基于ARM9的道路交通數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計

　　國內(nèi)外實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)證明，解決城市交通問題不能單純依靠修建道路基礎(chǔ)設(shè)施，而智能交通系統(tǒng)(ITS)是解決交通擁堵、減少交通事故、防止交通污染，提高交通管理水平的最有效的方法和手段。其特點(diǎn)是信息技術(shù)使管理者和使用者可同時獲得同樣的信息。交通參與者在已知路網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)條件下可以自主選擇和實(shí)現(xiàn)交通誘導(dǎo)，對提高交通的機(jī)動性、安全性、有序化，通行能力和道路系統(tǒng)的交通效率提供了技術(shù)支持。因此，道路交通實(shí)時動態(tài)信息采集成為ITS最為基礎(chǔ)的環(huán)節(jié)。

　　信號控制作為城市道路交通管理的主要手段之一，在改善城市交通秩序、減少事故、提高道路利用率等方面有著重要的作用。近年來我國城市交通信號控制發(fā)展迅速，目前已有一些城市通過引進(jìn)國外產(chǎn)品，如英國的SCOOT，澳大利亞的SCATS系統(tǒng)，美國的Quiknet，西班牙的Sainco系統(tǒng)等，或者使用國內(nèi)研究成果建立起來了城市交通信號控制系統(tǒng)進(jìn)行道路交通管理。這些控制設(shè)備采集的交通數(shù)據(jù)信息只服務(wù)于各自的系統(tǒng)，無法實(shí)現(xiàn)交通數(shù)據(jù)信息的共享。

　　目前，我國大多數(shù)城市的交通數(shù)據(jù)信息的采集依賴于交通路口設(shè)置在路面下的環(huán)形線圈檢測器、快速干道路側(cè)的微波或雷達(dá)和視頻檢測設(shè)備等。由于建于不同時期，不同的開發(fā)和生產(chǎn)背景，導(dǎo)致類型不一、信息開放不一、標(biāo)準(zhǔn)不一、通信傳輸和協(xié)議不一。如測控設(shè)備有工控機(jī)、PLC、單片機(jī)或?qū)Ｓ糜嬎銠C(jī)等。對于包括圖像在內(nèi)的大量道路交通信息的采集、處理和傳輸，現(xiàn)有的設(shè)備顯得力不從心，并且這些相互獨(dú)立的不同系統(tǒng)和設(shè)備并沒有覆蓋整個城市，系統(tǒng)和設(shè)備之間的信息無法融合和共享，更無法實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)和優(yōu)化。因此，它們之間的信息暢通和集成已經(jīng)成為我國城市交通信號控制系統(tǒng)發(fā)展的主要任務(wù)。目前眾多城市中使用的相互獨(dú)立的不同系統(tǒng)和不同信號控制器給系統(tǒng)信息暢通和集成帶來了相當(dāng)?shù)睦щy。文獻(xiàn)[3]采用協(xié)議轉(zhuǎn)換的方式來實(shí)現(xiàn)其集成和融合，但無法解決設(shè)備的低性能和處理能力低的問題。

　　考慮到目前我國城市現(xiàn)有的通信條件和實(shí)際情況，本文設(shè)計了利用嵌入式系統(tǒng)作為開發(fā)平臺，利用TCP/IP協(xié)議作為交通信息傳輸?shù)姆绞降牡缆方煌〝?shù)據(jù)采集的方案。由于Internet的發(fā)展和普及，采用TCP/IP協(xié)議簡單、方便、成本低，開放性好，標(biāo)準(zhǔn)化程度高。道路上各節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，中心利用采集各節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行控制、決策和協(xié)調(diào)，并向外發(fā)布信息。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計

　　2.1 基本要求

　　各個節(jié)點(diǎn)將道路交通流(主要指機(jī)動車流)的信息(車速、流量、占有率、緊急事件報警等)通過信息采集、處理與分析，完成路口的控制，并傳輸?shù)綔y控中心，提供給交通管理人員使用以及供廣大駕駛員參考。必須滿足的基本要求如下：

　　能對道路上各類傳感設(shè)備兼容，即能實(shí)現(xiàn)多路模擬和數(shù)字信號的采集。采集的時間間隔在30 s～2 min。

　　具有路口控制功能，能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸、處理和控制。當(dāng)通信網(wǎng)絡(luò)一旦出現(xiàn)故障，各節(jié)點(diǎn)根據(jù)交通信息，依據(jù)歷史數(shù)據(jù)和當(dāng)前采集的信息，通過數(shù)學(xué)模型實(shí)現(xiàn)局部優(yōu)化控制。

