一種嵌入式無線車輛信息采集系統設計*

吳 帆，楊之樂，林小玲，韓正之

(1.上海交通大學電子信息與電氣工程學院，上海200240;2.上海大學機電工程與自動化學院，上海200072)

0 引言

物聯網，就是通過信息傳感設備，按約定的協議，將任何物品與互聯網連接起來，進行信息交換和通信，以實現智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理的一種網絡［1］。它在各種創新型技術的支持下得到發展，代表著通信和計算機技術未來的革命。智能交通系統(ITS)是物聯網研究的關鍵領域，它用來實現對交通的實時控制與指揮管理。而車輛信息采集被認為是ITS的關鍵子系統，是交通智能化的前提［2］。本文提出一種低功耗、易安裝維護、功能全面的基于嵌入式S3C6410的無線車輛信息采集系統，將嵌入式控制平臺、無線采集、無線變送、磁阻新型測量等技術融為一體，解決了傳統車輛采集系統成本高、體積功耗大、安裝維護不方便等問題，系統采用太陽能供電，獨立性強，具有廣闊的應用前景。

1 系統總體設計

車輛信息采集系統是一種安裝在現場的前端設備，它主要完成車輛的速度、流量數據獲取和將獲取的信息作簡單處理后傳輸到交通信息處理中心。由于它是物流信息的來源，它的可靠性、有效性與準確性就受到特別的關注。目前，常用的測速方法有環形線圈測速、雷達測速、激光測速和視頻測速等［3］。這些方法雖然具有體積小，易于安裝或測試精度不受環境影響等優點，但存在安裝調試和使用維護要求高等不足。為此，本文提出一種基于S3C6410和WinCE的交通信息監測系統，其結構框圖如圖1所示。

圖1 系統總體設計Fig 1 Overall design of system

車輛探測器是監測系統感知研究對象的最前沿端，主要用于獲取檢測對象的物理特性參量信號。圖2所示為車輛信息采集系統功能設計圖。本系統的車輛探測器采用中交智能工程有限公司的YTS-E存在型車輛探測器包括埋地部分的車輛檢測器與路旁的信號接收機。埋地部分車輛檢測器與接收機間的通信采用Zig Bee方式，Zig Bee是一種介于無線標識技術和藍牙技術之間的技術提案［4］，具有低功耗、短時延、免執照、低成本等優點，因而非常適合于短距離無線傳輸。無線車輛探測器埋于路面以下的磁阻傳感器每個車道放置2對，將檢測到的車輛通過的信息用Zig Bee方式傳給路邊的接收機［5］。

監測儀是現場監測系統的信號處理控制中心，其主要硬件構成包括S3C6410嵌入式微處理器、COM口、CAMERA接口、TFT-LCD觸摸屏、SD卡以及GPRS無線網卡等。

圖2 系統功能設計Fig 2 Functions design of system

為保證系統能在無市電的荒郊野外也能長期、持續工作，供電方式采用太陽能供電。太陽能供電部分要針對不同設備提供不同的供電電壓，12 V的輸出可以供給監控攝像頭、車輛探測器的路旁接收機，以及LED動態限速標志。而監測儀需要的5V電壓，則可用光伏充放電控制器通過BUCK降壓斬波電路來實現［6］。

2 系統硬件平臺設計

硬件結構如圖3所示，主要包括S3C6410微處理器、電源、串口、網卡、LCD觸摸屏等。

圖3 硬件結構框圖Fig 3 Block diagram of hardware structure

三星公司嵌入式處理器S3C6410采用64/32 bit內部總線架構，并集成了多個功能強大的硬件加速器。S3C6410有極佳的外部存儲器接口能力，可以滿足高端通信業務的帶寬要求。

RS-232接口是計算機上的通信接口，在這里實現探測器接收機與S3C6410控制器的通信。控制器將接收到的數據進行分析處理后，發出超速抓拍的指令，再將監控攝像頭對違章車輛的抓拍圖片保存到SD卡里。CAMERA或USB接口可以用來連接監控攝像頭，測試中使用的是CAMERA接口。1.27mm間距雙排插針接口可以連接TFT觸摸屏，用來進行現場設備調試。由于抓拍圖片的信息不要求實時反映至交通信息處理中心，因而，可以使用SD卡存儲一段時間或一定容量的圖像數據包，再通過GPRS進行傳輸，然后，清空SD卡繼續存儲。

3 系統軟件設計

系統中，無線磁阻車輛探測器與控制器是通過串口進行通信，從而實現車輛信息的檢測。文中通過對WinCE下的串口編程的介紹和對超速檢測、圖像采集的應用程序設計方法的詳述，闡釋了該無線車輛采集系統的應用層程序設計。

3.1 基于MFC的應用程序開發

微軟基礎類(microsoft foundation classed，MFC)庫通過面向對象的方式將SDK進行封裝，使用戶在使用API函數時更加方便簡單。對話框編程作為一種MFC應用程序的編寫方式，其最大優點是可以可視化編輯串口界面，為開發者節省很多界面設計的時間。

