校车监控终端系统的设计与实现

校车监控终端系统的设计与实现

冯清，林培杰，赖云锋

（福州大学物理与信息工程学院，福建 福州 350108）

摘要：针对校车经常发生交通事故的现状，本文提出了校车监控终端系统的设计方案。该系统以处理器S3C6410为硬件核心，以WinCE6.0操作系统为软件平台，通过USB 摄像头实现视频采集并对校车进行无线网络实时监控；该系统也利用MMA7361L 加速度传感器和STC12C5410AD 单片机采集加速度信号，监控服务器端可通过设定加速度报警阈值来控制加速度的输出，实现了校车的加速度测量与监控。 关键词：MMA7361L ；视频采集；三轴加速度；串口通信

中图分类号： 文献标识码： 文章编号：

Design and Implementation of Terminal System for School Bus’ Monitoring and

Controlling

Feng Qing, Lin Peijie, Lai Yunfeng

（School of Physics and Information Engineering, Fuzhou University, Fuzhou 350108, China） Abstract: For the frequent occurrence of school bus ’ accident, a terminal system for the monitoring and controlling of the school buses was proposed. The system is based on WinCE 6.0 with S3C6410 as hardware platform core. For this system, the video can be acquired through USB ports and the live controlling for the driving school buses through wireless network is thus possible. For this system, the acceleration detection can be realized by using sensor MMA7361L and microcontroller STC12C5410AD. If the acceleration threshold is set by server, the controlling for the school buses can also be achieved.

Keywords: MMA7361L; video capture; three-axis accelerometer; serial communication

0 引言

随着社会经济的快速发展和人们生活水平的不断提高，车辆在人们生活中的地位越来越重要，我国车辆的保有量也持续增加。与此同时，交通事故也在频繁发生，尤其是近年来的多次重大校车事故，对道路交通和人身安全造成极大的影响[1]，而且到目前为止还没有一套完整的校车安全监管实施方案。因此，针对各种机动车辆特别是校车，建立良好的安全监控平台十分必要。

本文将视频采集技术与加速度采集技术相结合，通过无线网络将校车的视频数据和加速度数据传输到服务器端。该系统可对校车进行实时视频监控和加速度监控，及时掌握校车的行驶状况，防止超载，必要时进行简单控制从而减少校车事故的发生。

S3C6410为硬件核心。 S3C6410处理器主频667MHz 以上，内置完备的外部资源：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，I 2C 总线接口，高速USB

OTG ，SD Host和USB Host等[2]。

系统选用开发相对容易、具有良好的实时性和稳定性、具有丰富的API 等特点的WinCE6.0操作系统为软件开发平台；

1 系统总体设计

该系统以基于ARM11处理器

图1系统硬件结构图

校车监控终端系统硬件结构图如图

1所示。系统主要由主控制器模块、视频采集模块、加速度采集及报警电路模块和无线传输模块三部分组成。

视频采集部分采用中星微的USB 摄像头ZC0301，它由CMOS 图像传感器和摄像头控制器组成；加速度采集部分采用Freescale 公司的三轴加速度传感器MMA7361L 和宏晶科技的STC12C5410AD 单片机，MMA7361L 可采集到三轴加速度的模拟电压信号，然后通过STC12C5410AD 内置的A/D转换将模拟信号转换为数字信号；S3C6410处理器可接收摄像头的视频信号和采集到加速度数据，并利用内部的编码器对视频进行基于H.264的压缩编码。

2 视频采集模块硬件设计

2.1摄像头硬件电路结构

CMOS 图像传感器和摄像头控制器两部分间的数据和命令通过总线进行传输。摄像头内部有A/D转换芯片和DSP 芯片，USB 摄像头ZC0301的硬件结构如图2所示。

图2 ZC0310的硬件结构框图

2.2 S3C6410与USB HOST接口电路设计

S3C6410芯片内置一个支持USB1.1协议的USB 主控制器，该主控器带有一个USB 设备口，USB 摄像头可以通过这个USB 设备口与开发板连接。S3C6410与USB HOST 接口电路如图3所示。

图3 S3C6410与USB HOST接口电路

3 加速度采集与报警模块硬件设计

MMA7361L [3]是一种低成本微型电容式三轴向高灵敏度加速度传感器芯片。可选择±1.5g 和±6g 两种量程。MMA7361L 内部采用开关电容滤波器，有时钟噪声产生，需在X OUT 、Y OUT 、和Z OUT 三个输出端分别接3.3nF 的电容来减少时钟噪声。