　　實(shí)時接受由測控中心發(fā)來的信息，并需要在5～10 min之間能發(fā)布信息，從而使交通管理人員和交通參與者掌握和了解即時交通狀況。

　　同時融合其他方面的交通信息，如公共交通線路運(yùn)行信息、突發(fā)事件相關(guān)信息等提供給道路使用者，使路面實(shí)時信息更加豐富。

　　通信接口豐富(具有TCP/IP通信接口、232/USB接口等)，內(nèi)存空間較大。

　　2.2 系統(tǒng)設(shè)計

　　2.2.1 節(jié)點(diǎn)的硬件組成

　　考慮到戶外交通環(huán)境的特殊性，前端設(shè)備采用嵌入的設(shè)計方法，其硬件組成結(jié)構(gòu)如圖2所示。

　　節(jié)點(diǎn)作為控制的一部分，要完成路口的控制功能。控制的實(shí)現(xiàn)利用采集的交通數(shù)據(jù)和中心發(fā)布的協(xié)調(diào)控制指令，通過節(jié)點(diǎn)處理后完成。所以，一個節(jié)點(diǎn)由數(shù)據(jù)采集、傳輸、控制3個功能單元組成。這些功能的實(shí)現(xiàn)通過嵌入式系統(tǒng)來完成。

　　按其功能要求其數(shù)據(jù)流有：一是從各個傳感器采集的數(shù)據(jù)，通過中間處理過程進(jìn)行處理后，顯示在管理人員面前或?qū)ν獍l(fā)布的客戶終端上;二是從信息采集系統(tǒng)中取來的數(shù)據(jù)，通過中間處理過程進(jìn)行處理后，上傳到監(jiān)控中心，存儲在數(shù)據(jù)庫中;三是監(jiān)控中心發(fā)布系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制的命令或處理的結(jié)果在節(jié)點(diǎn)上顯示。其數(shù)據(jù)流的傳輸如圖3所示。

　　2.2.2 數(shù)據(jù)采集

　　交通數(shù)據(jù)的采集主要功能是將路面交通的流量、車速、占有率等原始交通數(shù)據(jù)通過各類交通檢測器送到節(jié)點(diǎn)進(jìn)行預(yù)處理。常用的有環(huán)形線圈檢測器采集機(jī)動車交通流量、車速等交通信息;微波和視頻檢測器可以獲得實(shí)時的機(jī)動車車速、流量、占有率等各種交通流數(shù)據(jù);牌照識別系統(tǒng)可以計算機(jī)動車在該條道路上的旅行時間;除此以外，還有路面執(zhí)勤的交警定時或?qū)崟r的報告路況交通等。

　　上述各類檢測器還有其他相應(yīng)的功能作用，如環(huán)形線圈檢測器主要為信號控制系統(tǒng)提供系統(tǒng)實(shí)時交通數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)經(jīng)處理后，對路口信號機(jī)進(jìn)行協(xié)調(diào)控制;視頻檢測附屬在視頻監(jiān)控系統(tǒng)中，為交通管理人員提供直觀的實(shí)時路面圖像等。

　　為保證交通信息共享，要將這些檢測器采集的交通流信息送到節(jié)點(diǎn)機(jī)進(jìn)行預(yù)處理，以保證采集到的數(shù)據(jù)安全、可靠和有效的傳輸?shù)綔y控中心。

　　2.2.3 采集數(shù)據(jù)的預(yù)處理

　　節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的預(yù)處理，其主要功能將各類檢測器采集的異樣數(shù)據(jù)進(jìn)行過濾，去掉非法、無效的數(shù)據(jù)，對故障數(shù)據(jù)進(jìn)行恢復(fù)，將有效、合法的數(shù)據(jù)按照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行格式化處理，并將其封裝、利用TCP/IP協(xié)議，通過通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到測控中心指定的數(shù)據(jù)通道或數(shù)據(jù)庫，提供給交通信息處理與分析子系統(tǒng)。采集得到的數(shù)據(jù)經(jīng)預(yù)處理后的實(shí)時檢測交通數(shù)據(jù)效果更好，更符合實(shí)際情況的需要，并有效地節(jié)省了計算機(jī)存儲的工作量。

