智能交通多接口智能終端研究與實(shí)現(xiàn)

呂東方，張正華，劉　平，顧　駿，徐　楊

(揚(yáng)州大學(xué) 信息工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州225127)

智能交通多接口智能終端研究與實(shí)現(xiàn)

呂東方，張正華，劉平，顧駿，徐楊

(揚(yáng)州大學(xué) 信息工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州225127)

摘要智能交通是智慧城市建設(shè)的重要部分，在ZigBee無線通信技術(shù)和嵌入式技術(shù)基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種用于智能交通環(huán)境監(jiān)測的多接口智能終端。硬件開發(fā)平臺(tái)采用基于S3C6410處理器的Tiny6410開發(fā)板，并結(jié)合ZigBee無線通信技術(shù)，設(shè)計(jì)出了交通環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的總體方案。多接口智能終端通過ZigBee接收環(huán)境數(shù)據(jù)，經(jīng)處理后通過以太網(wǎng)或WiFi無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到服務(wù)器。經(jīng)測試，系統(tǒng)運(yùn)行準(zhǔn)確可靠。

關(guān)鍵詞智能交通；環(huán)境監(jiān)測；ZigBee；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

Research and Implementation of Multi-interface Intelligent Terminal in Intelligent Transportation

LV Dong-fang，ZHANG Zheng-hua，LIU Ping，GU Jun，XU Yang

(SchoolofInformationEngineering，YangzhouUniversity，YangzhouJiangsu225000，China)

AbstractThe intelligent transportation is an important part of wisdom city construction. This paper designs an intelligent transportation environmental monitoring systems based on ZigBee wireless communication technology and embedded technology. The hardware development platform uses Tiny6410 development board based on S3C6410 processor，and the the overall scheme of traffic environment monitoring system is designed based on ZigBee wireless communication technology. The multi-interface intelligent terminal collects traffic data by ZigBee wireless network，then processes and sends the data to server via wired Gigabit Ethernet or WiFi wireless network. The test results show that the system is accurate and reliable.

Key wordsintelligent transportation;environmental monitoring;ZigBee;wireless sensor network

0引言

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展推動(dòng)了智慧城市、智能交通的建設(shè)[1]，嵌入式多接口智能終端的需求不斷增加。準(zhǔn)確的交通數(shù)據(jù)是分析掌握交通規(guī)律、優(yōu)化交通體系的關(guān)鍵，如何獲取實(shí)時(shí)可靠的交通數(shù)據(jù)一直是智能交通系統(tǒng)發(fā)展的重要問題。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)所具有的優(yōu)良特性[2]是智能交通系統(tǒng)采集信息的一種非常有效手段，作為現(xiàn)有有線技術(shù)的補(bǔ)充，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的建立和維護(hù)方便，非常適合于部署在有線傳輸不能覆蓋的路段[3]，極大地降低整個(gè)交通系統(tǒng)部署維護(hù)成本。目前，分布式無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在交通信息采集領(lǐng)域的研究已經(jīng)引起了國內(nèi)外許多企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)的高度關(guān)注[3-4],無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在智能交通方面的應(yīng)用已經(jīng)成為熱點(diǎn)研究領(lǐng)域。

智能交通系統(tǒng)發(fā)展已有十多年[5]，然而，傳統(tǒng)的智能交通信息采集系統(tǒng)主要采用光纖或以太網(wǎng)傳輸，致使整個(gè)交通系統(tǒng)部署維護(hù)成本極高，而且系統(tǒng)接口有限，查詢監(jiān)測數(shù)據(jù)不夠方便。本文設(shè)計(jì)了一種智能交通環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)既可以采集存儲(chǔ)交通數(shù)據(jù)，還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)交通信息實(shí)時(shí)有效的監(jiān)測和分析，具有安裝維護(hù)容易、查詢監(jiān)測靈活等優(yōu)點(diǎn)。

1系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

多接口智能終端采用嵌入式ARM微處理器S3C6410作為系統(tǒng)硬件平臺(tái)，采用嵌入式Linux作為操作系統(tǒng)軟件平臺(tái)。設(shè)計(jì)了以 ZigBee 無線通信技術(shù)為基礎(chǔ)的交通監(jiān)測網(wǎng)的網(wǎng)關(guān)， ZigBee 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)解決分散的智能采集節(jié)點(diǎn)集中管理以及查詢維護(hù)困難問題，采集點(diǎn)通過ZigBee無線網(wǎng)與ARM網(wǎng)關(guān)交換數(shù)據(jù)。智能節(jié)點(diǎn)對(duì)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集如溫度、濕度和二氧化碳含量等，通過ARM網(wǎng)關(guān)對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行打包處理，然后通過以太網(wǎng)或WiFi無線網(wǎng)絡(luò)向服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)，或通過手機(jī)進(jìn)行交通數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)查詢。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