加速度数据处理单元选用具有8路高速10位A/D转换的STC12C5410AD 芯片，具有高速、高可靠、宽电压、低功耗和超强干扰等特点，芯片上的资源可以满足功能需求，增强系统的抗干扰能力，降低系统的开发难度，提高系统的稳定性能。加速度采集与报警系统电路图如图4所示。

(a) STC12C5410AD单片机报警电路原理图

U4

(b) MMA7361L电路原理图 (c)串口电路原理图

图4 加速度采集与报警系统电路图

其中，(a)图为STC12C5410AD 单片机报警电路原理图，电源选用5V 稳压电源供电，由于设计中用到了串行通信，对系统时钟有较高的要求，所以用外接晶振电路提供时钟，晶振为11.0596MHZ ，采用声光报警，当加速度值超过设定的上限报警值时自动报警[4]。

(b)图为MMA7361L 电路原理图，MMA7361L 输出的三轴模拟加速度信号可通过STC12C5410AD 的三路ADC 通道进行

904

A/D转换[4]；采用3.3V 的电压给MMA7361L 供电，因此加入一个5V 转3.3V 的RT9161电路，稳压芯片RT9161具有更低的压降，更快的负载相应速度，适合高噪声电源环境，降低噪声的干扰，提高A/D转换的精确度。STC12C5410AD 的P1.4端口来控制MMA7361L 是否休眠，当在Sleep 引脚上输入一个低电平信号时，传感器处于休眠模式，这时传感器停止数据采集，而Sleep 置高电平时传感器开始恢复工作。本文在设计加速度采集硬件电路时，为了可以最大化的使用MMA7361L 加速度芯片，将0g-Detect 、g-Select 和Self Test三个引脚均由单片机IO 口来控制，可以在不同的环境下，灵活改变加速度的测量范围。

(c)图为串口电路原理图，采集到的三轴加速度数据可通过RS232串口发送到S3C6410，然后通过无线网络可以传输到监控端。

4 系统软件设计

4.1 视频采集软件设计

本文采用WinCE6.0操作系统下的流接口函数来实现USB 驱动程序[5]。在流接口驱动函数中，CIS_Init( ) 函数用来对USB 摄像头驱动进行初始化， CIS_Open( ) 函数打开USB 摄像头的驱动程序，应用程序通过CreateFile( ) 函数调用该函数。CIS_IOControl( ) 接口函数用于向设备发送命令，应用程序采用DeviceIOContol( ) 函数传递不同的参数给CIS_IOControl( ) 函数。 接着调用CAM_Init( ) 函数来初始化USB 摄像头，CAM_IOControl( )函数对摄像头进行控制，这些IO 控制指令通过USB 通道发送来控制USB 摄像头[6]。

视频采集采用多线程和内存映射的方式，创建GetYUVThread 线程采集视频帧，创建H264EncodeThread 线程把视频帧映射到H.264编码器的buffer 中，加快了视频读取的速度，节省了CPU 的处理时间和带宽资源。

视频采集具体步骤：系统初始化；打开USB 摄像头驱动；获取设备、图像信息；设置参数、申请内存；进行视频数据采集；对

图像进行处理；关闭USB 摄像头；释放内存。视频采集流程图如图5所示。

图5 视频采集流程图

实时视频监控流程：视频采集，H.264视频流封装成RTP 数据包，然后通过无线网络传输到监控服务器端，在服务器端接收和H.264解码后就可以看到视频画面[7]，视频监控流程图如图6所示。

图6 视频监控流程图

4.2 加速度采集软件设计

由于车辆在制动时，其加速度变化范围大约在±1g ，因此选择MMA7361L 的量程范围±1.5g ，此时加速度传感器灵敏度为800mV/g。单片机P1.6引脚置为低电平，当MMA7361Sleep=1时，MMA7361L 加速度传感器开始工作，可以定时采集车辆的三轴加速度的模拟电压信号[8]，STC12C5410AD

操作系统为软件平台。实现了USB 摄像头的视频采集和校车加速度信息采集，通过无线网络可对校车进行实时监控。系统实用性强、可靠性高，对校车安全行驶具有重要意义，为实现校车的管理化和智能化打下基础。

参考文献

[1] 张金玲. 基于智能交通的车载平台的设计与实现[D]. 北京: 北京邮电大学, 2011. [2] Samsung S3C6410 User’s Manual.

