基于LabVIEW的車輛監(jiān)測系統的設計

摘要：基于National Instruetionals公司的LabVIEW虛擬儀器技術，設計和搭建了車輛監(jiān)測系統。利用車載GPS/北斗定位接收系統獲取定位信息，通過GPRS將定位信息傳遞至監(jiān)控臺，監(jiān)控臺將信息匯總后返回至每一車輛，將所有車輛的位置信息共享并顯示。監(jiān)測及顯示軟件通過LabVIEW編寫，以期實現車輛運行狀況的實時監(jiān)控。實驗結果表明，該系統能夠精確有效地監(jiān)測和顯示車輛的運行狀況。

智能交通系統(Intelligent Transportation System，ITS)是未來交通系統的發(fā)展方向，結合最新的信息、控制和傳感等技術，建立實時、準確、高效的綜合交通運輸管理系統。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水平上，用于滿足運輸工具使用者定位導航以及運輸企業(yè)、交通管理部門監(jiān)測交通情況等的公眾服務需求。

汽車車載監(jiān)控單元是車聯網的終端和網絡節(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絡按照設定的路由直接將數據信息等發(fā)送至區(qū)域控制中心(數據中心)。交通工具與數據中心之間是一個單向的連接。即數據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。本文將實現數據中心整合區(qū)域內車輛位置信息實時廣播至區(qū)域內所有車輛，使得定位信息共享。為保證每個移動節(jié)點的數據能夠及時傳輸，可采用移動蜂窩網為通信載體，傳輸車載GPS/BDS定位接收系統提供的定位信息，支持移動節(jié)點信息能夠有效地及時傳輸。

1 系統總體設計方案

系統結構框圖如圖1所示，分為主監(jiān)測系統和車載系統兩部分。車載系統由車載定位系統、監(jiān)測系統、通信系統3部分構成。主監(jiān)測系統由監(jiān)測系統和通信系統構成。車載系統完成定位信息的采集并通過GPRS傳送至主監(jiān)測系統，主監(jiān)測系統整合所有車載系統在一定時間內發(fā)送過來的信息，顯示于LabVIEW界面并將其廣播至車載系統。車載系統隨后分析收集到的數據并顯示于LabVIEW界面上。

2 車載系統設計

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

2.1 車載定位系統

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

GPS/BDS的定位信息包含的內容很多，在本系統中，由于只需要使用經度、緯度以及經緯度方向等信息，在設定時，可以將其他信息均設置為不輸出。

文中針對運行中的車輛進行監(jiān)測，由于車輛的不停運動，所處的網絡環(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進行分析和轉發(fā)給通信模塊。

2.2 通信系統

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

2.3 車載PC

車載PC上的LabVIEW中預存了一定的地圖信息，因此，只要有車載定位系統的定位信息，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)測系統整合的包含區(qū)域內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)測系統設計

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

具體系統流程圖如圖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)測系統通信時，均要指定端口。

4 軟件設計部分

4.1 LabVIEW串口程序

串口作為計算機最經典傳統的通信接口，同時也是被最廣泛使用的接口，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轉串口。

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

本系統中，由于車輛數量不定，且各車輛發(fā)送數據到主監(jiān)測系統的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據。數據位設為8位，即程序設置為

每次從串口讀取1字節(jié)數據，當程序判斷出該字節(jié)為有效數據(幀頭“$”)時，就開始將之后的數據進行讀取、存取、拆分、計算、轉換等一系列處理，程序結束時，利用VISA關閉函數將占用的串口資源釋放掉。

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

4.2 LabVIEW的UDP通信

文中車載系統與主監(jiān)測系統是依靠無線公共網絡進行通信的。具體到LabVIEW軟件中，則是利用了其UDP通信功能。

TCP/IP(傳輸控制協議，網際協議)作為網絡通信的標準。是迄今為止使用最為廣泛的協議。UDP方式是無連接通信，采用廣播的方式來發(fā)布數據，特別適合于一點對多點的通信，且其響應速度較快，適用于文中的情況。

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

4.3 車載系統LabVIEW設計

車載系統的LabVIEW主要功能有兩個：1)接收來自自身定位系統的定位信息，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，如果在，則實時顯示;不在，則拋棄信息。

車載LabVIEW要將定位數據整合拆分，主要分為經度和緯度兩個方面，兩個VI程序基本類似，本文中列舉經度拆分截取的程序，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的程序比較簡單，只是數據處理和比較大小，這里不再一一列舉。

4.4 主監(jiān)測系統LabVIEW設計

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

主監(jiān)測系統的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)能夠將某一車輛的運行情況單獨顯示。

主監(jiān)測系統的程序和車載系統程序類似，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，藍色、紅色、灰色三點為區(qū)域內其他車輛，綠色為本車近期行駛路線圖。本文的實驗在上海交通大學校園內進行，為了方便實驗，取車載系統數量為4，在實際運用中，可以按照情況增加。

5 結束語

本系統采用了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)測軟件上均實現了對于區(qū)域內車輛位置信息的共享和監(jiān)測。車載系統和主監(jiān)測系統都只需操作一個界面就能夠實現定位數據的實時采集、處理、存儲和顯示。這使操作得到很大的簡化。

文中所闡述的系統具有成本低，操作簡便，自動化程度高，擴展性和移植性強等特點。在此基礎上，今后可以對系統進行進一步改進，使之更為實用。例如，在車輛上安裝報警器等，可通過本系統將警報傳輸至監(jiān)控中心或者對區(qū)域內其他車輛發(fā)出預警信息?；蛘咴谲囕dLabVIEW程序上設計文字信息/語音信息的輸入，使得車輛可以直接與監(jiān)控中心或區(qū)域內車輛進行交流等等。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。