一種嵌入式無(wú)線(xiàn)車(chē)輛信息采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

吳 帆，楊之樂(lè)，林小玲，韓正之

(1.上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院，上海200240;2.上海大學(xué)機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院，上海200072)

0 引言

物聯(lián)網(wǎng)，就是通過(guò)信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議，將任何物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來(lái)，進(jìn)行信息交換和通信，以實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)［1］。它在各種創(chuàng)新型技術(shù)的支持下得到發(fā)展，代表著通信和計(jì)算機(jī)技術(shù)未來(lái)的革命。智能交通系統(tǒng)(ITS)是物聯(lián)網(wǎng)研究的關(guān)鍵領(lǐng)域，它用來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)交通的實(shí)時(shí)控制與指揮管理。而車(chē)輛信息采集被認(rèn)為是ITS的關(guān)鍵子系統(tǒng)，是交通智能化的前提［2］。本文提出一種低功耗、易安裝維護(hù)、功能全面的基于嵌入式S3C6410的無(wú)線(xiàn)車(chē)輛信息采集系統(tǒng)，將嵌入式控制平臺(tái)、無(wú)線(xiàn)采集、無(wú)線(xiàn)變送、磁阻新型測(cè)量等技術(shù)融為一體，解決了傳統(tǒng)車(chē)輛采集系統(tǒng)成本高、體積功耗大、安裝維護(hù)不方便等問(wèn)題，系統(tǒng)采用太陽(yáng)能供電，獨(dú)立性強(qiáng)，具有廣闊的應(yīng)用前景。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

車(chē)輛信息采集系統(tǒng)是一種安裝在現(xiàn)場(chǎng)的前端設(shè)備，它主要完成車(chē)輛的速度、流量數(shù)據(jù)獲取和將獲取的信息作簡(jiǎn)單處理后傳輸?shù)浇煌ㄐ畔⑻幚碇行?。由于它是物流信息的?lái)源，它的可靠性、有效性與準(zhǔn)確性就受到特別的關(guān)注。目前，常用的測(cè)速方法有環(huán)形線(xiàn)圈測(cè)速、雷達(dá)測(cè)速、激光測(cè)速和視頻測(cè)速等［3］。這些方法雖然具有體積小，易于安裝或測(cè)試精度不受環(huán)境影響等優(yōu)點(diǎn)，但存在安裝調(diào)試和使用維護(hù)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(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)Fig 1 Overall design of system

車(chē)輛探測(cè)器是監(jiān)測(cè)系統(tǒng)感知研究對(duì)象的最前沿端，主要用于獲取檢測(cè)對(duì)象的物理特性參量信號(hào)。圖2所示為車(chē)輛信息采集系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)圖。本系統(tǒng)的車(chē)輛探測(cè)器采用中交智能工程有限公司的YTS-E存在型車(chē)輛探測(cè)器包括埋地部分的車(chē)輛檢測(cè)器與路旁的信號(hào)接收機(jī)。埋地部分車(chē)輛檢測(cè)器與接收機(jī)間的通信采用Zig Bee方式，Zig Bee是一種介于無(wú)線(xiàn)標(biāo)識(shí)技術(shù)和藍(lán)牙技術(shù)之間的技術(shù)提案［4］，具有低功耗、短時(shí)延、免執(zhí)照、低成本等優(yōu)點(diǎn)，因而非常適合于短距離無(wú)線(xiàn)傳輸。無(wú)線(xiàn)車(chē)輛探測(cè)器埋于路面以下的磁阻傳感器每個(gè)車(chē)道放置2對(duì)，將檢測(cè)到的車(chē)輛通過(guò)的信息用Zig Bee方式傳給路邊的接收機(jī)［5］。

監(jiān)測(cè)儀是現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的信號(hào)處理控制中心，其主要硬件構(gòu)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(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡等。

圖2 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)Fig 2 Functions design of system

