摘 要： 針對校車經(jīng)常發(fā)生交通事故的現(xiàn)狀，提出了校車監(jiān)控終端系統(tǒng)的設(shè)計方案。該系統(tǒng)以處理器S3C6410為硬件核心，以WinCE6.0操作系統(tǒng)為軟件平臺，通過USB攝像頭實現(xiàn)視頻采集并對校車進(jìn)行無線網(wǎng)絡(luò)實時監(jiān)控；該系統(tǒng)也利用MMA7361L加速度傳感器和STC12C5410AD單片機采集加速度信號，監(jiān)控服務(wù)器端可通過設(shè)定加速度報警閾值來控制加速度的輸出，實現(xiàn)了校車的加速度測量與監(jiān)控。
關(guān)鍵詞： MMA7361L；視頻采集；三軸加速度；串口通信
隨著社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和人們生活水平的不斷提高，車輛在人們生活中的地位越來越重要，我國車輛的保有量也持續(xù)增加。與此同時，交通事故也在頻繁發(fā)生，尤其是近年來的多次重大校車事故，對道路交通和人身安全造成極大的影響[1]，而且到目前為止還沒有一套完整的校車安全監(jiān)管實施方案。因此，針對各種機動車輛特別是校車，建立良好的安全監(jiān)控平臺十分必要。
本文將視頻采集技術(shù)與加速度采集技術(shù)相結(jié)合，通過無線網(wǎng)絡(luò)將校車的視頻數(shù)據(jù)和加速度數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒?wù)器端。該系統(tǒng)可對校車進(jìn)行實時視頻監(jiān)控和加速度監(jiān)控，及時掌握校車的行駛狀況，防止超載，必要時進(jìn)行簡單控制從而減少校車事故的發(fā)生。
1 系統(tǒng)總體設(shè)計
該系統(tǒng)以基于ARM11的S3C6410處理器為硬件核心。S3C6410處理器主頻667 MHz以上，內(nèi)置完備的外部資源，包括SDRAM控制器、NAND Flash控制器、LCD控制器、支持4通道的UART、通用I/O口、I2C總線接口、高速USB OTG、SD Host和USB Host等[2]。
系統(tǒng)選用開發(fā)相對容易、實時性和穩(wěn)定性良好、具有豐富的API等特點的WinCE6.0操作系統(tǒng)為軟件開發(fā)平臺。
校車監(jiān)控終端系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。系統(tǒng)主要由主控制器模塊、視頻采集模塊、加速度采集及報警電路模塊和無線傳輸模塊四部分組成。
視頻采集部分采用中星微的USB攝像頭ZC0301，它由CMOS圖像傳感器和攝像頭控制器組成。加速度采集部分采用Freescale公司的三軸加速度傳感器MMA7361L和宏晶科技的STC12C5410AD單片機。MMA7361L可采集到三軸加速度的模擬電壓信號，然后通過STC12C5410AD內(nèi)置的A/D轉(zhuǎn)換將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。S3C6410處理器可接收攝像頭的視頻信號并采集加速度數(shù)據(jù)，利用內(nèi)部的編碼器對視頻進(jìn)行基于H.264的壓縮編碼。
2 視頻采集模塊硬件設(shè)計
2.1 攝像頭硬件電路結(jié)構(gòu)
CMOS圖像傳感器和攝像頭控制器兩部分間的數(shù)據(jù)和命令通過總線進(jìn)行傳輸。攝像頭內(nèi)部有A/D轉(zhuǎn)換芯片和DSP芯片，USB攝像頭ZC0301的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。
3 加速度采集與報警模塊硬件設(shè)計
MMA7361L[3]是一種低成本微型電容式三軸向高靈敏度加速度傳感器芯片?？蛇x擇1.5 g和6 g兩種量程。MMA7361L內(nèi)部采用開關(guān)電容濾波器，有時鐘噪聲產(chǎn)生，需在XOUT、YOUT、和ZOUT 3個輸出端分別接3.3 nF的電容來減少時鐘噪聲。
加速度數(shù)據(jù)處理單元選用具有8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換的STC12C5410AD芯片，具有高速、高可靠、寬電壓、低功耗和超強抗干擾等特點，芯片上的資源可以滿足功能需求，增強系統(tǒng)的抗干擾能力，降低系統(tǒng)的開發(fā)難度，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性能。加速度采集與報警系統(tǒng)電路圖如圖4所示。
圖4(a)為STC12C5410AD單片機報警電路原理圖，電源選用5 V穩(wěn)壓電源供電，由于設(shè)計中用到了串行通信，對系統(tǒng)時鐘有較高的要求，所以用外接晶振電路提供時鐘，晶振為11.059 6 MHz，采用聲光報警，當(dāng)加速度值超過設(shè)定的上限報警值時自動報警[4]。