[3] Freescale Semiconductor. MMA7361L Datasheet [S], 2008.

[4] 何小虎, 李现明. 基于STC12C5410AD 单片机的倾角监控系统设计[J]. 工业控制计算机, 2010, 23(10): 97-98.

[6] 汪冰. Windows CE 嵌入式高级编程及其实例详解[M]. 北京: 中国水利水电出版社

, 2008. [7] Liang Huijun, Wang Sheng. “Based on ARM S3C2410 and streaming media technology, ”network video capture [J]. Computer, 2007, 23 2-5.

[8] Hua Ye, Gang Ding, "digital vehicle monitoring system based on 3G for public security," Computer and Information Application (ICCIA), Dec. 2010, pp.146-148.

[9] Anmin Jin, Bin Yin, Bin Yin, et al, “Performance evaluation

of

a

tri-axial

accelerometry-based

respiration monitoring for ambient assisted living,” 31st Annual International Conference of the IEEE EMBS, Minneapolis, Minnesota, USA, pp. 5677-5680, September 2009。

图7 加速度采集流程图

对采集到模拟信号的进行A/D转换，数据处理后（加速度单位：m/s2）发送到主控制器，然后主控制器创建TCP Socket 线程，通过无线网络把数据包传输到监控服务器端[9]。加速度采集流程图如图7所示。

监控服务器可设定加速度阈值，发送给远程客户端，当X 、Y 、Z 任意一轴加速度的绝对值超过阈值时，客户端就向监控中心服务器发送数据，同时启动声光报警装置。

5 实验结果及总结

系统测试结果如图8所示。系统应用S3C6410处理器为硬件核心，以WinCE6.0

图8 系统测试图

作者简介：

冯 清 女 1984年出生，硕士研究生。主要研究方向为光电信息技术与嵌入式系统。

林培杰 男 1982年出生，硕士，讲师。主要研究方向为嵌入式系统、新能源系统、物联网。

校车监控终端系统的设计与实现

冯清，林培杰，赖云锋

（福州大学物理与信息工程学院，福建 福州 350108）

摘要：针对校车经常发生交通事故的现状，本文提出了校车监控终端系统的设计方案。该系统以处理器S3C6410为硬件核心，以WinCE6.0操作系统为软件平台，通过USB 摄像头实现视频采集并对校车进行无线网络实时监控；该系统也利用MMA7361L 加速度传感器和STC12C5410AD 单片机采集加速度信号，监控服务器端可通过设定加速度报警阈值来控制加速度的输出，实现了校车的加速度测量与监控。 关键词：MMA7361L ；视频采集；三轴加速度；串口通信

中图分类号： 文献标识码： 文章编号：

Design and Implementation of Terminal System for School Bus’ Monitoring and

Controlling

Feng Qing, Lin Peijie, Lai Yunfeng

（School of Physics and Information Engineering, Fuzhou University, Fuzhou 350108, China） Abstract: For the frequent occurrence of school bus ’ accident, a terminal system for the monitoring and controlling of the school buses was proposed. The system is based on WinCE 6.0 with S3C6410 as hardware platform core. For this system, the video can be acquired through USB ports and the live controlling for the driving school buses through wireless network is thus possible. For this system, the acceleration detection can be realized by using sensor MMA7361L and microcontroller STC12C5410AD. If the acceleration threshold is set by server, the controlling for the school buses can also be achieved.

Keywords: MMA7361L; video capture; three-axis accelerometer; serial communication

0 引言

随着社会经济的快速发展和人们生活水平的不断提高，车辆在人们生活中的地位越来越重要，我国车辆的保有量也持续增加。与此同时，交通事故也在频繁发生，尤其是近年来的多次重大校车事故，对道路交通和人身安全造成极大的影响[1]，而且到目前为止还没有一套完整的校车安全监管实施方案。因此，针对各种机动车辆特别是校车，建立良好的安全监控平台十分必要。

本文将视频采集技术与加速度采集技术相结合，通过无线网络将校车的视频数据和加速度数据传输到服务器端。该系统可对校车进行实时视频监控和加速度监控，及时掌握校车的行驶状况，防止超载，必要时进行简单控制从而减少校车事故的发生。