智能交通環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)主要包括3部分：系統(tǒng)前端由環(huán)境監(jiān)測傳感器模塊和ZigBee無線收發(fā)模塊構(gòu)成系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集模塊；系統(tǒng)中端是ARM嵌入式網(wǎng)關(guān)模塊；系統(tǒng)后端由以太網(wǎng)模塊、WiFi模塊及服務(wù)器系統(tǒng)構(gòu)成。

2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1　網(wǎng)關(guān)硬件結(jié)構(gòu)

網(wǎng)關(guān)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示,因ARM微處理器具有體積小、低功耗、低成本及高性能等優(yōu)點(diǎn)[6]，嵌入式網(wǎng)關(guān)采用廣州友善之臂生產(chǎn)的Tiny6410開發(fā)板，系統(tǒng)主控芯片采用ARM11處理器S3C6410，它是一款低功率、高性價(jià)比、高性能的用于手持、移動(dòng)等終端設(shè)備的通用處理器。S3C6410具有豐富的硬件功能外設(shè)，如攝像頭接口，TFT 24 bit真彩色LCD控制器，系統(tǒng)管理單元(電源時(shí)鐘等)，4通道的UART，4通道定時(shí)器，通用I/O口，32通道的DMA，I2S總線，I2C總線，USB Host，高速USB OTG，SDIO接口及內(nèi)部的PLL時(shí)鐘發(fā)生器，降低整個(gè)系統(tǒng)的成本和提升總體功能。

圖2　嵌入式網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

ZigBee無線收發(fā)模塊采用德州儀器(TI)的CC2530芯片，該芯片它結(jié)合了高性能的射頻收發(fā)器和一個(gè)高性能低功耗的8051微控制器，適合用于搭建功能健全價(jià)格低廉的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。CC2530在單個(gè)芯片上集成了IEEE802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)2.4 GHz頻段的RF 無線電收發(fā)機(jī)，具有優(yōu)良的無線接收靈敏度和抗干擾性[7]。

嵌入式WiFI模塊采用WM-G-MR-09型號(hào)的SDIO接口模塊，可以實(shí)現(xiàn)開發(fā)板數(shù)據(jù)通過SDIO口到無線網(wǎng)絡(luò)之間的轉(zhuǎn)換。SDIO具有較快的傳輸速率，可以有效并快速的傳輸數(shù)據(jù)，滿足系統(tǒng)要求。

2.2　ZigBee無線收發(fā)模塊硬件設(shè)計(jì)

ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)由數(shù)個(gè)ZigBee終端節(jié)點(diǎn)和一個(gè)ZigBee中心節(jié)點(diǎn)(協(xié)調(diào)器)搭建而成，是一個(gè)星形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。分散的終端節(jié)點(diǎn)上的溫濕度等傳感器將采集環(huán)境溫濕度信息，并由終端節(jié)點(diǎn)將這些信息通過ZigBee無線芯片發(fā)送到中心節(jié)點(diǎn)。中心節(jié)點(diǎn)將收到的信息及時(shí)傳送的ARM嵌入式網(wǎng)關(guān)。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1　網(wǎng)關(guān)主程序設(shè)計(jì)

嵌入式網(wǎng)關(guān)程序是軟件系統(tǒng)的核心部分，連接系統(tǒng)前端數(shù)據(jù)采集模塊和系統(tǒng)后端服務(wù)器模塊。本小節(jié)主要介紹網(wǎng)關(guān)主程序、串口通信程序及UDP通信程序設(shè)計(jì)流程圖。

網(wǎng)關(guān)主程序主要通過串口讀取系統(tǒng)前端采集道的數(shù)據(jù)，再通過UDP通信程序發(fā)送到服務(wù)器。首先打開串口，當(dāng)成功后開始設(shè)置并初始化串口，準(zhǔn)備讀取串口數(shù)據(jù)。然后創(chuàng)建套接字，準(zhǔn)備將數(shù)據(jù)發(fā)送到服務(wù)器。系統(tǒng)就緒后，主程序開始讀取串口數(shù)據(jù)，打包緩存后發(fā)送到服務(wù)器。網(wǎng)關(guān)主程序流程如圖3所示?？蛻舳顺绦蛄鞒倘鐖D4所示。

