基于ARM9的道路交通数据采集系统设计

　　国内外实践经验证明，解决城市交通问题不能单纯依靠修建道路基础设施，而智能交通系统(ITS)是解决交通拥堵、减少交通事故、防止交通污染，提高交通管理水平的最有效的方法和手段。其特点是信息技术使管理者和使用者可同时获得同样的信息。交通参与者在已知路网运行状态条件下可以自主选择和实现交通诱导，对提高交通的机动性、安全性、有序化，通行能力和道路系统的交通效率提供了技术支持。因此，道路交通实时动态信息采集成为ITS最为基础的环节。

　　信号控制作为城市道路交通管理的主要手段之一，在改善城市交通秩序、减少事故、提高道路利用率等方面有着重要的作用。近年来我国城市交通信号控制发展迅速，目前已有一些城市通过引进国外产品，如英国的SCOOT，澳大利亚的SCATS系统，美国的Quiknet，西班牙的Sainco系统等，或者使用国内研究成果建立起来了城市交通信号控制系统进行道路交通管理。这些控制设备采集的交通数据信息只服务于各自的系统，无法实现交通数据信息的共享。

　　目前，我国大多数城市的交通数据信息的采集依赖于交通路口设置在路面下的环形线圈检测器、快速干道路侧的微波或雷达和视频检测设备等。由于建于不同时期，不同的开发和生产背景，导致类型不一、信息开放不一、标准不一、通信传输和协议不一。如测控设备有工控机、PLC、单片机或专用计算机等。对于包括图像在内的大量道路交通信息的采集、处理和传输，现有的设备显得力不从心，并且这些相互独立的不同系统和设备并没有覆盖整个城市，系统和设备之间的信息无法融合和共享，更无法实现系统之间的协调和优化。因此，它们之间的信息畅通和集成已经成为我国城市交通信号控制系统发展的主要任务。目前众多城市中使用的相互独立的不同系统和不同信号控制器给系统信息畅通和集成带来了相当的困难。文献[3]采用协议转换的方式来实现其集成和融合，但无法解决设备的低性能和处理能力低的问题。

　　考虑到目前我国城市现有的通信条件和实际情况，本文设计了利用嵌入式系统作为开发平台，利用TCP/IP协议作为交通信息传输的方式的道路交通数据采集的方案。由于Internet的发展和普及，采用TCP/IP协议简单、方便、成本低，开放性好，标准化程度高。道路上各节点进行数据通信，中心利用采集各节点的数据进行控制、决策和协调，并向外发布信息。系统结构如图1所示。

　　2 数据采集系统设计

　　2.1 基本要求

　　各个节点将道路交通流(主要指机动车流)的信息(车速、流量、占有率、紧急事件报警等)通过信息采集、处理与分析，完成路口的控制，并传输到测控中心，提供给交通管理人员使用以及供广大驾驶员参考。必须满足的基本要求如下：

　　能对道路上各类传感设备兼容，即能实现多路模拟和数字信号的采集。采集的时间间隔在30 s～2 min。

　　具有路口控制功能，能实现数据传输、处理和控制。当通信网络一旦出现故障，各节点根据交通信息，依据历史数据和当前采集的信息，通过数学模型实现局部优化控制。

　　实时接受由测控中心发来的信息，并需要在5～10 min之间能发布信息，从而使交通管理人员和交通参与者掌握和了解即时交通状况。

　　同时融合其他方面的交通信息，如公共交通线路运行信息、突发事件相关信息等提供给道路使用者，使路面实时信息更加丰富。

　　通信接口丰富(具有TCP/IP通信接口、232/USB接口等)，内存空间较大。

　　2.2 系统设计

　　2.2.1 节点的硬件组成

　　考虑到户外交通环境的特殊性，前端设备采用嵌入的设计方法，其硬件组成结构如图2所示。

　　节点作为控制的一部分，要完成路口的控制功能。控制的实现利用采集的交通数据和中心发布的协调控制指令，通过节点处理后完成。所以，一个节点由数据采集、传输、控制3个功能单元组成。这些功能的实现通过嵌入式系统来完成。