S3C6410为硬件核心。 S3C6410处理器主频667MHz 以上，内置完备的外部资源：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，I 2C 总线接口，高速USB

OTG ，SD Host和USB Host等[2]。

系统选用开发相对容易、具有良好的实时性和稳定性、具有丰富的API 等特点的WinCE6.0操作系统为软件开发平台；

1 系统总体设计

该系统以基于ARM11处理器

图1系统硬件结构图

校车监控终端系统硬件结构图如图

1所示。系统主要由主控制器模块、视频采集模块、加速度采集及报警电路模块和无线传输模块三部分组成。

视频采集部分采用中星微的USB 摄像头ZC0301，它由CMOS 图像传感器和摄像头控制器组成；加速度采集部分采用Freescale 公司的三轴加速度传感器MMA7361L 和宏晶科技的STC12C5410AD 单片机，MMA7361L 可采集到三轴加速度的模拟电压信号，然后通过STC12C5410AD 内置的A/D转换将模拟信号转换为数字信号；S3C6410处理器可接收摄像头的视频信号和采集到加速度数据，并利用内部的编码器对视频进行基于H.264的压缩编码。

2 视频采集模块硬件设计

2.1摄像头硬件电路结构

CMOS 图像传感器和摄像头控制器两部分间的数据和命令通过总线进行传输。摄像头内部有A/D转换芯片和DSP 芯片，USB 摄像头ZC0301的硬件结构如图2所示。

图2 ZC0310的硬件结构框图

2.2 S3C6410与USB HOST接口电路设计

S3C6410芯片内置一个支持USB1.1协议的USB 主控制器，该主控器带有一个USB 设备口，USB 摄像头可以通过这个USB 设备口与开发板连接。S3C6410与USB HOST 接口电路如图3所示。

图3 S3C6410与USB HOST接口电路

3 加速度采集与报警模块硬件设计

MMA7361L [3]是一种低成本微型电容式三轴向高灵敏度加速度传感器芯片。可选择±1.5g 和±6g 两种量程。MMA7361L 内部采用开关电容滤波器，有时钟噪声产生，需在X OUT 、Y OUT 、和Z OUT 三个输出端分别接3.3nF 的电容来减少时钟噪声。

加速度数据处理单元选用具有8路高速10位A/D转换的STC12C5410AD 芯片，具有高速、高可靠、宽电压、低功耗和超强干扰等特点，芯片上的资源可以满足功能需求，增强系统的抗干扰能力，降低系统的开发难度，提高系统的稳定性能。加速度采集与报警系统电路图如图4所示。

(a) STC12C5410AD单片机报警电路原理图

U4

(b) MMA7361L电路原理图 (c)串口电路原理图

图4 加速度采集与报警系统电路图

其中，(a)图为STC12C5410AD 单片机报警电路原理图，电源选用5V 稳压电源供电，由于设计中用到了串行通信，对系统时钟有较高的要求，所以用外接晶振电路提供时钟，晶振为11.0596MHZ ，采用声光报警，当加速度值超过设定的上限报警值时自动报警[4]。

(b)图为MMA7361L 电路原理图，MMA7361L 输出的三轴模拟加速度信号可通过STC12C5410AD 的三路ADC 通道进行

904

A/D转换[4]；采用3.3V 的电压给MMA7361L 供电，因此加入一个5V 转3.3V 的RT9161电路，稳压芯片RT9161具有更低的压降，更快的负载相应速度，适合高噪声电源环境，降低噪声的干扰，提高A/D转换的精确度。STC12C5410AD 的P1.4端口来控制MMA7361L 是否休眠，当在Sleep 引脚上输入一个低电平信号时，传感器处于休眠模式，这时传感器停止数据采集，而Sleep 置高电平时传感器开始恢复工作。本文在设计加速度采集硬件电路时，为了可以最大化的使用MMA7361L 加速度芯片，将0g-Detect 、g-Select 和Self Test三个引脚均由单片机IO 口来控制，可以在不同的环境下，灵活改变加速度的测量范围。