圖3　網(wǎng)關(guān)主程序流程

圖4　客戶端程序流程

3.2　串口通信程序設(shè)計(jì)

Linux下串口驅(qū)動(dòng)程序在內(nèi)核角度看是以設(shè)備存在，在用戶層看來是以文件存在，所以要對(duì)串口進(jìn)行操作，就是直接找到相應(yīng)設(shè)備文件，調(diào)用驅(qū)動(dòng)提供的接口函數(shù)直接完成對(duì)串口的操作。本設(shè)計(jì)串口驅(qū)動(dòng)設(shè)備位于“/dev/ttySAC2”,可以通過訪問該設(shè)備來完成對(duì)串口讀寫操作。

串口通信程序首先打開串口，接著配置串口相關(guān)參數(shù)，然后就是對(duì)串口進(jìn)行讀寫操作[8]。打開串口成功后，會(huì)返回一個(gè)文件標(biāo)識(shí)符fd，用write函數(shù)向該標(biāo)識(shí)符里寫東西來發(fā)送，在接收端里用read函數(shù)將接受到的字符保存buff里并進(jìn)行顯示。

3.3　UDP通信程序設(shè)計(jì)

首先，服務(wù)器創(chuàng)建一個(gè)UDP數(shù)據(jù)報(bào)類型的套接字，接著調(diào)用bind()函數(shù)，將UDP套接字綁定到指定端口。因?yàn)閁DP通信無需像TCP通信那樣建立連接[9]，所以服務(wù)器直接通過recvfrom()函數(shù)在指定的服務(wù)器端口等待接收來自客戶端的UDP數(shù)據(jù)報(bào)。同樣，在客戶端也是先通過Socket()函數(shù)創(chuàng)建一個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)套接字，綁定端口后，客戶端通過sendto()函數(shù)向指定的地址發(fā)送UDP數(shù)據(jù)報(bào)[10]。服務(wù)器端對(duì)接收到的數(shù)據(jù)報(bào)進(jìn)行處理后，通過sendo()函數(shù)將結(jié)果發(fā)送到客戶端。

3.4　ZigBee收發(fā)模塊程序設(shè)計(jì)

ZigBee收發(fā)模塊的程序是基于Z-Stack協(xié)議棧開發(fā)的，該協(xié)議棧是由TI公司發(fā)布的，可以免費(fèi)下載使用。在創(chuàng)建協(xié)調(diào)器器和終端節(jié)點(diǎn)程序時(shí)，可以使用提供的Z-Stack 模板，通過修改APP 程序來完成所需要的功能。

3.4.1協(xié)調(diào)器的程序設(shè)計(jì)

協(xié)調(diào)器的程序設(shè)計(jì)大致流程圖如5所示。協(xié)調(diào)器上電后，首先完成節(jié)點(diǎn)硬件和協(xié)議棧的初始化。然后開始掃描信道，ZigBee協(xié)調(diào)器建立網(wǎng)絡(luò)，等待終端的節(jié)點(diǎn)的加入。當(dāng)收到終端節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)請(qǐng)求時(shí)，協(xié)調(diào)器檢查地址空間是否已滿，未滿時(shí)則終端節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)成功，協(xié)調(diào)器開始接收終端傳來的節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，并發(fā)送到嵌入式網(wǎng)關(guān)。若地址空間已滿，則終端節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)失敗，進(jìn)入休眠狀態(tài)[11]。

圖5　協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)程序流程

3.4.2終端節(jié)點(diǎn)的程序設(shè)計(jì)

終端節(jié)點(diǎn)的程序大致流程圖如圖6所示。

圖6　終端節(jié)點(diǎn)程序流程

終端節(jié)點(diǎn)能夠自動(dòng)加入網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點(diǎn)上電完成初始化后，發(fā)送入網(wǎng)請(qǐng)求，當(dāng)收到協(xié)調(diào)器入網(wǎng)響應(yīng)時(shí)，發(fā)出綁定請(qǐng)求(函數(shù)為zb_BindDevice())。當(dāng)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)綁定成功響應(yīng)后，完成綁定操作。ZigBee終端節(jié)點(diǎn)開始讀取監(jiān)測模塊的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)發(fā)送給協(xié)調(diào)器。