　　2.2.4 控制執(zhí)行

　　系統(tǒng)設(shè)計為分布式客戶/服務(wù)器體系結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，一方面，節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)與上級監(jiān)控中心共享數(shù)據(jù)庫通過光纜收集控制器預(yù)處理過的圖像和數(shù)據(jù)信息，在監(jiān)控中心通過相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行預(yù)測、誘導(dǎo)和控制的控制參數(shù)一起作為本地節(jié)點(diǎn)的控制輸入?yún)?shù)，另一方面，要求把本節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳送到數(shù)據(jù)庫和監(jiān)控中心。一旦通信系統(tǒng)發(fā)生阻塞或故障，該節(jié)點(diǎn)也能根據(jù)當(dāng)?shù)貙?shí)時檢測到的交通流量和歷史數(shù)據(jù)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行基于該路口的局域最優(yōu)控制。發(fā)生事故和其他特殊情況時，還可以通過手動實(shí)現(xiàn)路口的控制。

　　2.2.5 網(wǎng)絡(luò)通信

　　節(jié)點(diǎn)控制機(jī)將各種檢測器采集的交通流信息用來控制該節(jié)點(diǎn)的交通，同時又要經(jīng)處理機(jī)進(jìn)行預(yù)處理，利用通信接口，通過TCP/IP協(xié)議，保證采集到的數(shù)據(jù)安全性、可靠性、有效性傳輸?shù)娇刂浦行?，用于整個交通系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制和管理。

　　3 實(shí)現(xiàn)技術(shù)

　　3.1 硬件平臺

　　節(jié)點(diǎn)處理機(jī)要執(zhí)行繁重的通訊和算法處理，對處理器的通訊和運(yùn)算速度有很高的要求，傳統(tǒng)的單片機(jī)處理器性能有限無法滿足節(jié)點(diǎn)的要求。因此采用SAMSUNG公司的處理器S3C2410平臺，它具有靈活的特性和強(qiáng)大的性能，在嵌入式系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。該處理器內(nèi)部集成了ARM公司ARM920T處理器核的32位微控制器，資源豐富，帶獨(dú)立的16 kB的指令Cache和16 kB數(shù)據(jù)Cache、LCD控制器、RAM控制器、NAND閃存控制器、3路UART、4路DMA、4路帶PWM的Timer、并行I/O口、8路10位ADC、TouchSereen接口、I2C接口、I2S接口、2個USB接口控制器、2路SPI，主頻最高可達(dá)203 MHz。在處理器豐富資源的基礎(chǔ)上，還進(jìn)行了相關(guān)的配置和擴(kuò)展，平臺配置了16 MB 16位的FLASH和64 MB 32位的SDRAM。通過以太網(wǎng)控制器芯片CS8900A擴(kuò)展了一個網(wǎng)口，另外引出了一個HOST USB接口。硬件平臺如圖4所示。

　　16 MB 16位的FLASH用來存儲Linux內(nèi)核和應(yīng)用程序，64MB 32位的SDRAM在系統(tǒng)運(yùn)行的時候存儲Linux的內(nèi)核和應(yīng)用程序。

　　以太網(wǎng)控制器通過以太網(wǎng)接口芯片CS8900A，用于接入Internet，加入光纖接口就可以實(shí)現(xiàn)光纖通訊。

　　RS 232和AD接口分別用于接入液晶控制器、交通燈控制器、交通指示牌控制器和檢測設(shè)備。

　　液晶控制器用來設(shè)定或者修改智能路口控制器控制參數(shù)，而且還可以通過手動直接控制交通燈。

　　USB接口上外接一個帶USB口的攝像頭，將采集到的視頻圖像數(shù)據(jù)放入輸入緩沖區(qū)中。然后，或者保存成文件的形式，或者運(yùn)行移植到平臺上的圖像處理程序，對緩沖的圖像數(shù)據(jù)直接進(jìn)行相關(guān)處理，再保存并打成UDP包。最后，通過網(wǎng)絡(luò)接口將圖像發(fā)送到Internet上。

　　交通燈的控制是直接控制，接收系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)定，比如路口數(shù)、紅綠燈時間等，并控制交通燈。交通指示牌是用來提供交通信息的大屏幕，S3C2410接收來自監(jiān)控中心的交通信息，并將這些信息送到交通指示牌控制器，顯示在大屏幕上，用來誘導(dǎo)交通。檢測設(shè)備在目前交通控制中的各種檢測設(shè)備不但種類繁多，而且新產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)，預(yù)留了包括串口在內(nèi)的多種接口方式。

