基于A(yíng)RM9的道路交通數據采集系統設計

　　國內外實(shí)踐經(jīng)驗證明，解決城市交通問(wèn)題不能單純依靠修建道路基礎設施，而智能交通系統(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(shí)獲得同樣的信息。交通參與者在已知路網(wǎng)運行狀態(tài)條件下可以自主選擇和實(shí)現交通誘導，對提高交通的機動(dòng)性、安全性、有序化，通行能力和道路系統的交通效率提供了技術(shù)支持。因此，道路交通實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)信息采集成為ITS最為基礎的環(huán)節。

　　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(zhù)重要的作用。近年來(lái)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(guò)引進(jìn)國外產(chǎn)品，如英國的SCOOT，澳大利亞的SCATS系統，美國的Quiknet，西班牙的Sainco系統等，或者使用國內研究成果建立起來(lái)了城市交通信號控制系統進(jìn)行道路交通管理。這些控制設備采集的交通數據信息只服務(wù)于各自的系統，無(wú)法實(shí)現交通數據信息的共享。

　　目前，我國大多數城市的交通數據信息的采集依賴(lài)于交通路口設置在路面下的環(huán)形線(xiàn)圈檢測器、快速干道路側的微波或雷達和視頻檢測設備等。由于建于不同時(shí)期，不同的開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)背景，導致類(lèi)型不一、信息開(kāi)放不一、標準不一、通信傳輸和協(xié)議不一。如測控設備有工控機、PLC、單片機或專(zhuān)用計算機等。對于包括圖像在內的大量道路交通信息的采集、處理和傳輸，現有的設備顯得力不從心，并且這些相互獨立的不同系統和設備并沒(méi)有覆蓋整個(gè)城市，系統和設備之間的信息無(wú)法融合和共享，更無(wú)法實(shí)現系統之間的協(xié)調和優(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發(fā)展的主要任務(wù)。目前眾多城市中使用的相互獨立的不同系統和不同信號控制器給系統信息暢通和集成帶來(lái)了相當的困難。文獻[3]采用協(xié)議轉換的方式來(lái)實(shí)現其集成和融合，但無(wú)法解決設備的低性能和處理能力低的問(wèn)題。

　　考慮到目前我國城市現有的通信條件和實(shí)際情況，本文設計了利用嵌入式系統作為開(kāi)發(fā)平臺，利用TCP/IP協(xié)議作為交通信息傳輸的方式的道路交通數據采集的方案。由于Internet的發(fā)展和普及，采用TCP/IP協(xié)議簡(jiǎn)單、方便、成本低，開(kāi)放性好，標準化程度高。道路上各節點(diǎn)進(jìn)行數據通信，中心利用采集各節點(diǎn)的數據進(jìn)行控制、決策和協(xié)調，并向外發(fā)布信息。系統結構如圖1所示。

　　2 數據采集系統設計

　　2.1 基本要求

　　各個(gè)節點(diǎn)將道路交通流(主要指機動(dòng)車(chē)流)的信息(車(chē)速、流量、占有率、緊急事件報警等)通過(guò)信息采集、處理與分析，完成路口的控制，并傳輸到測控中心，提供給交通管理人員使用以及供廣大駕駛員參考。必須滿(mǎn)足的基本要求如下：

　　能對道路上各類(lèi)傳感設備兼容，即能實(shí)現多路模擬和數字信號的采集。采集的時(shí)間間隔在30 s～2 min。

　　具有路口控制功能，能實(shí)現數據傳輸、處理和控制。當通信網(wǎng)絡(luò )一旦出現故障，各節點(diǎn)根據交通信息，依據歷史數據和當前采集的信息，通過(guò)數學(xué)模型實(shí)現局部?jì)?yōu)化控制。

　　實(shí)時(shí)接受由測控中心發(fā)來(lái)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(shí)交通狀況。

　　同時(shí)融合其他方面的交通信息，如公共交通線(xiàn)路運行信息、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(shí)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)，內存空間較大。

　　2.2 系統設計

　　2.2.1 節點(diǎn)的硬件組成

　　考慮到戶(hù)外交通環(huán)境的特殊性，前端設備采用嵌入的設計方法，其硬件組成結構如圖2所示。

　　節點(diǎn)作為控制的一部分，要完成路口的控制功能?？刂频膶?shí)現利用采集的交通數據和中心發(fā)布的協(xié)調控制指令，通過(guò)節點(diǎn)處理后完成。所以，一個(gè)節點(diǎn)由數據采集、傳輸、控制3個(gè)功能單元組成。這些功能的實(shí)現通過(guò)嵌入式系統來(lái)完成。

