滕志军 张明儒 许建军 郭素阳

(东北电力大学信息工程学院，吉林 吉林 132012)

0 引言

2014 年12 月24 日下午，香港一辆运钞车驶经湾仔时，掉落3 箱现钞，银行损失约1 523 万港元。虽然部分好心人士已经上交捡到的钱款，但这给物流行业敲响了警钟。目前物流行业很少全程摄像，实时监控可以避免因意外而引起的纠纷［1］。另外，物品在运输过程中，物品的实时位置以及何时到达目的地也是客户十分关心的问题［2-3］。

当前我国导航系统主要依赖进口，2000 年建成北斗导航试验系统，使我国成为世界上第三个拥有自主卫星导航系统的国家，如今中国的卫星研究取得了阶段性成果，打破了依赖国外的局面［4-7］。北斗卫星导航系统是我国自主研发的，不会受到外国制约，具有较高的使用安全性，抗干扰能力较强［8-9］。与美国GPS应用领域相类似，该系统已成功应用于测绘、电信、水利、渔业、交通运输、森林防火、减灾救灾和公共安全等诸多领域，并产生显著的经济效益和社会效益［10］。随着我国经济不断发展，利用北斗卫星导航系统的优势和借助无线传感网络技术，将极大促进现代物流业更加智能化、信息化、人性化、多功能化和集成化［11-12］。

综上所述，本文提出选用我国自主研制的北斗卫星导航系统，采用嵌入式Linux 操作系统，利用Video4Linux 采集视频信息，使用高传输率的3G 无线通信模块，Qt 软件编写与Google Maps API 相结合，实现了视频采集、物流车辆定位、路径优化和轨迹回放等功能。

1 物流监控管理系统架构

物流监控系统主要由物流车载终端、3G 无线通信模块、远程监控中心三部分组成。物流车载终端由ARM 处理器、摄像头和北斗定位模块组成，实现物流车辆实时定位信息和视频信息的采集。3G 无线通信模块主要实现数据的传输，将接收到的定位信息和经JPEG 压缩的视频信息通过TCP/IP 传输到物流远程监控中心。物流远程监控中心主要由物流监控主机、物流管理主机、嵌入式综合监控平台和数据库组成，实现定位信息的显示和存储功能。物流监控系统架构图如图1 所示。

系统主要实现视频采集、物流车辆定位、路径优化和轨迹回放功能，系统功能结构如图2 所示。物流远程监控中心采用开源的面向对象的Qt 实现信息的显示。Qt 具有多线程、跨平台和可移植性等特点，支持所有重要的数据驱动，可以无缝连接数据库与Qt 应用程序，应用领域较广阔。

图1 物流监控系统架构图Fig.1 Logistics monitoring system architecture

图2 系统功能结构图Fig.2 System function block diagram

2 硬件设计

物流监控导航车载终端主要包括:地理信息采集系统(geographic information system，GIS)、ARM 微处理器模块、北斗卫星定位模块、3G 无线通信模块、视频采集模块和电源模块。物流车辆定位框架图如图3所示。

图3 物流车辆定位框架图Fig.3 Logistics vehicle positioning frames

北斗卫星定位模块通过串行接口UART2 与ARM微处理器模块进行通信，3G 无线通信模块通过串口UART1 与ARM 进行通信。

2.1 ARM 微处理器模块

ARM 微处理器模块选用友善之臂的Smart210 核心板，CPU 是Samsung S5PV210，基于CortexTM - A8，运行主频1 GHz;内置PowerVR SGX540 高性能图形引擎;支持流畅的2D/3D 图形加速;最高可支持1 080p@30 f/s 硬件解码视频流畅播放，格式可为MPEG4、H.263、H.264 等;最高可支持1 080p@30 f/s 硬件编码(Mpeg -2/VC1)视频输入;32 位数据线，512 MB DDRRAM。