4系統(tǒng)測試分析

基于ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)的智能交通環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)主要測試系統(tǒng)運(yùn)行正確性及系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性與穩(wěn)定性。在測試中，使用了2種測試軟件：常用的SecureCRT超級(jí)終端和編好的PC服務(wù)器監(jiān)控軟件。

4.1　系統(tǒng)前端測試

系統(tǒng)前端測試主要測試監(jiān)測傳感模塊、ZigBee收發(fā)模塊及ARM網(wǎng)關(guān)應(yīng)用程序。實(shí)驗(yàn)測試環(huán)境在實(shí)驗(yàn)室，使用ZigBee收發(fā)模塊、監(jiān)測傳感模塊、ARM網(wǎng)關(guān)和SecureCRT超級(jí)終端軟件。

從串口輸出數(shù)據(jù)可以看到，溫濕度通過對(duì)比當(dāng)時(shí)溫濕度測試儀的結(jié)果，采集的溫濕度數(shù)據(jù)與實(shí)際溫濕度基本吻合，說明監(jiān)測傳感模塊，ZigBee無線收發(fā)模塊，及ARM網(wǎng)關(guān)應(yīng)用程序功能正常，系統(tǒng)前端運(yùn)行良好。

4.2　系統(tǒng)后端測試

系統(tǒng)后端測試主要測試ARM網(wǎng)關(guān)應(yīng)用程序與PC服務(wù)器軟件通信能否正常，及嵌入式WiFi模塊能否正常使用。實(shí)驗(yàn)測試環(huán)境在實(shí)驗(yàn)室，使用ZigBee收發(fā)模塊、監(jiān)測傳感模塊、SDIO-WiFi模塊、ARM網(wǎng)關(guān)和PC服務(wù)器軟件。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

圖7　系統(tǒng)后端測試溫濕度趨勢

從圖7可以看到，PC服務(wù)器監(jiān)測軟件成功顯示出當(dāng)時(shí)溫濕度信息，說明ARM網(wǎng)關(guān)與PC服務(wù)器通信正常，PC監(jiān)控程序可以正確顯示監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，運(yùn)行無誤。圖中數(shù)據(jù)前半段是通過網(wǎng)線傳輸?shù)?，后半段是通過WiFi模塊傳輸?shù)模?jīng)過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，前后數(shù)據(jù)基本相同，說明嵌入式WiFi模塊運(yùn)行正常，數(shù)據(jù)傳輸無誤。

5結(jié)束語

隨著智慧城市建設(shè)的迅速發(fā)展，智能交通系統(tǒng)的需求越來越緊迫。傳統(tǒng)的智能交通信息采集系統(tǒng)主要采用光纖或以太網(wǎng)傳輸，致使整個(gè)交通系統(tǒng)部署維護(hù)成本極高。以ZigBee無線通信技術(shù)和嵌入式技術(shù)為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了一種基于嵌入式技術(shù)的智能交通環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有安裝維護(hù)容易、查詢監(jiān)測方便等優(yōu)點(diǎn)，經(jīng)測試，多接口智能終端運(yùn)行準(zhǔn)確可靠，可以將采集到的環(huán)境數(shù)據(jù)通過有線或無線發(fā)送到服務(wù)器，系統(tǒng)整體測試效果良好。

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呂東方男，(1991—)，碩士研究生。主要研究方向：嵌入式系統(tǒng)。

張正華男，(1965—)，副教授,碩士。主要研究方向：視頻圖像處理及編解碼、實(shí)時(shí)信號(hào)處理等。

作者簡介

基金項(xiàng)目：江蘇省產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合創(chuàng)新資金(前瞻性聯(lián)合研究)項(xiàng)目(BY2013063-10)；揚(yáng)州市2012年產(chǎn)學(xué)研合作專項(xiàng)(2012038-8)。

收稿日期：2015-05-22

中圖分類號(hào)TN919

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

文章編號(hào)1003-3106(2015)08-0087-04

doi:10.3969/j.issn.1003-3106.2015.08.24

引用格式：呂東方，張正華，劉平，等. 智能交通多接口智能終端研究與實(shí)現(xiàn)[J].無線電工程，2015，45(8)：87-90.