CN203259857U - 一种工程机械远程及本地视频监控车载装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种工程机械远程及本地视频监控车载装置，主要包括基于Linux系统的微控制器以及与该微控制器连接的数据采集输入单元、LCD人机交互界面、3G无线通讯模块和数据存储器。数据采集输入单元负责采集工程机械工况和视频数据；微控制器对采集数据进行处理后，输出至人机交互界面显示，实现本地视频监控；3G无线通讯模块通过TCP/UDP网络协议与远程监控中心建立无线连接，采用WCDMA/GPRS混合方式实时传输视频等大数据量，实现远程视频监控。该装置集成度高，可以实现远程及本地视频监控；同时在本地视频监控中引入了人脸检测功能，可以对工作范围内的人员进行人脸识别，主动发出报警信号，降低事故发生率。
Description
技术领域
本实用新型属于工程机械车载监控技术领域，特别涉及一种工程机械远程及本地视频监控车载装置。
背景技术
进入21世纪以来，国家提出了一系列加强铁路、公路、电力、水利水电等基础设施建设的政策，使得我国工程机械行业呈现高速发展态势。由于工程机械单台销售价格昂贵、本身结构复杂、施工载荷不稳定、工作环境恶劣，造成其故障发生率非常高。因此，对于工程机械的工作状况监测和故障诊断越来越受到重视。同时，随着无线移动通讯技术的不断完善，网络覆盖率的提高，基于无线通讯网络的远程监控技术也得到了更大的应用。
目前市场上工程机械车载监控装置有以下不足：① 监控方式大多比较单一，不能同时兼顾本地监控和远程监控，这样势必限制了监控系统的功能，对工程机械的工况监测和故障诊断带来诸多不便；② 采集的信息数据比较单调，以发动机转速、燃油油位、液压油温度、冷却水水温等工况参数为主，往往忽略了工程机械实际工作的周围环境因素；③ 对于周围环境没有主动预警功能，操作人员驾驶工程机械工作过程中，尤其是倒车和转台回转时，由于精神高度集中，加之视野范围有限，容易发生安全事故；④ 对于远程监控系统，普遍采用了基于GPRS网络的数据传输方式，而GPRS网络实际数据传输速度只有40Kbit/s，无法解决视频等实时大数据量的传输，使得监控中心接收的数据延时严重，视频显示不连贯，无法满足用户需求。
发明内容
本实用新型针对背景技术中的不足和缺陷，提供了一种基于3G网络的车载监控装置。该装置具有较高的集成度，兼顾远程及本地监控功能；引入了视频监控方式，方便操作人员观察工程机械周围环境，尤其是视角盲区的环境情况；同时利用WCDMA/GPRS网络的混合数据传输方式以及MPEG-4编码方案可以有效解决视频等大数据量的传输，保证数据传输的可靠性。
本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：
本实用新型包括工程机械数据采集输入单元、基于Linux系统的微控制器、LCD人机交互界面、3G无线通讯模块、数据存储器。
数据采集输入单元将采集到的工程机械工作参数和周围环境信息经微控制器分析、处理后输出至LCD人机交互界面，以图形化的方式显示，实现系统的本地视频监控。
数据采集输入单元将采集到的工程机械工作参数和周围环境信息经微控制器分析、处理后由3G无线通讯模块发送给远程监控中心，并接收和执行来自远程监控中心的控制指令，实现系统的远程视频监控。
所述数据采集输入单元包括：
用于采集工程机械工况参数信息的工况参数采集模块。
用于采集工程机械室外工作环境参数的视频信息采集模块。
用于采集工程机械地理位置信息的GPS模块。
所述工况参数采集模块包括RS-232接口和CAN总线接口。
所述视频信息采集模块包括四路CCD摄像头，分别为：安装在驾驶室前端的前摄像头、安装在驾驶室后端的后摄像头、安装在驾驶室左端的左摄像头和安装在驾驶室右端的右摄像头。
本实用新型远程及本地视频监控车载装置安装在工程机械驾驶室内，通过RS-232接口、CAN总线接口、安装在驾驶室外的四路CCD摄像头和GPS模块分别采集工程设备的工况参数、周围环境参数和地理位置参数；微控制器对输入的参数信息进行分析、处理后，根据控制信号分别输出至LCD人机交互界面、3G无线通讯模块和数据存储器；LCD人机交互界面接收数据并显示，图形显示层和视频显示层可以手动切换显示；3G无线通讯模块通过TCP/UDP网络协议与远程监控中心建立连接，将通信帧发送给远程服务器，并接收和执行来自远程监控中心的控制指令；当无线网路不可用时，为防止信息丢失，将其保存至数据存储器。