　　按其功能要求其数据流有：一是从各个传感器采集的数据，通过中间处理过程进行处理后，显示在管理人员面前或对外发布的客户终端上;二是从信息采集系统中取来的数据，通过中间处理过程进行处理后，上传到监控中心，存储在数据库中;三是监控中心发布系统协调控制的命令或处理的结果在节点上显示。其数据流的传输如图3所示。

　　2.2.2 数据采集

　　交通数据的采集主要功能是将路面交通的流量、车速、占有率等原始交通数据通过各类交通检测器送到节点进行预处理。常用的有环形线圈检测器采集机动车交通流量、车速等交通信息;微波和视频检测器可以获得实时的机动车车速、流量、占有率等各种交通流数据;牌照识别系统可以计算机动车在该条道路上的旅行时间;除此以外，还有路面执勤的交警定时或实时的报告路况交通等。

　　上述各类检测器还有其他相应的功能作用，如环形线圈检测器主要为信号控制系统提供系统实时交通数据，数据经处理后，对路口信号机进行协调控制;视频检测附属在视频监控系统中，为交通管理人员提供直观的实时路面图像等。

　　为保证交通信息共享，要将这些检测器采集的交通流信息送到节点机进行预处理，以保证采集到的数据安全、可靠和有效的传输到测控中心。

　　2.2.3 采集数据的预处理

　　节点数据的预处理，其主要功能将各类检测器采集的异样数据进行过滤，去掉非法、无效的数据，对故障数据进行恢复，将有效、合法的数据按照标准进行格式化处理，并将其封装、利用TCP/IP协议，通过通信网络发送到测控中心指定的数据通道或数据库，提供给交通信息处理与分析子系统。采集得到的数据经预处理后的实时检测交通数据效果更好，更符合实际情况的需要，并有效地节省了计算机存储的工作量。

　　2.2.4 控制执行

　　系统设计为分布式客户/服务器体系结构的网络系统，一方面，节点采集的数据与上级监控中心共享数据库通过光缆收集控制器预处理过的图像和数据信息，在监控中心通过相应的数学模型进行预测、诱导和控制的控制参数一起作为本地节点的控制输入参数，另一方面，要求把本节点的数据传送到数据库和监控中心。一旦通信系统发生阻塞或故障，该节点也能根据当地实时检测到的交通流量和历史数据的数学模型进行基于该路口的局域最优控制。发生事故和其他特殊情况时，还可以通过手动实现路口的控制。

　　2.2.5 网络通信

　　节点控制机将各种检测器采集的交通流信息用来控制该节点的交通，同时又要经处理机进行预处理，利用通信接口，通过TCP/IP协议，保证采集到的数据安全性、可靠性、有效性传输到控制中心，用于整个交通系统协调控制和管理。

　　3 实现技术

　　3.1 硬件平台

　　节点处理机要执行繁重的通讯和算法处理，对处理器的通讯和运算速度有很高的要求，传统的单片机处理器性能有限无法满足节点的要求。因此采用SAMSUNG公司的处理器S3C2410平台，它具有灵活的特性和强大的性能，在嵌入式系统中得到了广泛的应用。该处理器内部集成了ARM公司ARM920T处理器核的32位微控制器，资源丰富，带独立的16 kB的指令Cache和16 kB数据Cache、LCD控制器、RAM控制器、NAND闪存控制器、3路UART、4路DMA、4路带PWM的Timer、并行I/O口、8路10位ADC、TouchSereen接口、I2C接口、I2S接口、2个USB接口控制器、2路SPI，主频最高可达203 MHz。在处理器丰富资源的基础上，还进行了相关的配置和扩展，平台配置了16 MB 16位的FLASH和64 MB 32位的SDRAM。通过以太网控制器芯片CS8900A扩展了一个网口，另外引出了一个HOST USB接口。硬件平台如图4所示。

