摘 要：智能運(yùn)輸系統(tǒng)被公認(rèn)為是當(dāng)前解決我國(guó)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(chǔ)的環(huán)節(jié)。分析了國(guó)內(nèi)外數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)發(fā)展的現(xiàn)狀和存在的問(wèn)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(xì)論述了基于A(yíng)RM9系列的S3C2410嵌入式系統(tǒng)平臺(tái)來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，利用TCP/IP協(xié)議來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸及數(shù)據(jù)共享的實(shí)現(xiàn)方法，最后完成應(yīng)用程序到目標(biāo)平臺(tái)的移植。

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

中圖分類(lèi)號(hào)：TP274.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：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(guó)內(nèi)外實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)證明，解決城市交通問(wèn)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(shí)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(duì)提高交通的機(jī)動(dòng)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(shí)動(dòng)態(tài)信息采集成為ITS最為基礎(chǔ)的環(huán)節(jié)。

信號(hào)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(lái)我國(guó)城市交通信號(hào)控制發(fā)展迅速，目前已有一些城市通過(guò)引進(jìn)國(guó)外產(chǎn)品，如英國(guó)的SCOOT，澳大利亞的SCATS系統(tǒng)^［1］，美國(guó)的Quiknet，西班牙的Sainco系統(tǒng)等，或者使用國(guó)內(nèi)研究成果建立起來(lái)了城市交通信號(hào)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(wú)法實(shí)現(xiàn)交通數(shù)據(jù)信息的共享。

目前，我國(guó)大多數(shù)城市的交通數(shù)據(jù)信息的采集^［2］依賴(lài)于交通路口設(shè)置在路面下的環(huán)形線(xiàn)圈檢測(cè)器、快速干道路側(cè)的微波或雷達(dá)和視頻檢測(cè)設(shè)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(dǎo)致類(lèi)型不一、信息開(kāi)放不一、標(biāo)準(zhǔn)不一、通信傳輸和協(xié)議不一。如測(cè)控設(shè)備有工控機(jī)、PLC、單片機(jī)或?qū)Ｓ糜?jì)算機(jī)等。對(duì)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(méi)有覆蓋整個(gè)城市，系統(tǒng)和設(shè)備之間的信息無(wú)法融合和共享，更無(wú)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(guó)城市交通信號(hào)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(hào)控制器給系統(tǒng)信息暢通和集成帶來(lái)了相當(dāng)?shù)睦щy。文獻(xiàn)［3］采用協(xié)議轉(zhuǎn)換的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)其集成和融合，但無(wú)法解決設(shè)備的低性能和處理能力低的問(wèn)題。

考慮到目前我國(guó)城市現(xiàn)有的通信條件和實(shí)際情況，本文設(shè)計(jì)了利用嵌入式系統(tǒng)作為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，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(jiǎn)單、方便、成本低，開(kāi)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(jì)

2.1 基本要求

各個(gè)節(jié)點(diǎn)將道路交通流(主要指機(jī)動(dòng)車(chē)流)的信息(車(chē)速、流量、占有率、緊急事件報(bào)警等)通過(guò)信息采集、處理與分析，完成路口的控制，并傳輸?shù)綔y(cè)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(duì)道路上各類(lèi)傳感設(shè)備兼容，即能實(shí)現(xiàn)多路模擬和數(shù)字信號(hào)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(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(guò)數(shù)學(xué)模型實(shí)現(xiàn)局部?jī)?yōu)化控制。

實(shí)時(shí)接受由測(cè)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(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(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(nèi)存空間較大。

2.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.2.1 節(jié)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(shè)備采用嵌入的設(shè)計(jì)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?？刂频膶?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(guò)節(jié)點(diǎn)處理后完成。所以，一個(gè)節(jié)點(diǎn)由數(shù)據(jù)采集、傳輸、控制3個(gè)功能單元組成。這些功能的實(shí)現(xiàn)通過(guò)嵌入式系統(tǒng)來(lái)完成。

按其功能要求其數(shù)據(jù)流有：一是從各個(gè)傳感器采集的數(shù)據(jù)，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?qū)ν獍l(fā)布的客戶(hù)終端上；二是從信息采集系統(tǒng)中取來(lái)的數(shù)據(jù)，通過(guò)中間處理過(guò)程進(jìn)行處理后，上傳到監(jiān)控中心，存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)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(chē)速、占有率等原始交通數(shù)據(jù)通過(guò)各類(lèi)交通檢測(cè)器送到節(jié)點(diǎn)進(jìn)行預(yù)處理。常用的有環(huán)形線(xiàn)圈檢測(cè)器采集機(jī)動(dòng)車(chē)交通流量、車(chē)速等交通信息；微波和視頻檢測(cè)器可以獲得實(shí)時(shí)的機(jī)動(dòng)車(chē)車(chē)速、流量、占有率等各種交通流數(shù)據(jù)；牌照識(shí)別系統(tǒng)可以計(jì)算機(jī)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(zhí)勤的交警定時(shí)或?qū)崟r(shí)的報(bào)告路況交通等。