2.2 北斗卫星定位模块

北斗卫星定位模块采用麦宏科技设计的UM220 -III N。UM220 - III N 采用片上芯片(system on chip，SOC)，该芯片具有双系统、多频率、高性能、低成本、低功耗等优势，能够同时支持BD2 B1/GPS L1两个频点;可以在低功耗的情况下提供很高的灵敏度;能够在各种情况下选择适合的定位系统来方便自己定位。本模块包含地理信息系统(GIS)采集模块，物流运输车的实际位置信息都包含在帧$BDRMC 结构中，有固定的格式规范。该模块波特率为9 600 bit/s，数据位为8 bit，停止位为1 bit，无奇偶校验位，串口电压是TTL 低电平3.3 V。

2.3 3G 无线通信模块

3G 无线通信模块采用的是华为公司生产的MU509(UMTS/HSDPA 2 100 MHz GSM/GPRS/EDGE 850/900/1 800/1 900 MHz)通信模块，是双频宽带码分多址(WCDMA)工业级无线模块，支持3.6 Mbit/s下行速率;提供高质量的语音、短信功能，空中固件升级(FOTA)功能，内置TCP/IP 协议栈，以及华为扩展AT 命令集。MU509 有8 个wire UART，采用标准RS-232 串行接口，支持语音数据以及短消息(short message service，SMS)的接收、发送和对短信的管理，支持TCP/IP、PPP 通信协议。嵌入式ARM 微处理器可以借助3G 无线通信模块强大的数据传输功能实时地进行信息处理。MU509 的数据输入、输出接口实际上是一个串口，它可以与S3C2440 中的串口直接相连接，工作电压3.3 V。

2.4 电源模块

电源模块主要是通过电压变换电路将5 V 电压转变成3.3 V、1.8 V 和1.2 V 电压。系统使用LM1117 芯片将电压转换成3.3 V 和1.8 V，使用MAX8860EUA18芯片将5 V 电压转换成1.2 V 电压。

3 软件设计

3.1 视频采集流程

利用USB 摄像头采集行车视频信息，编译并加载Linux 自带视频设备的ov511 驱动程序，无需另外安装驱动，只需要在编译内核时加载进去。配置内核，使之支持USB，在device drive 中选择Multimedia device 下的Video for Linux，加载Video4lLnux 模块，在usb support 目录下选择support for usb 和usb camera ov511 support。利用Video4Linux 标准视频处理接口进行视频图像的采集，交叉编译JPEG 库移植到ARM 微处理器，从而实现对视频图像数据的JPEG 压缩，以减轻网络传输负担。实现图像的JPEG 压缩，需要对JPEG 编码库的交叉编译，下载JPEG src.v6b.tar.gz 的库，使用命令(#tar xvzf JPEG src. v6b. tar. gz)进行解压缩。图像截取采用双缓冲内存映射方式。

3.2 总体设计流程

系统实现流程主要包括:嵌入式开发环境的搭建、系统初始化、3G 模块和Internet 网络的建立、摄像头驱动移植、JPEG 库环境变量建立和移植、远程监控程序编写等。系统在嵌入式Linux 下完成驱动程序的编写和定位信息采集程序设计。软件设计流程图如图4所示。

图4 软件设计流程图Fig.4 Software design flow diagram

北斗定位模块的软件程序主要由数据的接收、处理程序和发送程序构成。定位信息的获取采用中断方式。将定位信息保存在Buffer 缓冲器中，发送数据帧$BDRMC 到ARM 微处理器模块，其中帧$BDRMC 有固定的格式规范，自动截取有用的数据信息帧通过串口数据通信。

3G 模块主要是连接Internet 因特网，采用TCP/IP协议进行数据传输。3G 模块的启动和调用均是通过AT 指令来完成的。连接因特网络包括网络拨号和PPP 协商等过程。

视频采集模块主要包括视频设备的初始化、利用mmap()进行视频截取、处理采集的数据帧和JPEG 压缩等。其中，利用mmap 截取视频图像采用内存映射的方式。JPEG 压缩的流程包括设置用于保存图形信息的结构体、设置图像压缩品质和利用快速离散余弦变换压缩图像等。