為保證系統(tǒng)能在無(wú)市電的荒郊野外也能長(zhǎng)期、持續(xù)工作，供電方式采用太陽(yáng)能供電。太陽(yáng)能供電部分要針對(duì)不同設(shè)備提供不同的供電電壓，12 V的輸出可以供給監(jiān)控?cái)z像頭、車(chē)輛探測(cè)器的路旁接收機(jī)，以及LED動(dòng)態(tài)限速標(biāo)志。而監(jiān)測(cè)儀需要的5V電壓，則可用光伏充放電控制器通過(guò)BUCK降壓斬波電路來(lái)實(shí)現(xiàn)［6］。

2 系統(tǒng)硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)

硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要包括S3C6410微處理器、電源、串口、網(wǎng)卡、LCD觸摸屏等。

圖3 硬件結(jié)構(gòu)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(nèi)部總線(xiàn)架構(gòu)，并集成了多個(gè)功能強(qiáng)大的硬件加速器。S3C6410有極佳的外部存儲(chǔ)器接口能力，可以滿(mǎn)足高端通信業(yè)務(wù)的帶寬要求。

RS-232接口是計(jì)算機(jī)上的通信接口，在這里實(shí)現(xiàn)探測(cè)器接收機(jī)與S3C6410控制器的通信?？刂破鲗⒔邮盏降臄?shù)據(jù)進(jìn)行分析處理后，發(fā)出超速抓拍的指令，再將監(jiān)控?cái)z像頭對(duì)違章車(chē)輛的抓拍圖片保存到SD卡里。CAMERA或USB接口可以用來(lái)連接監(jiān)控?cái)z像頭，測(cè)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(lái)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備調(diào)試。由于抓拍圖片的信息不要求實(shí)時(shí)反映至交通信息處理中心，因而，可以使用SD卡存儲(chǔ)一段時(shí)間或一定容量的圖像數(shù)據(jù)包，再通過(guò)GPRS進(jìn)行傳輸，然后，清空SD卡繼續(xù)存儲(chǔ)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)中，無(wú)線(xiàn)磁阻車(chē)輛探測(cè)器與控制器是通過(guò)串口進(jìn)行通信，從而實(shí)現(xiàn)車(chē)輛信息的檢測(cè)。文中通過(guò)對(duì)WinCE下的串口編程的介紹和對(duì)超速檢測(cè)、圖像采集的應(yīng)用程序設(shè)計(jì)方法的詳述，闡釋了該無(wú)線(xiàn)車(chē)輛采集系統(tǒng)的應(yīng)用層程序設(shè)計(jì)。

3.1 基于MFC的應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)

微軟基礎(chǔ)類(lèi)(microsoft foundation classed，MFC)庫(kù)通過(guò)面向?qū)ο蟮姆绞綄DK進(jìn)行封裝，使用戶(hù)在使用API函數(shù)時(shí)更加方便簡(jiǎn)單。對(duì)話(huà)框編程作為一種MFC應(yīng)用程序的編寫(xiě)方式，其最大優(yōu)點(diǎn)是可以可視化編輯串口界面，為開(kāi)發(fā)者節(jié)省很多界面設(shè)計(jì)的時(shí)間。

3.2 WinCE下的串口編程

WinCE相比于Linux，以其良好的界面、強(qiáng)大的功能、類(lèi)似桌面Windows操作系統(tǒng)的編程環(huán)境，以WinCE為平臺(tái)的各類(lèi)終端迅速普及。本文選用WinCE操作系統(tǒng)進(jìn)行應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)。本系統(tǒng)使用串口作為無(wú)線(xiàn)車(chē)輛采集系統(tǒng)與車(chē)輛探測(cè)器的通信方式，在PC機(jī)Visual Studio 2005的編譯環(huán)境下利用MFC編寫(xiě)操作界面，然后，用交叉編譯的方式通過(guò)串口將程序燒寫(xiě)進(jìn)系統(tǒng)中，搭配觸摸屏，即可實(shí)現(xiàn)車(chē)輛信息的檢測(cè)和顯示［7］。

3.3 超速和抓拍程序設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)車(chē)輛的感知和高速公路車(chē)速的測(cè)量?；诰C合考慮公路交通流、天氣等影響因素，在平衡設(shè)計(jì)速度與安全運(yùn)行速度的基礎(chǔ)上，我國(guó)有很多路段已經(jīng)實(shí)行了隧道群限速和惡劣氣候條件動(dòng)態(tài)限速等形式。