上述各類(lèi)檢測(cè)器還有其他相應(yīng)的功能作用，如環(huán)形線(xiàn)圈檢測(cè)器主要為信號(hào)控制系統(tǒng)提供系統(tǒng)實(shí)時(shí)交通數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)經(jīng)處理后，對(duì)路口信號(hào)機(jī)進(jìn)行協(xié)調(diào)控制；視頻檢測(cè)附屬在視頻監(jiān)控系統(tǒng)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(cè)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(cè)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(lèi)檢測(cè)器采集的異樣數(shù)據(jù)進(jìn)行過(guò)濾，去掉非法、無(wú)效的數(shù)據(jù)，對(duì)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(guò)通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到測(cè)控中心指定的數(shù)據(jù)通道或數(shù)據(jù)庫(kù)，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(shí)檢測(cè)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(jì)算機(jī)存儲(chǔ)的工作量^［4］。

2.2.4 控制執(zhí)行

系統(tǒng)設(shè)計(jì)為分布式客戶(hù)/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(jí)監(jiān)控中心共享數(shù)據(jù)庫(kù)通過(guò)光纜收集控制器預(yù)處理過(guò)的圖像和數(shù)據(jù)信息，在監(jiān)控中心通過(guò)相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行預(yù)測(cè)、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(kù)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(shí)檢測(cè)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(shí)，還可以通過(guò)手動(dòng)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(cè)器采集的交通流信息用來(lái)控制該節(jié)點(diǎn)的交通，同時(shí)又要經(jīng)處理機(jī)進(jìn)行預(yù)處理，利用通信接口，通過(guò)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€(gè)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(tái)

節(jié)點(diǎn)處理機(jī)要執(zhí)行繁重的通訊和算法處理，對(duì)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(wú)法滿(mǎn)足節(jié)點(diǎn)的要求。因此采用SAMSUNG公司的處理器S3C2410平臺(tái)，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、Touch Screen接口、I2C接口、I2S接口、2個(gè)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(tái)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(kuò)展了一個(gè)網(wǎng)口，另外引出了一個(gè)HOST USB接口。硬件平臺(tái)如圖4所示。

16 MB 16位的FLASH用來(lái)存儲(chǔ)Linux內(nèi)核和應(yīng)用程序，64MB 32位的SDRAM在系統(tǒng)運(yùn)行的時(shí)候存儲(chǔ)Linux的內(nèi)核和應(yīng)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(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(cè)設(shè)備。

液晶控制器用來(lái)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(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(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(tái)上的圖像處理程序，對(duì)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(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(tǒng)的參數(shù)設(shè)定，比如路口數(shù)、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(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(lái)誘導(dǎo)交通。檢測(cè)設(shè)備在目前交通控制中的各種檢測(cè)設(shè)備不但種類(lèi)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)^［5］，Linux內(nèi)核是一種源碼開(kāi)放的操作系統(tǒng)，采用模塊化的設(shè)計(jì)。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(duì)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(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(yīng)用程序的基礎(chǔ)之上，從而大大縮短開(kāi)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(jì)，具有代碼量小、運(yùn)行消耗系統(tǒng)資源少、可靠性高、開(kāi)發(fā)周期短等優(yōu)點(diǎn)，適應(yīng)了智能交通路口控制器對(duì)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(hù)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(dòng)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(xiě)包括驅(qū)動(dòng)和視頻流采集的應(yīng)用程序兩部分。先將驅(qū)動(dòng)模塊靜態(tài)編譯，再使用Insmode動(dòng)態(tài)加載其驅(qū)動(dòng)模塊程序。然后采用MMAP( )內(nèi)存映射方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)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(guò)程采用C/S模式，具體流程圖如圖6所示。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文所提出的基于A(yíng)RM硬件平臺(tái)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(guò)實(shí)現(xiàn)測(cè)試和調(diào)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(shè)計(jì)具有如下特點(diǎn):

(1) 采用ARM平臺(tái)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(jí)提供了穩(wěn)定、可靠的軟件平臺(tái)。

(3) 通過(guò)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(wú)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(gè)節(jié)點(diǎn)使用，也可以用來(lái)作為現(xiàn)有節(jié)點(diǎn)的一部分來(lái)實(shí)現(xiàn)交通數(shù)據(jù)信息的共享?？梢詫?shí)現(xiàn)視頻檢測(cè)和數(shù)據(jù)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(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(shí)也為進(jìn)一步開(kāi)放建設(shè)ITS打下堅(jiān)定的基礎(chǔ)。

參 考 文 獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介 潘若禹 女，1981年出生，陜西西安人，助教。主要研究方向?yàn)榍度胧较到y(tǒng)及應(yīng)用。