(c)图为串口电路原理图，采集到的三轴加速度数据可通过RS232串口发送到S3C6410，然后通过无线网络可以传输到监控端。

4 系统软件设计

4.1 视频采集软件设计

本文采用WinCE6.0操作系统下的流接口函数来实现USB 驱动程序[5]。在流接口驱动函数中，CIS_Init( ) 函数用来对USB 摄像头驱动进行初始化， CIS_Open( ) 函数打开USB 摄像头的驱动程序，应用程序通过CreateFile( ) 函数调用该函数。CIS_IOControl( ) 接口函数用于向设备发送命令，应用程序采用DeviceIOContol( ) 函数传递不同的参数给CIS_IOControl( ) 函数。 接着调用CAM_Init( ) 函数来初始化USB 摄像头，CAM_IOControl( )函数对摄像头进行控制，这些IO 控制指令通过USB 通道发送来控制USB 摄像头[6]。

视频采集采用多线程和内存映射的方式，创建GetYUVThread 线程采集视频帧，创建H264EncodeThread 线程把视频帧映射到H.264编码器的buffer 中，加快了视频读取的速度，节省了CPU 的处理时间和带宽资源。

视频采集具体步骤：系统初始化；打开USB 摄像头驱动；获取设备、图像信息；设置参数、申请内存；进行视频数据采集；对

图像进行处理；关闭USB 摄像头；释放内存。视频采集流程图如图5所示。

图5 视频采集流程图

实时视频监控流程：视频采集，H.264视频流封装成RTP 数据包，然后通过无线网络传输到监控服务器端，在服务器端接收和H.264解码后就可以看到视频画面[7]，视频监控流程图如图6所示。

图6 视频监控流程图

4.2 加速度采集软件设计

由于车辆在制动时，其加速度变化范围大约在±1g ，因此选择MMA7361L 的量程范围±1.5g ，此时加速度传感器灵敏度为800mV/g。单片机P1.6引脚置为低电平，当MMA7361Sleep=1时，MMA7361L 加速度传感器开始工作，可以定时采集车辆的三轴加速度的模拟电压信号[8]，STC12C5410AD

操作系统为软件平台。实现了USB 摄像头的视频采集和校车加速度信息采集，通过无线网络可对校车进行实时监控。系统实用性强、可靠性高，对校车安全行驶具有重要意义，为实现校车的管理化和智能化打下基础。

参考文献

[1] 张金玲. 基于智能交通的车载平台的设计与实现[D]. 北京: 北京邮电大学, 2011. [2] Samsung S3C6410 User’s Manual.

[3] Freescale Semiconductor. MMA7361L Datasheet [S], 2008.

[4] 何小虎, 李现明. 基于STC12C5410AD 单片机的倾角监控系统设计[J]. 工业控制计算机, 2010, 23(10): 97-98.

[6] 汪冰. Windows CE 嵌入式高级编程及其实例详解[M]. 北京: 中国水利水电出版社

, 2008. [7] Liang Huijun, Wang Sheng. “Based on ARM S3C2410 and streaming media technology, ”network video capture [J]. Computer, 2007, 23 2-5.

[8] Hua Ye, Gang Ding, "digital vehicle monitoring system based on 3G for public security," Computer and Information Application (ICCIA), Dec. 2010, pp.146-148.

[9] Anmin Jin, Bin Yin, Bin Yin, et al, “Performance evaluation

of

a

tri-axial

accelerometry-based

respiration monitoring for ambient assisted living,” 31st Annual International Conference of the IEEE EMBS, Minneapolis, Minnesota, USA, pp. 5677-5680, September 2009。

图7 加速度采集流程图

对采集到模拟信号的进行A/D转换，数据处理后（加速度单位：m/s2）发送到主控制器，然后主控制器创建TCP Socket 线程，通过无线网络把数据包传输到监控服务器端[9]。加速度采集流程图如图7所示。

监控服务器可设定加速度阈值，发送给远程客户端，当X 、Y 、Z 任意一轴加速度的绝对值超过阈值时，客户端就向监控中心服务器发送数据，同时启动声光报警装置。

5 实验结果及总结

系统测试结果如图8所示。系统应用S3C6410处理器为硬件核心，以WinCE6.0

图8 系统测试图

作者简介：

冯 清 女 1984年出生，硕士研究生。主要研究方向为光电信息技术与嵌入式系统。

林培杰 男 1982年出生，硕士，讲师。主要研究方向为嵌入式系统、新能源系统、物联网。