与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：该装置的数据采集输入单元采集的数据信息丰富，包含工程设备的工况参数、周围环境参数和地理位置参数；该装置可实现本地监控，采集的工况参数以仪表盘等图形化的方式显示，实时监测设备运行状况，四路视频信号以分块的方式合理呈现在人机交互界面上，实时监测设备周围环境的变化，尤其是工程机械倒车、转台转动时刻，减少视角盲区，两显示界面可以手动切换；该装置可实现远程监控，利用3G无线通讯模块通过TCP/UDP网络协议与远程监控中心建立连接，传输的信息数据可以显示在远程服务器上，工作人员即使在异地也能方便观察工程机械的运行状况、地理位置以及其周围环境变化，同时车载装置接收并执行来自远程监控中心的控制指令；该装置的3G无线通讯模块同时利用WCDMA、GPRS两种数据传输方式以及MPEG_4编码方案，实现视频等大数据量的实时传输，保证数据传输的可靠性；该装置的数据存储器在通讯网络不好的情况下，可以储存数据信息，保证数据传输的安全性。
在视频数据进行无线传输之前，需要对其压缩编码，本实用新型采用MPEG-4作为视频实时传输的编码方案，该方法编码效率和压缩比较高，节省存储空间，保证图像质量，适合低带宽条件下使用。
附图说明
图1是本实用新型的总体结构框图。
图2是本实用新型的硬件电路结构图。
图3是本实用新型的数据采集输入单元结构图。
图4是本实用新型的LCD人机交互界面结构图。
图5是本实用新型的视频采集显示流程图。
图6是本实用新型的采集数据处理流程图。
图7是本实用新型的WCDMA/GPRS混合数据传输方式流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型进行详细说明。
如图1所示，本实用新型的一种工程机械远程及本地视频监控车载装置主要包括：工程机械数据采集输入单元；基于Linux系统的微控制器4；LCD人机交互界面5；3G无线通讯模块6；数据存储器7；
其中，数据采集输入单元将采集到的工程机械工作参数和周围环境信息经微控制器4分析、处理后输出至LCD人机交互界面5，以图形化的方式显示，实现系统的本地视频监控；同时，数据采集输入单元将采集到的工程机械工作参数和周围环境信息经微控制器4分析、处理后由3G无线通讯模块发送给远程监控中心8，并接收和执行来自远程监控中心8的控制指令，实现系统的远程视频监控。
如图2所示，本实用新型的一种工程机械远程及本地视频监控车载装置的硬件电路结构采用基于ARM11构架的MICMX357DVM微处理器（内移植Linux操作系统），外围扩展了视频采集电路、RS-232接口电路、CAN总线接口电路、3G无线通讯接口电路、GPS接口电路、LCD液晶显示屏接口电路、大容量存储电路和JTAG编程调试电路等，可以完成车载监控装置的各种监控需求。
本实用新型的数据采集输入单元由三部分组成，分别包括：工况参数采集模块1、视频信息采集模块2和GPS模块3。
其中，如图3所示，工况参数采集模块1包括：RS-232接口11和CAN总线接口12。相对应的工况参数采集方法有RS-232数据采集和CAN总线数据采集。RS-232数据采集：RS-232接口设备与MCU之间连接电压转换芯片，此处选用ISL83387E芯片，该RS-232接口可以与工程设备监测仪表的RS-232接口相连，完成工况数据采集；CAN总线数据采集：MCU自带CAN控制器，外接CAN信号收发器CTM8251AT，组成两路CAN总线接口，第一路CAN总线接口可以与工程机械发动机控制器上的CAN总线接口相连，完成数据采集。第二路CAN总线接口作为备用。
其中，如图2、3所示，视频信息采集模块2包括四路CCD摄像头，分别为：安装在驾驶室前端的前摄像头21、安装在驾驶室后端的后摄像头22、安装在驾驶室左端的左摄像头23和安装在驾驶室右端的右摄像头24。CCD摄像头与MCU间需要视频解码芯片，此处选用ADV7180视频解码芯片。ADV7180通过I2C总线配置内部寄存器，视频输入模式采用CVBS输入模式。前、后、左、右四路CCD摄像头分别从CVBS1、CVBS2、CVBS3和CVBS4端口输入PAL格式的模拟视频信号，经ADV7180解码后得到4:2:2的YCbCr格式数字视频信号，并输出至MCU。
其中，如图2、3所示，GPS模块3采用SIRF Ⅲ单芯片开发的GP3SF1513F1-S接收模块，支持20个卫星通道，刷新频率为1Hz，支持NMEA 0183 V3.0协议。该GPS接收模块通过串口UART3连接到MCU，将接收到的标准NMEA数据包通过串口定时输送到MCU。MCU 经过解析得到所需的经度、纬度信息。
本实用新型的LCD人机交互界面5是在Qt/Embedded平台基础上设计的GUI界面，选用一块分辨率为800*400的7寸液晶屏作为其显示载体。如图4所示，GUI界面包括：用于显示工程机械工况参数、视频信息和工作模式的状态显示界面51；用于故障报警的预警提示界面52；用于设置工程机械常见参数的系统参数设置界面53。
