基于ＡＲＭ９的道路交通數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計

摘 要：智能運輸系統(tǒng)被公認為是當前解決我國大城市交通擁擠和提高道路安全的有效手段，而交通數(shù)據(jù)采集是ITS最為基礎的環(huán)節(jié)。分析了國內外數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)發(fā)展的現(xiàn)狀和存在的問題，論證了交通數(shù)據(jù)信息采集系統(tǒng)的必要性，提出了交通數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的基本要求，詳細論述了基于ARM9系列的S3C2410嵌入式系統(tǒng)平臺來實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設計，利用TCP/IP協(xié)議來實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸及數(shù)據(jù)共享的實現(xiàn)方法，最后完成應用程序到目標平臺的移植。

關鍵詞：嵌入式系統(tǒng);數(shù)據(jù)采集;TCP/IP;智能運輸系統(tǒng)

中圖分類號：TP274.2 文獻標識碼：B 文章編號：1004373X(2008)1518904

Design of Road Traffic Data Acquisition System Based on ARM9

PAN Ruoyu1，ZHU Zhengyan2，LI Lei3

(1.Xi′an Institute of Post Telecommunications，Xi′an，710121，China;2.Shaanxi Xihan Highway Co.Ltd.，Xi′an，710054，China;

3.School of Electronic and Control Engineering，Chang′an University，Xi′an，710064，China)

Abstract：Intelligent Transports System (ITS) is considered as advanced option to reduce traffic jam and to improve safety in urban area.Traffic data acquisition is one of basic parts of ITS.This paper first analyzes exist in domestic and foreign development of data acquisition system including its present situation and the existing problems.Then proves the necessity and present basic requirements of traffic data information collecting system.Particularly，the paper discusses the design of data acquisition system based on ARM9 and accomplish data transmission and sharing by means of TCP/IP.In the end the transplantation of application to target platform is completed.

Keywords：embedded system；data acquisition；TCP/IP;ITS

1 引 言

國內外實踐經(jīng)驗證明，解決城市交通問題不能單純依靠修建道路基礎設施，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。其特點是信息技術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)運行狀態(tài)條件下可以自主選擇和實現(xiàn)交通誘導，對提高交通的機動性、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支持。因此，道路交通實時動態(tài)信息采集成為ITS最為基礎的環(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國外產(chǎn)品，如英國的SCOOT，澳大利亞的SCATS系統(tǒng)^［1］，美國的Quiknet，西班牙的Sainco系統(tǒng)等，或者使用國內研究成果建立起來了城市交通信號控制系統(tǒng)進行道路交通管理。這些控制設備采集的交通數(shù)據(jù)信息只服務于各自的系統(tǒng)，無法實現(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^［2］依賴于交通路口設置在路面下的環(huán)形線圈檢測器、快速干道路側的微波或雷達和視頻檢測設備等。由于建于不同時期，不同的開發(fā)和生產(chǎn)背景，導致類型不一、信息開放不一、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(xiàn)有的設備顯得力不從心，并且這些相互獨立的不同系統(tǒng)和設備并沒有覆蓋整個城市，系統(tǒng)和設備之間的信息無法融合和共享，更無法實現(xiàn)系統(tǒng)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(tǒng)發(fā)展的主要任務。目前眾多城市中使用的相互獨立的不同系統(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?shù)睦щy。文獻［3］采用協(xié)議轉換的方式來實現(xiàn)其集成和融合，但無法解決設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)有的通信條件和實際情況，本文設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，標準化程度高。道路上各節(jié)點進行數(shù)據(jù)通信，中心利用采集各節(jié)點的數(shù)據(jù)進行控制、決策和協(xié)調，并向外發(fā)布信息。系統(tǒng)結構如圖1所示。

2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計

2.1 基本要求

各個節(jié)點將道路交通流(主要指機動車流)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備兼容，即能實現(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，能實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸、處理和控制。當通信網(wǎng)絡一旦出現(xiàn)故障，各節(jié)點根據(jù)交通信息，依據(jù)歷史數(shù)據(jù)和當前采集的信息，通過數(shù)學模型實現(xiàn)局部優(yōu)化控制。

實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，如公共交通線路運行信息、突發(fā)事件相關信息等提供給道路使用者，使路面實時信息更加豐富。

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

2.2 系統(tǒng)設計

2.2.1 節(jié)點的硬件組成

考慮到戶外交通環(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(jié)點作為控制的一部分，要完成路口的控制功能。控制的實現(xiàn)利用采集的交通數(shù)據(jù)和中心發(fā)布的協(xié)調控制指令，通過節(jié)點處理后完成。所以，一個節(jié)點由數(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行處理后，顯示在管理人員面前或對外發(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)調控制的命令或處理的結果在節(jié)點上顯示。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)點進行預處理。常用的有環(huán)形線圈檢測器采集機動車交通流量、車速等交通信息；微波和視頻檢測器可以獲得實時的機動車車速、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)勤的交警定時或實時的報告路況交通等。

