國的智能交通研究，水陸空3個方向都主要集中在提高整體運輸效益和服務(wù)水平上，用于滿足運輸工具使用者定位導(dǎo)航以及運輸企業(yè)、交通管理部門監(jiān)測交通情況等的公眾服務(wù)需求。

汽車車載監(jiān)控單元是車聯(lián)網(wǎng)的終端和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，在常規(guī)工作狀態(tài)下，車載監(jiān)控單元依靠公共無線網(wǎng)絡(luò)按照設(shè)定的路由直接將數(shù)據(jù)信息等發(fā)送至區(qū)域控制中心（數(shù)據(jù)中心）。交通工具與數(shù)據(jù)中心之間是一個單向的連接。即數(shù)據(jù)中心可以獲知所有車輛的信息，但車輛之間卻不能互相知道彼此的位置。本文將實現(xiàn)數(shù)據(jù)中心整合區(qū)域內(nèi)車輛位置信息實時廣播至區(qū)域內(nèi)所有車輛，使得定位信息共享。為保證每個移動節(jié)點的數(shù)據(jù)能夠及時傳輸，可采用移動蜂窩網(wǎng)為通信載體，傳輸車載GPS/BDS定位接收系統(tǒng)提供的定位信息，支持移動節(jié)點信息能夠有效地及時傳輸。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計方案

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，分為主監(jiān)測系統(tǒng)和車載系統(tǒng)兩部分。車載系統(tǒng)由車載定位系統(tǒng)、監(jiān)測系統(tǒng)、通信系統(tǒng)3部分構(gòu)成。主監(jiān)測系統(tǒng)由監(jiān)測系統(tǒng)和通信系統(tǒng)構(gòu)成。車載系統(tǒng)完成定位信息的采集并通過GPRS傳送至主監(jiān)測系統(tǒng)，主監(jiān)測系統(tǒng)整合所有車載系統(tǒng)在一定時間內(nèi)發(fā)送過來的信息，顯示于LabVIEW界面并將其廣播至車載系統(tǒng)。車載系統(tǒng)隨后分析收集到的數(shù)據(jù)并顯示于LabVIEW界面上。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計Fig.1 Overall design of the system

2 車載系統(tǒng)設(shè)計

車載系統(tǒng)由車載GPS/BDS（北斗）定位接收系統(tǒng)、監(jiān)測系統(tǒng)、信息傳輸系統(tǒng)3部分構(gòu)成。

2.1 車載定位系統(tǒng)

車載定位系統(tǒng)采用了和芯星通的UM220-Ⅲ模塊。UM220-Ⅲ模塊是GPS/BDS雙接收系統(tǒng)模塊。其采用GNSS多系統(tǒng)融合、卡爾曼濾波等優(yōu)化算法及和芯星通Ultra-Sense高靈敏度設(shè)計，在各種復(fù)雜環(huán)境下能夠保持出色的捕獲跟蹤能力和可靠的連續(xù)定位結(jié)果。

GPS/BDS的定位信息包含的內(nèi)容很多，在本系統(tǒng)中，由于只需要使用經(jīng)度、緯度以及經(jīng)緯度方向等信息，在設(shè)定時，可以將其他信息均設(shè)置為不輸出。

文中針對運行中的車輛進(jìn)行監(jiān)測，由于車輛的不停運動，所處的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境不斷地變化，因此能夠在弱信號條件下提供優(yōu)異的捕獲、跟蹤靈敏度，并保持接收機(jī)定位的連續(xù)性和可靠性就顯得很重要。UM220-Ⅲ模塊通過串口（可用USB轉(zhuǎn)串口）與車載PC相連，將定位信息傳輸給車載PC，并由車載PC進(jìn)行分析和轉(zhuǎn)發(fā)給通信模塊。

2.2 通信系統(tǒng)

車載PC將接收到UM220-Ⅲ模塊發(fā)送的定位信息，由LabVIEW軟件進(jìn)行分析和整合，并通過另一個串口 （可用USB轉(zhuǎn)串口）發(fā)送至通信系統(tǒng)。SIM900A模塊由ATMEGA128單片機(jī)控制，通過無線公共網(wǎng)絡(luò)按照設(shè)定的路由與主監(jiān)測系統(tǒng)通信。