其中，状态显示界面51又分成图形显示层和视频显示层，两层之间可以手动切换。图形显示层：工程设备的工况参数以仪表盘的形式显示；工作模式以图标的形式显示，每一种工作模式都有其对应的图标，容易分辨。工况参数采集模块1将采集的工况数据经MCU处理后，发送到Qt/Embedded程序中，将整型数据转化成字符型后，利用图像绘制函数绘制成相应图形（发动机转速、冷却水水温、液压油温度用指针代表，电池电压、燃油油位用表格代表）实时动态显示；工作模式的图标是将图片资源导入到Qt工程，经图形处理函数处理后得到的，根据输入的工况参数判断工程机械的工作模式，然后改变并加亮其对应图标的颜色，方便观察。视频显示层：四路模拟视频信号经ADV7180解码后得到数字视频信号，放入视频缓存内，如图5所示，视频显示程序读取图像信息，将YCbCr格式视频数据转化成RGB格式，然后在label图片控件上显示。四路视频信号分块显示，根据视觉习惯进行位置排布，方便操作人员对周围环境的观察。
其中，故障预警同样是以图标的形式显示，每一种故障预警模式都有其对应的图标。在程序中，先定义冷却水水温、燃油油位、电池电压、液压油温度等工况参数的阀值范围，一旦采集到的工况数据超过设定阀值范围时，相对应的故障图标变成红色，并呈现闪烁状态，提示工程设备工作出现异常。
本实用新型的3G无线通讯模块6采用SIM TECH的SIM5216，内嵌TCP/UDP/FTP等多种协议，这是一款工业级的无线通讯模块。由于需要传输视频等大数据信息，对传输速度要求比较高，故选择自带的USB2.0接口连接到MCU，同时外围扩展了SIM卡接口电路。该模块支持WCDMA、EDGE、GPRS、GSM等多种数据传输方式，此处采用WCDMA/GPRS混合数据传输方法。使用标准的AT指令，完成SIM5216的初始化，并与远程监控中心建立Socket连接。
如图6所示，四路CCD摄像头采集的模拟视频数据经ADV7180解码后得到的YCbCr数字视频数据依然很大，在无线传输之前需要进一步压缩编码，此处采用MPEG-4作为视频实时传输的编码方案，该方法编码效率和压缩比较高，节省存储空间，保证图像质量。数字视频通过MPEG-4编码程序后，封装成通信帧，通过UDP协议传输到远程监控中心8；工况参数采集模块1和GPS模块3采集的数据经MCU封装后，通过TCP协议传输到远程监控中心8。
如图7所示，本实用新型采用WCDMA/GPRS混合数据传输方式，保证数据传输的可靠性。该方式共有两种传输模式：WCDMA传输模式和GPRS传输模式，具体步骤如下：
1.启动并初始化SIM5216无线通讯模块；
2.SIM5216模块正常启动后，判断当地WCDMA网络是否有效；
3.如果WCDMA网络有效，进入WCDMA传输模式，通过WCDMA网络传输包含视频数据、工况数据和地理位置信息的通信帧；
4.接收并执行来自远程监控中心的控制指令；
5.如果WCDMA网络无效，进入GPRS传输模式，判断GPRS网络是否有效；
6.如果GPRS网络有效，此时丢弃视频通信帧，只通过GPRS网络传输包含工况数据和地理位置信息的通信帧；
7.接收并执行来自远程监控中心的控制指令；
8.定时检测WCDMA网路信号，一旦检测到WCDMA网络有效，立即切换到WCDMA传输模式；
9.如果GPRS网络无效，将工况数据和地理位置信息通信帧按时间顺序保存到数据存储器7。
本实用新型的数据存储器7采用SD卡存储器，外扩一张4G的SD卡。当WCDMA、GPRS网络都无效时，将工况数据和地理位置信息通信帧按时间顺序临时存储到SD卡中。一旦网络恢复正常，可从SD卡中取得历史数据，再次发送到远程监控中心8，保证数据传输的安全性。
上述实例用来解释说明本实用新型，而不是对本实用新型进行限制，在本实用新型的精神和权利要求的保护范围内，对本实用新型做出的任何修改和改变，都落入本实用新型的保护范围。
Claims (1)
1. 一种工程机械远程及本地视频监控车载装置，包括工程机械数据采集输入单元、基于Linux系统的微控制器、LCD人机交互界面、3G无线通讯模块、数据存储器，其特征在于：
数据采集输入单元将采集到的工程机械工作参数和周围环境信息经微控制器分析、处理后输出至LCD人机交互界面，以图形化的方式显示，实现系统的本地视频监控；
数据采集输入单元将采集到的工程机械工作参数和周围环境信息经微控制器分析、处理后由3G无线通讯模块发送给远程监控中心，并接收和执行来自远程监控中心的控制指令，实现系统的远程视频监控；
所述数据采集输入单元包括：
用于采集工程机械工况参数信息的工况参数采集模块；
用于采集工程机械室外工作环境参数的视频信息采集模块；
用于采集工程机械地理位置信息的GPS模块；
所述工况参数采集模块包括RS-232接口和CAN总线接口；
所述视频信息采集模块包括四路CCD摄像头，分别为：安装在驾驶室前端的前摄像头、安装在驾驶室后端的后摄像头、安装在驾驶室左端的左摄像头和安装在驾驶室右端的右摄像头。
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