　　3.2 系統(tǒng)軟件

　　系統(tǒng)操作系統(tǒng)采用Linux操作系統(tǒng)，Linux內(nèi)核是一種源碼開放的操作系統(tǒng)，采用模塊化的設(shè)計。在此只保留了必需的功能模塊，刪除了冗余的功能模塊，并對內(nèi)核重新編譯，從而使系統(tǒng)運(yùn)行所需的硬件資源顯著減少。最重要的一點(diǎn)是，Linux自誕生之日起就與網(wǎng)絡(luò)密不可分，Linux系統(tǒng)內(nèi)核集成了大量的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序，支持全部的標(biāo)準(zhǔn)因特網(wǎng)協(xié)議和幾乎所有的聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，這使Linux很適合基于網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用開發(fā)，用戶編寫的程序代碼可以直接建立在這些網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序的基礎(chǔ)之上，從而大大縮短開發(fā)周期。因此將其應(yīng)用于智能交通路口控制器的設(shè)計，具有代碼量小、運(yùn)行消耗系統(tǒng)資源少、可靠性高、開發(fā)周期短等優(yōu)點(diǎn)，適應(yīng)了智能交通路口控制器對于操作系統(tǒng)的要求。加載流程如圖5所示。

　　3.3 應(yīng)用軟件

　　應(yīng)用軟件主要有協(xié)議軟件、數(shù)據(jù)采集模塊、通信處理模塊、用戶接口管理等。這里主要介紹視頻采集(包含在數(shù)據(jù)采集模塊中)和通信處理的實(shí)現(xiàn)。

　　3.3.1 視頻采集

　　利用LINUX中視頻設(shè)備的內(nèi)核驅(qū)動程序video4linux，它為USB攝像頭、TV卡和視頻捕捉卡等視頻設(shè)備的應(yīng)用程序的編程提供了一系列的接口函數(shù)。

　　程序的編寫包括驅(qū)動和視頻流采集的應(yīng)用程序兩部分。先將驅(qū)動模塊靜態(tài)編譯，再使用Insmode動態(tài)加載其驅(qū)動模塊程序。然后采用MMAP()內(nèi)存映射方式，實(shí)現(xiàn)對單幀和連續(xù)幀的采集。

　　3.3.2 數(shù)據(jù)通信軟件模塊

　　由于采用TCP/IP協(xié)議，通信過程采用C/S模式，具體流程圖如圖6所示。

　　4 結(jié)語

　　本文所提出的基于ARM硬件平臺利用TCP/IP協(xié)議作為交通信息傳輸?shù)姆绞降那度胧綌?shù)據(jù)采集系統(tǒng)，通過實(shí)現(xiàn)測試和調(diào)試，上述方案可行，能滿足交通實(shí)時動態(tài)信息采集、控制和傳輸。該設(shè)計具有如下特點(diǎn)：

　　(1)采用ARM平臺可以使系統(tǒng)小型化，便于提高性能和與各種外設(shè)連接擴(kuò)展。

　　(2)Linux嵌入式操作系統(tǒng)的應(yīng)用為功能的擴(kuò)展、修改、版本升級提供了穩(wěn)定、可靠的軟件平臺。

　　(3)通過廣泛存在的以太網(wǎng)資源傳輸交通數(shù)據(jù)，使得該系統(tǒng)真正實(shí)現(xiàn)了無距離限制的通信傳輸。

　　該系統(tǒng)能和現(xiàn)有設(shè)備兼容，可以單獨(dú)作為一個節(jié)點(diǎn)使用，也可以用來作為現(xiàn)有節(jié)點(diǎn)的一部分來實(shí)現(xiàn)交通數(shù)據(jù)信息的共享。可以實(shí)現(xiàn)視頻檢測和數(shù)據(jù)回傳功能，從而可獲得交通流實(shí)時動態(tài)信息，實(shí)現(xiàn)信息的高度整合和共享，可作為處理分析、數(shù)據(jù)挖掘和發(fā)布的基礎(chǔ)。能提高交通管理者控制、管理和決策的水平，同時也為進(jìn)一步開放建設(shè)ITS打下堅定的基礎(chǔ)。

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