2.3 車載PC

車載PC上的LabVIEW中預(yù)存了一定的地圖信息，因此，只要有車載定位系統(tǒng)的定位信息，就可以將自身的位置情況顯示在LabVIEW的界面上。除此之外，通信模塊還接收來自主監(jiān)測系統(tǒng)整合的包含區(qū)域內(nèi)其他車輛位置情況的信息。因此，在車載PC的LabVIEW界面還將顯示其他車輛的位置情況。

3 主監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

主監(jiān)測系統(tǒng)主要是由一臺有固定IP的PC組成。PC依靠公共無線網(wǎng)絡(luò)接收來自于車載通信系統(tǒng)發(fā)出的信息，由LabVIEW來實現(xiàn)其監(jiān)測和通信功能。

具體系統(tǒng)流程圖如圖2所示，其中，車載PC串口1與UM220-Ⅲ模塊相連接，串口2連接通信模塊。每一個車載通信模塊與主監(jiān)測系統(tǒng)通信時，均要指定端口。

圖2 系統(tǒng)流程圖Fig.2 System flowchart

4 軟件設(shè)計部分

4.1 LabVIEW串口程序

串口作為計算機(jī)最經(jīng)典傳統(tǒng)的通信接口，同時也是被最廣泛使用的接口[2]，LabVIEW也集成了串口通信功能。因此，文中的有線通信接口均采用串口，或是USB轉(zhuǎn)串口。

LabVIEW的串口通信函數(shù)選板中包含了串行通信常用的功能模塊。本系統(tǒng)主要使用到VISA資源名稱（Resource Name）、VISA 配置函數(shù) （Configure Serial Port）、VISA 讀取函數(shù)（Read）和 VISA 關(guān)閉函數(shù)（Close）[3-5]。 VISA 配置函數(shù)主要用于配置串口的初始化。本系統(tǒng)中使用的串口通信程序配置的波特率為9600，數(shù)據(jù)位為8位，奇偶偶校驗位為0位，停止位為1位。

圖3 車載LabVIEW串口接收定位數(shù)據(jù)的程序Fig.3 Vehicle-based LabVIEW program of positioning data acquisition via serial ports

本系統(tǒng)中，由于車輛數(shù)量不定，且各車輛發(fā)送數(shù)據(jù)到主監(jiān)測系統(tǒng)的LabVIEW軟件的時間不一，程序中的串口均采用被動接收方式接收數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)位設(shè)為8位，即程序設(shè)置為每次從串口讀取1字節(jié)數(shù)據(jù)，當(dāng)程序判斷出該字節(jié)為有效數(shù)據(jù)（幀頭“$”）時，就開始將之后的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取、存取、拆分、計算、轉(zhuǎn)換等一系列處理，程序結(jié)束時，利用VISA關(guān)閉函數(shù)將占用的串口資源釋放掉[6]。

車載PC安裝的LabVIEW軟件監(jiān)測串口接收數(shù)據(jù)的程序如圖3所示。

4.2 LabVIEW的UDP通信

文中車載系統(tǒng)與主監(jiān)測系統(tǒng)是依靠無線公共網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信的。具體到LabVIEW軟件中，則是利用了其UDP通信功能。

TCP/IP（傳輸控制協(xié)議/網(wǎng)際協(xié)議）作為網(wǎng)絡(luò)通信的標(biāo)準(zhǔn)，是迄今為止使用最為廣泛的協(xié)議[7]。UDP方式是無連接通信，采用廣播的方式來發(fā)布數(shù)據(jù)，特別適合于一點對多點的通信[7]，且其響應(yīng)速度較快，適用于文中的情況。

“寫入UDP”函數(shù)需要指定計算機(jī)與發(fā)送端口，文中制定計算機(jī)為主監(jiān)控系統(tǒng)PC的IP/環(huán)回IP（默認(rèn)，無需配置），發(fā)送端口為車載通信系統(tǒng)ATMEGA128單片機(jī)程序中指定的端口。以“7080”端口為例，UDP通信程序如圖4所示。