3.2 WinCE下的串口編程

WinCE相比于Linux，以其良好的界面、強大的功能、類似桌面Windows操作系統的編程環境，以WinCE為平臺的各類終端迅速普及。本文選用WinCE操作系統進行應用程序開發。本系統使用串口作為無線車輛采集系統與車輛探測器的通信方式，在PC機Visual Studio 2005的編譯環境下利用MFC編寫操作界面，然后，用交叉編譯的方式通過串口將程序燒寫進系統中，搭配觸摸屏，即可實現車輛信息的檢測和顯示［7］。

3.3 超速和抓拍程序設計

本系統主要實現車輛的感知和高速公路車速的測量?；诰C合考慮公路交通流、天氣等影響因素，在平衡設計速度與安全運行速度的基礎上，我國有很多路段已經實行了隧道群限速和惡劣氣候條件動態限速等形式。

超速和抓拍程序的實現方法是:當開始運行監控后，通過一個大循環實現不停地發送保持車輛探測器接收機的看門狗正常工作不復位的報文，從而實現對串口數據的正常讀寫［8］。由于車速的檢測是根據車輛通過2對檢測器的時間間隔與檢測器的間距間接計算所得，所以，用了2個if語句的嵌套進行判定，在進入第一個if，即檢測到車子通過第一組磁阻檢測器后，要不斷地監聽串口，才能檢測到車子是否經過了第二組磁阻檢測器;進入第二個if判定之后，可以在其內部進行超速判定和抓拍，即在給出了進行精確抓拍的控制觸發信號。系統應用程序實現的流程如圖4所示。

圖4 軟件流程圖Fig 4 Flow chart of software

4 系統實現與測試

為了檢測系統的可用性，進行了現場測試。由于Zig Bee工作在2.4 GHz超高頻，因此，不會受到車輛行進過程中的其他噪聲的干擾。磁阻傳感器配套有環氧樹脂保護筒，耐壓、防水、防腐蝕，且對無線通信干擾較小。為了便于測試，安放2對間隔2 m的檢測器，設定違章車速為30 km/h。安排車輛以不同車速通過監測區域，實驗過程如圖5所示。檢測器將采集到的檢測信號以無線傳輸方式實時發送給實驗室里放置的路旁接收機。路旁接收機將接收的數據通過串口傳遞給控制器，控制器對數據進行分析處理后實現超速抓拍。

圖5 車輛速度檢測Fig 5 Detection of vehicle speed

根據面包車上儀表盤的時速顯示，該系統基本實現較為準確地測速并能及時拍下超速車輛照片，并將抓拍的圖像保存在SD卡中。保存的文件名可以顯示抓拍的日期和時間，精確到秒，并且顯示出超速車輛的行駛速度。

將現場測試的結果與約定標稱值進行比較，如表1所示，做了3種類型的各3次測試，并計算了平均誤差，驗證了系統的可行性。

表1 測試表格Tab 1 Testing table

5 結束語

系統采用高性能處理器S3C6410和嵌入式操作系統WinCE，結合磁阻和Zig Bee無線傳輸技術，實現了車速檢測和抓拍存儲功能，具有低能耗、易于維護等特點，可全套采用太陽能供電。在后續研發中，由于系統采用的ARM11處理器集成了各種外設，擴展性強，可進一步實現車輛占有率、雨量、霧濃度等信息采集，為智能交通系統提供了實時全面的前端數據，形成一套更為完整的車輛信息監控系統。該系統設計對物聯網在智能交通的應用具有一定參考價值。

［1］Tan Lu，Wang Neng.Future Internet:The Internet of things［C］∥The 3rd International Conference on Advanced Computer Theory and Engineering(ICACTE)，2010:376-380.

［2］謝 輝，董德存，歐冬秀.基于物聯網的新一代智能交通［J］.交通科技與經濟，2011(1):33-46.

［3］王慶飛.基于磁阻傳感器的高速公路車輛超速檢測系統的研究［D］.重慶:重慶理工大學，2009.

［4］Willig A.Recent and emerging topics in wireless industrial communications:A selection［J］.IEEE Transactions on Industrial Informatics，2008，4(2):102-124.

［5］Cai Baigen，Wei Shangguan，Wang Jian，et al.The research and realization of vehicle detection system based on wireless magnetoresistive sensor［C］∥2009 The Second International Conference on Intelligent Computation Technology and Automation，2009:476-479.

［6］嚴衛洲，潘俊民.基于MPPT的太陽能光伏充電控制器研究［J］.電工技術，2009(3):85-86.

［7］周立功.ARM＆WinCE實驗與實踐［M］.北京:北京航空航天大學出版社，2007.

［8］張 瑩，朱 軍.自動車輛識別系統的設計與實現［J］.儀表技術與傳感器，2006(1):29-31.