上述各類檢測器還有其他相應的功能作用，如環(huán)形線圈檢測器主要為信號控制系統(tǒng)提供系統(tǒng)實時交通數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)經(jīng)處理后，對路口信號機進行協(xié)調控制；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)點機進行預處理，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)的預處理

節(jié)點數(shù)據(jù)的預處理，其主要功能將各類檢測器采集的異樣數(shù)據(jù)進行過濾，去掉非法、無效的數(shù)據(jù)，對故障數(shù)據(jù)進行恢復，將有效、合法的數(shù)據(jù)按照標準進行格式化處理，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)預處理后的實時檢測交通數(shù)據(jù)效果更好，更符合實際情況的需要，并有效地節(jié)省了計算機存儲的工作量^［4］。

2.2.4 控制執(zhí)行

系統(tǒng)設計為分布式客戶/服務器體系結構的網(wǎng)絡系統(tǒng)，一方面，節(jié)點采集的數(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處理過的圖像和數(shù)據(jù)信息，在監(jiān)控中心通過相應的數(shù)學模型進行預測、誘導和控制的控制參數(shù)一起作為本地節(jié)點的控制輸入?yún)?shù)，另一方面，要求把本節(jié)點的數(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)點也能根據(jù)當?shù)貙崟r檢測到的交通流量和歷史數(shù)據(jù)的數(shù)學模型進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，還可以通過手動實現(xiàn)路口的控制。

2.2.5 網(wǎng)絡通信

節(jié)點控制機將各種檢測器采集的交通流信息用來控制該節(jié)點的交通，同時又要經(jīng)處理機進行預處理，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)娇刂浦行模糜谡麄€交通系統(tǒng)協(xié)調控制和管理。

3 實現(xiàn)技術

3.1 硬件平臺

節(jié)點處理機要執(zhí)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(tǒng)的單片機處理器性能有限無法滿足節(jié)點的要求。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(tǒng)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(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、Touch Screen接口、I2C接口、I2S接口、2個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，還進行了相關的配置和擴展，平臺配置了16 MB 16位的FLASH和64 MB 32位的SDRAM。通過以太網(wǎng)控制器芯片CS8900A擴展了一個網(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內核和應用程序，64MB 32位的SDRAM在系統(tǒng)運行的時候存儲Linux的內核和應用程序。

以太網(wǎng)接口芯片CS8900A，用于接入Internet，加入光纖接口就可以實現(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備。

液晶控制器用來設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)直接進行相關處理，再保存并打成UDP包。最后，通過網(wǎng)絡接口將圖像發(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繁多，而且新產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)，預留了包括串口在內的多種接口方式。

3.2 系統(tǒng)軟件

系統(tǒng)操作系統(tǒng)采用Linux操作系統(tǒng)^［5］，Linux內核是一種源碼開放的操作系統(tǒng)，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(tǒng)運行所需的硬件資源顯著減少。最重要的一點是，Linux自誕生之日起就與網(wǎng)絡密不可分，Linux系統(tǒng)內核集成了大量的網(wǎng)絡應用程序，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，這使Linux 很適合基于網(wǎng)絡的應用開發(fā)，用戶編寫的程序代碼可以直接建立在這些網(wǎng)絡應用程序的基礎之上，從而大大縮短開發(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(tǒng)資源少、可靠性高、開發(fā)周期短等優(yōu)點，適應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 應用軟件

應用軟件主要有協(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)和通信處理的實現(xiàn)。

3.3.1 視頻采集

利用LINUX中視頻設備的內核驅動程序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(shù)。

程序的編寫包括驅動和視頻流采集的應用程序兩部分。先將驅動模塊靜態(tài)編譯，再使用Insmode動態(tài)加載其驅動模塊程序。然后采用MMAP( )內存映射方式，實現(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 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)，通過實現(xiàn)測試和調試，上述方案可行，能滿足交通實時動態(tài)信息采集、控制和傳輸。該設計具有如下特點:

(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連接擴展。

(2) Linux嵌入式操作系統(tǒng)的應用為功能的擴展、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)真正實現(xiàn)了無距離限制的通信傳輸。

該系統(tǒng)能和現(xiàn)有設備兼容，可以單獨作為一個節(jié)點使用，也可以用來作為現(xiàn)有節(jié)點的一部分來實現(xiàn)交通數(shù)據(jù)信息的共享。可以實現(xiàn)視頻檢測和數(shù)據(jù)回傳功能，從而可獲得交通流實時動態(tài)信息，實現(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。能提高交通管理者控制、管理和決策的水平，同時也為進一步開放建設ITS打下堅定的基礎。

參 考 文 獻

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作者簡介 潘若禹 女，1981年出生，陜西西安人，助教。主要研究方向為嵌入式系統(tǒng)及應用。