　　按其功能要求其數據流有：一是從各個(gè)傳感器采集的數據，通過(guò)中間處理過(guò)程進(jìn)行處理后，顯示在管理人員面前或對外發(fā)布的客戶(hù)終端上;二是從信息采集系統中取來(lái)的數據，通過(guò)中間處理過(guò)程進(jìn)行處理后，上傳到監控中心，存儲在數據庫中;三是監控中心發(fā)布系統協(xié)調控制的命令或處理的結果在節點(diǎn)上顯示。其數據流的傳輸如圖3所示。

　　2.2.2 數據采集

　　交通數據的采集主要功能是將路面交通的流量、車(chē)速、占有率等原始交通數據通過(guò)各類(lèi)交通檢測器送到節點(diǎn)進(jìn)行預處理。常用的有環(huán)形線(xiàn)圈檢測器采集機動(dòng)車(chē)交通流量、車(chē)速等交通信息;微波和視頻檢測器可以獲得實(shí)時(shí)的機動(dòng)車(chē)車(chē)速、流量、占有率等各種交通流數據;牌照識別系統可以計算機動(dòng)車(chē)在該條道路上的旅行時(shí)間;除此以外，還有路面執勤的交警定時(shí)或實(shí)時(shí)的報告路況交通等。

　　上述各類(lèi)檢測器還有其他相應的功能作用，如環(huán)形線(xiàn)圈檢測器主要為信號控制系統提供系統實(shí)時(shí)交通數據，數據經(jīng)處理后，對路口信號機進(jìn)行協(xié)調控制;視頻檢測附屬在視頻監控系統中，為交通管理人員提供直觀(guān)的實(shí)時(shí)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點(diǎn)機進(jìn)行預處理，以保證采集到的數據安全、可靠和有效的傳輸到測控中心。

　　2.2.3 采集數據的預處理

　　節點(diǎn)數據的預處理，其主要功能將各類(lèi)檢測器采集的異樣數據進(jìn)行過(guò)濾，去掉非法、無(wú)效的數據，對故障數據進(jìn)行恢復，將有效、合法的數據按照標準進(jìn)行格式化處理，并將其封裝、利用TCP/IP協(xié)議，通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò )發(fā)送到測控中心指定的數據通道或數據庫，提供給交通信息處理與分析子系統。采集得到的數據經(jīng)預處理后的實(shí)時(shí)檢測交通數據效果更好，更符合實(shí)際情況的需要，并有效地節省了計算機存儲的工作量。

　　2.2.4 控制執行

　　系統設計為分布式客戶(hù)/服務(wù)器體系結構的網(wǎng)絡(luò )系統，一方面，節點(diǎn)采集的數據與上級監控中心共享數據庫通過(guò)光纜收集控制器預處理過(guò)的圖像和數據信息，在監控中心通過(guò)相應的數學(xué)模型進(jìn)行預測、誘導和控制的控制參數一起作為本地節點(diǎn)的控制輸入參數，另一方面，要求把本節點(diǎn)的數據傳送到數據庫和監控中心。一旦通信系統發(fā)生阻塞或故障，該節點(diǎn)也能根據當地實(shí)時(shí)檢測到的交通流量和歷史數據的數學(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(shí)，還可以通過(guò)手動(dòng)實(shí)現路口的控制。

　　2.2.5 網(wǎng)絡(luò )通信

　　節點(diǎn)控制機將各種檢測器采集的交通流信息用來(lái)控制該節點(diǎn)的交通，同時(shí)又要經(jīng)處理機進(jìn)行預處理，利用通信接口，通過(guò)TCP/IP協(xié)議，保證采集到的數據安全性、可靠性、有效性傳輸到控制中心，用于整個(gè)交通系統協(xié)調控制和管理。

　　3 實(shí)現技術(shù)

　　3.1 硬件平臺

　　節點(diǎn)處理機要執行繁重的通訊和算法處理，對處理器的通訊和運算速度有很高的要求，傳統的單片機處理器性能有限無(wú)法滿(mǎn)足節點(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大的性能，在嵌入式系統中得到了廣泛的應用。該處理器內部集成了ARM公司ARM920T處理器核的32位微控制器，資源豐富，帶獨立的16 kB的指令Cache和16 kB數據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(gè)USB接口控制器、2路SPI，主頻最高可達203 MHz。在處理器豐富資源的基礎上，還進(jìn)行了相關(guān)的配置和擴展，平臺配置了16 MB 16位的FLASH和64 MB 32位的SDRAM。通過(guò)以太網(wǎng)控制器芯片CS8900A擴展了一個(gè)網(wǎng)口，另外引出了一個(gè)HOST USB接口。硬件平臺如圖4所示。