超速和抓拍程序的實(shí)現(xiàn)方法是:當(dāng)開(kāi)始運(yùn)行監(jiān)控后，通過(guò)一個(gè)大循環(huán)實(shí)現(xiàn)不停地發(fā)送保持車(chē)輛探測(cè)器接收機(jī)的看門(mén)狗正常工作不復(fù)位的報(bào)文，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)串口數(shù)據(jù)的正常讀寫(xiě)［8］。由于車(chē)速的檢測(cè)是根據(jù)車(chē)輛通過(guò)2對(duì)檢測(cè)器的時(shí)間間隔與檢測(cè)器的間距間接計(jì)算所得，所以，用了2個(gè)if語(yǔ)句的嵌套進(jìn)行判定，在進(jìn)入第一個(gè)if，即檢測(cè)到車(chē)子通過(guò)第一組磁阻檢測(cè)器后，要不斷地監(jiān)聽(tīng)串口，才能檢測(cè)到車(chē)子是否經(jīng)過(guò)了第二組磁阻檢測(cè)器;進(jìn)入第二個(gè)if判定之后，可以在其內(nèi)部進(jìn)行超速判定和抓拍，即在給出了進(jìn)行精確抓拍的控制觸發(fā)信號(hào)。系統(tǒng)應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)的流程如圖4所示。

圖4 軟件流程圖Fig 4 Flow chart of software

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與測(cè)試

為了檢測(cè)系統(tǒng)的可用性，進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。由于Zig Bee工作在2.4 GHz超高頻，因此，不會(huì)受到車(chē)輛行進(jìn)過(guò)程中的其他噪聲的干擾。磁阻傳感器配套有環(huán)氧樹(shù)脂保護(hù)筒，耐壓、防水、防腐蝕，且對(duì)無(wú)線(xiàn)通信干擾較小。為了便于測(cè)試，安放2對(duì)間隔2 m的檢測(cè)器，設(shè)定違章車(chē)速為30 km/h。安排車(chē)輛以不同車(chē)速通過(guò)監(jiān)測(cè)區(qū)域，實(shí)驗(yàn)過(guò)程如圖5所示。檢測(cè)器將采集到的檢測(cè)信號(hào)以無(wú)線(xiàn)傳輸方式實(shí)時(shí)發(fā)送給實(shí)驗(yàn)室里放置的路旁接收機(jī)。路旁接收機(jī)將接收的數(shù)據(jù)通過(guò)串口傳遞給控制器，控制器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理后實(shí)現(xiàn)超速抓拍。

圖5 車(chē)輛速度檢測(cè)Fig 5 Detection of vehicle speed

根據(jù)面包車(chē)上儀表盤(pán)的時(shí)速顯示，該系統(tǒng)基本實(shí)現(xiàn)較為準(zhǔn)確地測(cè)速并能及時(shí)拍下超速車(chē)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(shí)間，精確到秒，并且顯示出超速車(chē)輛的行駛速度。

將現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的結(jié)果與約定標(biāo)稱(chēng)值進(jìn)行比較，如表1所示，做了3種類(lèi)型的各3次測(cè)試，并計(jì)算了平均誤差，驗(yàn)證了系統(tǒng)的可行性。

表1 測(cè)試表格Tab 1 Testing table

5 結(jié)束語(yǔ)

系統(tǒng)采用高性能處理器S3C6410和嵌入式操作系統(tǒng)WinCE，結(jié)合磁阻和Zig Bee無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了車(chē)速檢測(cè)和抓拍存儲(chǔ)功能，具有低能耗、易于維護(hù)等特點(diǎn)，可全套采用太陽(yáng)能供電。在后續(xù)研發(fā)中，由于系統(tǒng)采用的ARM11處理器集成了各種外設(shè)，擴(kuò)展性強(qiáng)，可進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)車(chē)輛占有率、雨量、霧濃度等信息采集，為智能交通系統(tǒng)提供了實(shí)時(shí)全面的前端數(shù)據(jù)，形成一套更為完整的車(chē)輛信息監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)在智能交通的應(yīng)用具有一定參考價(jià)值。

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