Qt 软件设计主要是调用Google 提供的API 接口函数以及多线程(QThread)处理数据;使用Qt 下的QtWebKit 组件来显示电子地图;调用setUrl 函数创建系统主界面并显示程序的主窗口，最终实现定位信息和实时的视频信息的获取。

4 测试结果与分析

北斗定位导航系统借助谷歌实验室提供的Google Maps API 接口函数，在Qt 下实现物流车辆的定位信息的显示、全程摄像、轨迹记录等功能;调用函数和使用QtWebKit 组件来显示地图信息。接收到的数据信息通过串口助手进行调试，波特率选用115 200 bit/s，串口助手显示的数据帧为$BDRMC，110917. 000，A，4349.303811，N，12629.796641，E，0.472，166.581。系统软硬件设计和调试之后，北斗导航系统在教学楼附近进行测试。鉴于Qt 可以在Linux、Windows、Android等系统使用，本文选择具有代表性的Windows 系统进行显示。

Qt 界面上的定位信息和监控视频信息以10 s 时间间隔不断刷新，其中界面带绿色的为定位标志符号。经过多次测试该系统，系统稳定可靠。如果网络信号稳定，延时误差在3 ～12 s 之间，丢包率在0.1%以内;相反，在人群较为集中的地方或者阴雨天信号不稳时，延时误差和误报率较大，有时甚至接收不到信号。

5 结束语

针对物流跟踪不及时、车辆没有实时监控等问题，本文将我国自主研制的北斗卫星定位模块、高传输率的3G 无线通信模块和Linux 自带的视频驱动程序相结合，实现了视频采集、物流车辆定位、路径优化和轨迹回放等功能。另外对车辆线路进行优化，提高了物流运输的安全性和实时性。鉴于物流监控管理系统存在延时，下一步主要是降低系统的延时。

［1］ 吴大中，宋俊飞.实验室智能监控系统设计［J］.电子技术应用，2014，4(3):120 -122.

［2］ 王肖楠，张兴波，李炳祥.基于GPRS 和基站定位的城市公交监控装置［J］.电子技术应用，2013，39(2):39 -41.

［3］ 袁浩浩，蒋联源，张联盟.基于WSN 的冷链物流监控溯源系统［J］.网络与信息化，2014，33(6):369-378.

［4］ Erickson A S. China＇s space development history:a comparison of the rocket and satellite sectors［J］.Acta Astronautica，2014(103):142-167.

［5］ 于浚烽，陈蔚芳，马万太.基于GIS /GPS 技术的肉品冷链物流监控与调度系统［J］.计算机应用，2014，34(S1):312 -314.

［6］ 杨殿阁，连小珉，张涛，等. 基于北斗卫星的车辆组合导航系统开发［J］.清华大学学报:自然科学版，2008，48(5):856 -859.

［7］ Huang Zechun .GPS vehicle positioning monitoring system integreted with COPS and mobile GIS［J］. Procedia Environmental Sciences，2011(10):2498-2504.

［8］ 汪津，邬群勇，罗建平. 基于GIS/GPS/GPRS 的公共服务车辆监控系统研究［J］.宁夏大学学报:自然科学版，2013，34(1):49 -53.

［9］周兵，陈向东，赵齐乐.北斗系统与GPS 应用比较分析［J］.全球定位系统，2012，37(4):6 -8.

［10］Cai Ming.Road traffic noise mapping in Guangzhou using GIS and GPS［J］.Applied Acoustics ，2015(87):94-102.

［11］李德库.电子商务环境下的物流管理创新［J］. 中国流通经济，2013(8):39 -43.

［12］Adrian E.Facilitating multimodal logistics and enabling information systems connectivity through wireless vehicular networks［J］.Interational Journal of Production Economics，2009 (122 ):229-240.