　　16 MB 16位的FLASH用来存储Linux内核和应用程序，64MB 32位的SDRAM在系统运行的时候存储Linux的内核和应用程序。

　　以太网控制器通过以太网接口芯片CS8900A，用于接入Internet，加入光纤接口就可以实现光纤通讯。

　　RS 232和AD接口分别用于接入液晶控制器、交通灯控制器、交通指示牌控制器和检测设备。

　　液晶控制器用来设定或者修改智能路口控制器控制参数，而且还可以通过手动直接控制交通灯。

　　USB接口上外接一个带USB口的摄像头，将采集到的视频图像数据放入输入缓冲区中。然后，或者保存成文件的形式，或者运行移植到平台上的图像处理程序，对缓冲的图像数据直接进行相关处理，再保存并打成UDP包。最后，通过网络接口将图像发送到Internet上。

　　交通灯的控制是直接控制，接收系统的参数设定，比如路口数、红绿灯时间等，并控制交通灯。交通指示牌是用来提供交通信息的大屏幕，S3C2410接收来自监控中心的交通信息，并将这些信息送到交通指示牌控制器，显示在大屏幕上，用来诱导交通。检测设备在目前交通控制中的各种检测设备不但种类繁多，而且新产品不断涌现，预留了包括串口在内的多种接口方式。

　　3.2 系统软件

　　系统操作系统采用Linux操作系统，Linux内核是一种源码开放的操作系统，采用模块化的设计。在此只保留了必需的功能模块，删除了冗余的功能模块，并对内核重新编译，从而使系统运行所需的硬件资源显著减少。最重要的一点是，Linux自诞生之日起就与网络密不可分，Linux系统内核集成了大量的网络应用程序，支持全部的标准因特网协议和几乎所有的联网技术，这使Linux很适合基于网络的应用开发，用户编写的程序代码可以直接建立在这些网络应用程序的基础之上，从而大大缩短开发周期。因此将其应用于智能交通路口控制器的设计，具有代码量小、运行消耗系统资源少、可靠性高、开发周期短等优点，适应了智能交通路口控制器对于操作系统的要求。加载流程如图5所示。

　　3.3 应用软件

　　应用软件主要有协议软件、数据采集模块、通信处理模块、用户接口管理等。这里主要介绍视频采集(包含在数据采集模块中)和通信处理的实现。

　　3.3.1 视频采集

　　利用LINUX中视频设备的内核驱动程序video4linux，它为USB摄像头、TV卡和视频捕捉卡等视频设备的应用程序的编程提供了一系列的接口函数。

　　程序的编写包括驱动和视频流采集的应用程序两部分。先将驱动模块静态编译，再使用Insmode动态加载其驱动模块程序。然后采用MMAP()内存映射方式，实现对单帧和连续帧的采集。

　　3.3.2 数据通信软件模块

　　由于采用TCP/IP协议，通信过程采用C/S模式，具体流程图如图6所示。

　　4 结语

　　本文所提出的基于ARM硬件平台利用TCP/IP协议作为交通信息传输的方式的嵌入式数据采集系统，通过实现测试和调试，上述方案可行，能满足交通实时动态信息采集、控制和传输。该设计具有如下特点：

　　(1)采用ARM平台可以使系统小型化，便于提高性能和与各种外设连接扩展。

　　(2)Linux嵌入式操作系统的应用为功能的扩展、修改、版本升级提供了稳定、可靠的软件平台。

　　(3)通过广泛存在的以太网资源传输交通数据，使得该系统真正实现了无距离限制的通信传输。

　　该系统能和现有设备兼容，可以单独作为一个节点使用，也可以用来作为现有节点的一部分来实现交通数据信息的共享。可以实现视频检测和数据回传功能，从而可获得交通流实时动态信息，实现信息的高度整合和共享，可作为处理分析、数据挖掘和发布的基础。能提高交通管理者控制、管理和决策的水平，同时也为进一步开放建设ITS打下坚定的基础。

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