圖4 7080端口UDP通信程序Fig.4 An example of LabVIEW-based UDP communication program

4.3 車載系統(tǒng)LabVIEW設(shè)計

車載系統(tǒng)的LabVIEW主要功能有兩個：1）接收來自自身定位系統(tǒng)的定位信息，分析整合，并實時地將之顯示在界面上；2）接收主監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)送的其他車輛定位信息，判斷其位置是否在本車所在地圖之內(nèi)，如果在，則實時顯示；不在，則拋棄信息。

車載LabVIEW要將定位數(shù)據(jù)整合拆分，主要分為經(jīng)度和緯度兩個方面，兩個VI程序基本類似，本文中列舉經(jīng)度拆分截取的程序，如圖5所示。車載LabVIEW的VI子程序中，判斷其他車輛是否在本車所顯示的地圖范圍之內(nèi)的程序比較簡單，只是數(shù)據(jù)處理和比較大小，這里不再一一列舉。

圖5 車載LabVIEW經(jīng)度拆分以及截取程序Fig.5 Longitude data acquisition program on vehicle-based LabVIEW

4.4 主監(jiān)測系統(tǒng)LabVIEW設(shè)計

本系統(tǒng)中車載通信系統(tǒng)的SIM900A模塊是由ATMEGA128單片機(jī)控制的。在其發(fā)送數(shù)據(jù)時，需要選定接收端的端口。因此，主監(jiān)測系統(tǒng)的LabVIEW可以清楚地分出每一個定位信息屬于哪一個車載系統(tǒng)。

主監(jiān)測系統(tǒng)的LabVIEW需要監(jiān)測所有車輛的運行情況，其主要功能有三點：1）實時顯示所有車輛的位置信息；2）在有需要的時候，顯示所有車輛的近期路線圖；3）能夠?qū)⒛骋卉囕v的運行情況單獨顯示。

主監(jiān)測系統(tǒng)的程序和車載系統(tǒng)程序類似，主要的區(qū)別在于可以顯示車輛的近期路線圖。只需要添加一個“接受緩沖區(qū)”來存儲車輛近期位置信息即可。圖6為車載LabVIEW軟件界面顯示的一部分。其中，藍(lán)色、紅色、灰色三點為區(qū)域內(nèi)其他車輛，綠色為本車近期行駛路線圖。本文的實驗在上海交通大學(xué)校園內(nèi)進(jìn)行，為了方便實驗，取車載系統(tǒng)數(shù)量為4，在實際運用中，可以按照情況增加。

圖6 實驗效果Fig.6 Experimental result

5 結(jié)束語

本系統(tǒng)采用了NI公司的LabVIEW作為主要的監(jiān)控和顯示軟件，在車載軟件以及主監(jiān)測軟件上均實現(xiàn)了對于區(qū)域內(nèi)車輛位置信息的共享和監(jiān)測。車載系統(tǒng)和主監(jiān)測系統(tǒng)都只需操作一個界面就能夠?qū)崿F(xiàn)定位數(shù)據(jù)的實時采集、處理、存儲和顯示。這使操作得到很大的簡化。

文中所闡述的系統(tǒng)具有成本低，操作簡便，自動化程度高，擴(kuò)展性和移植性強(qiáng)等特點。在此基礎(chǔ)上，今后可以對系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步改進(jìn)，使之更為實用。例如，在車輛上安裝報警器等，可通過本系統(tǒng)將警報傳輸至監(jiān)控中心或者對區(qū)域內(nèi)其他車輛發(fā)出預(yù)警信息。或者在車載LabVIEW程序上設(shè)計文字信息/語音信息的輸入，使得車輛可以直接與監(jiān)控中心或區(qū)域內(nèi)車輛進(jìn)行交流等等。此外，隨著居民生活水平的提高，車輛的使用將更加頻繁，車輛之間的連接也顯得更為重要。開車的時候不方便打電話或使用其他的交流工具，文中所提出的方法也可為這方面的研究提供一些參考。

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