圖4(b)為MMA7361L的電路原理圖。MMA7361L輸出的三軸模擬加速度信號可通過STC12C5410AD的3路ADC通道進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換[4]；采用3.3 V電壓給MMA7361L供電，因此加入一個5 V轉(zhuǎn)3.3 V的RT9161電路，穩(wěn)壓芯片RT9161具有更低的壓降，更快的負(fù)載相應(yīng)速度，適合高噪聲電源環(huán)境，降低噪聲的干擾，提高A/D轉(zhuǎn)換的精確度。STC12C5410AD的P1.4端口控制MMA7361L是否休眠，當(dāng)在Sleep引腳上輸入一個低電平信號時，傳感器處于休眠模式，這時傳感器停止數(shù)據(jù)采集，而Sleep置高電平時傳感器開始恢復(fù)工作。在設(shè)計加速度采集硬件電路時，為了最大化地使用MMA7361L加速度芯片，將0g-Detect、g-Select和Self Test三個引腳均由單片機IO口來控制，可以在不同的環(huán)境下，靈活改變加速度的測量范圍。
圖4(c)為串口電路原理圖，采集到的三軸加速度數(shù)據(jù)可通過RS232串口發(fā)送到S3C6410，然后通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)奖O(jiān)控端。
4 系統(tǒng)軟件設(shè)計
4.1 視頻采集軟件設(shè)計
本文采用WinCE6.0操作系統(tǒng)下的流接口函數(shù)來實現(xiàn)USB驅(qū)動程序[5]。在流接口驅(qū)動函數(shù)中，CIS_Init( )函數(shù)用來對USB攝像頭驅(qū)動進(jìn)行初始化， CIS_Open( )函數(shù)打開USB攝像頭的驅(qū)動程序，應(yīng)用程序通過CreateFile( )函數(shù)調(diào)用該函數(shù)。CIS_IOControl( )接口函數(shù)用于向設(shè)備發(fā)送命令，應(yīng)用程序采用DeviceIOContol( )函數(shù)傳遞不同的參數(shù)給CIS_IOControl( )函數(shù)。
接著調(diào)用CAM_Init( )函數(shù)來初始化USB攝像頭，CAM_IOControl( )函數(shù)對攝像頭進(jìn)行控制，這些IO控制指令通過USB通道發(fā)送來控制USB攝像頭[6]。
視頻采集采用多線程和內(nèi)存映射的方式，創(chuàng)建GetYUVThread線程采集視頻幀，創(chuàng)建H264EncodeThread線程把視頻幀映射到H.264編碼器的buffer中，加快了視頻讀取的速度，節(jié)省了CPU的處理時間和帶寬資源。視頻采集流程圖如圖5所示。
視頻監(jiān)控流程圖如圖6所示[7]。
4.2 加速度采集軟件設(shè)計
由于車輛在制動時，其加速度變化范圍大約在±1 g，因此選擇MMA7361L的量程范圍為±1.5 g，此時加速度傳感器靈敏度為800 mV/g。單片機P1.6引腳置為低電平，當(dāng)MMA7361Sleep=1時，MMA7361L加速度傳感器開始工作，可以定時采集車輛的三軸加速度的模擬電壓信號[8]，STC12C5410AD對采集到的模擬信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)處理后（加速度單位：m/s2）發(fā)送到主控制器，然后主控制器創(chuàng)建TCP Socket線程，通過無線網(wǎng)絡(luò)把數(shù)據(jù)包傳輸?shù)奖O(jiān)控服務(wù)器端[9]。加速度采集流程圖如圖7所示。
參考文獻(xiàn)
[1] 張金玲.基于智能交通的車載平臺的設(shè)計與實現(xiàn)[D].北京：北京郵電大學(xué)，2011.
[2] Samsung.S3C6410 User′s Manual[S].2009.
[3] Freescale Semiconductor.MMA7361L Datasheet[S].2008.
[4] 何小虎，李現(xiàn)明.基于STC12C5410AD單片機的傾角監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計[J].工業(yè)控制計算機，2010，23(10)：97-98.
[5] 汪冰.Windows CE嵌入式高級編程及其實例詳解[M].北京：中國水利水電出版社，2008.
[6] Liang Huijun，Wang Sheng.Network video capture based on ARM S3C2410 and streaming media technology[J]. Computer，2007，23(5)：163-167.
[7] Ye Hua，Ding Gang.Digital vehicle monitoring system based on 3G for public security[C].Computer and Information Application(ICCIA)，2010：146-148.
[8] Jin Anmin，Yin Bin，MORREN G，et al.Performance evaluation of a tri-axial accelerometry-based respiration monitoring for ambient assisted living[C].31st Annual International Conference of the IEEE EMBS，2009：5677-5680.