　　16 MB 16位的FLASH用來(lái)存儲Linux內核和應用程序，64MB 32位的SDRAM在系統運行的時(shí)候存儲Linux的內核和應用程序。

　　以太網(wǎng)控制器通過(guò)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備。

　　液晶控制器用來(lái)設定或者修改智能路口控制器控制參數，而且還可以通過(guò)手動(dòng)直接控制交通燈。

　　USB接口上外接一個(gè)帶USB口的攝像頭，將采集到的視頻圖像數據放入輸入緩沖區中。然后，或者保存成文件的形式，或者運行移植到平臺上的圖像處理程序，對緩沖的圖像數據直接進(jìn)行相關(guān)處理，再保存并打成UDP包。最后，通過(guò)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，接收系統的參數設定，比如路口數、紅綠燈時(shí)間等，并控制交通燈。交通指示牌是用來(lái)提供交通信息的大屏幕，S3C2410接收來(lái)自監控中心的交通信息，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(lái)誘導交通。檢測設備在目前交通控制中的各種檢測設備不但種類(lèi)繁多，而且新產(chǎn)品不斷涌現，預留了包括串口在內的多種接口方式。

　　3.2 系統軟件

　　系統操作系統采用Linux操作系統，Linux內核是一種源碼開(kāi)放的操作系統，采用模塊化的設計。在此只保留了必需的功能模塊，刪除了冗余的功能模塊，并對內核重新編譯，從而使系統運行所需的硬件資源顯著(zhù)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系統內核集成了大量的網(wǎng)絡(luò )應用程序，支持全部的標準因特網(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 )的應用開(kāi)發(fā)，用戶(hù)編寫(xiě)的程序代碼可以直接建立在這些網(wǎng)絡(luò )應用程序的基礎之上，從而大大縮短開(kāi)發(fā)周期。因此將其應用于智能交通路口控制器的設計，具有代碼量小、運行消耗系統資源少、可靠性高、開(kāi)發(fā)周期短等優(yōu)點(diǎn)，適應了智能交通路口控制器對于操作系統的要求。加載流程如圖5所示。

　　3.3 應用軟件

　　應用軟件主要有協(xié)議軟件、數據采集模塊、通信處理模塊、用戶(hù)接口管理等。這里主要介紹視頻采集(包含在數據采集模塊中)和通信處理的實(shí)現。

　　3.3.1 視頻采集

　　利用LINUX中視頻設備的內核驅動(dòng)程序video4linux，它為USB攝像頭、TV卡和視頻捕捉卡等視頻設備的應用程序的編程提供了一系列的接口函數。

　　程序的編寫(xiě)包括驅動(dòng)和視頻流采集的應用程序兩部分。先將驅動(dòng)模塊靜態(tài)編譯，再使用Insmode動(dòng)態(tài)加載其驅動(dòng)模塊程序。然后采用MMAP()內存映射方式，實(shí)現對單幀和連續幀的采集。

　　3.3.2 數據通信軟件模塊

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

　　4 結語(yǔ)

　　本文所提出的基于A(yíng)RM硬件平臺利用TCP/IP協(xié)議作為交通信息傳輸的方式的嵌入式數據采集系統，通過(guò)實(shí)現測試和調試，上述方案可行，能滿(mǎn)足交通實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)信息采集、控制和傳輸。該設計具有如下特點(diǎn)：

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

　　(2)Linux嵌入式操作系統的應用為功能的擴展、修改、版本升級提供了穩定、可靠的軟件平臺。

　　(3)通過(guò)廣泛存在的以太網(wǎng)資源傳輸交通數據，使得該系統真正實(shí)現了無(wú)距離限制的通信傳輸。

　　該系統能和現有設備兼容，可以單獨作為一個(gè)節點(diǎn)使用，也可以用來(lái)作為現有節點(diǎn)的一部分來(lái)實(shí)現交通數據信息的共享?？梢詫?shí)現視頻檢測和數據回傳功能，從而可獲得交通流實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)信息，實(shí)現信息的高度整合和共享，可作為處理分析、數據挖掘和發(fā)布的基礎。能提高交通管理者控制、管理和決策的水平，同時(shí)也為進(jìn)一步開(kāi)放建設ITS打下堅定的基礎。

linux操作系統文章專(zhuān)題:linux操作系統詳解（linux不再難懂）