摘?要:?針對(duì)傳統(tǒng)城市交通控制" title="交通控制">交通控制采用有線方式進(jìn)行數(shù)據(jù)通信" title="數(shù)據(jù)通信">數(shù)據(jù)通信的缺點(diǎn)，提出基于GPRS網(wǎng)絡(luò)的城市交通控制數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)。介紹了系統(tǒng)的工作原理，設(shè)計(jì)了具有GPRS功能的智能交通信號(hào)機(jī)" title="交通信號(hào)機(jī)">交通信號(hào)機(jī)，并給出了信號(hào)機(jī)應(yīng)用軟件和通信服務(wù)器" title="通信服務(wù)器">通信服務(wù)器軟件的實(shí)現(xiàn)流程。
關(guān)鍵詞:GPRS? ARM? 城市交通控制? 智能交通信號(hào)機(jī)? 數(shù)據(jù)通信
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??? 數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)是城市交通控制系統(tǒng)的重要組成部分之一，它通過(guò)數(shù)據(jù)采集、傳輸和管理技術(shù)，使監(jiān)控中心能夠準(zhǔn)確地獲取路網(wǎng)各個(gè)路口的交通流量和交通信號(hào)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，從而為保證路網(wǎng)的控制效果創(chuàng)造條件。因此，如何能夠快速、準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)地將各個(gè)路口的交通流數(shù)據(jù)和交通信號(hào)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)上傳給監(jiān)控中心以及由監(jiān)控中心下傳控制指令給信號(hào)機(jī)就成了整個(gè)控制系統(tǒng)高效運(yùn)行的重要環(huán)節(jié)。目前我國(guó)現(xiàn)有的城市交通控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)主要采用電話或?qū)Ｓ秒娎|等有線方式[1]進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，已不能滿(mǎn)足智能交通系統(tǒng)ITS[2]及各種智能車(chē)載移動(dòng)終端數(shù)據(jù)通信的實(shí)時(shí)性和移動(dòng)性要求。通用分組無(wú)線業(yè)務(wù)GPRS (General Packet Radio Service)作為一種高速、高效、經(jīng)濟(jì)的無(wú)線系統(tǒng)，具有網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍廣、接入迅速、按流量計(jì)費(fèi)、實(shí)時(shí)在線、沒(méi)有任何布線的優(yōu)點(diǎn)[3]，特別適用于間斷的、突發(fā)性的或頻繁的、少量的數(shù)據(jù)傳輸，也適合短時(shí)的突發(fā)大數(shù)據(jù)量通信，完全滿(mǎn)足分布式的城市交通實(shí)時(shí)、多點(diǎn)交通信號(hào)機(jī)數(shù)據(jù)采集及監(jiān)控的雙向數(shù)據(jù)通信需求。本文采用32位ARM7TDMI核ARM微處理器S3C44BOX及GPRS模塊GR47，設(shè)計(jì)了具有GPRS功能的智能交通信號(hào)機(jī)，實(shí)現(xiàn)了基于GRPS網(wǎng)絡(luò)的城市交通控制數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)，基本上克服了傳統(tǒng)有線通信方式所造成的造價(jià)高、覆蓋范圍小、擴(kuò)展性差等缺點(diǎn)。
1 系統(tǒng)組成及工作原理
基于GPRS網(wǎng)絡(luò)的城市交通控制數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)是一個(gè)分布式、集散型、網(wǎng)絡(luò)化、全開(kāi)放的監(jiān)控系統(tǒng)，由監(jiān)控中心、GPRS/Internet通信網(wǎng)絡(luò)以及具有GPRS功能的路口智能交通信號(hào)機(jī)組成，如圖1所示。
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整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行于客戶(hù)/服務(wù)器模式，監(jiān)控中心內(nèi)部通過(guò)以太網(wǎng)將通信服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器及監(jiān)控工作站等設(shè)備互連。監(jiān)控中心在軟件系統(tǒng)的控制下，實(shí)時(shí)接收處理來(lái)自各路口智能交通信號(hào)機(jī)的交通量信息、當(dāng)前工作狀態(tài)以及信號(hào)配時(shí)方案等各種數(shù)據(jù)[4]，在監(jiān)控中心的LED多媒體顯示屏及中心監(jiān)控終端上顯示信號(hào)機(jī)位置、運(yùn)行狀態(tài)及相關(guān)信息。同時(shí)，監(jiān)控中心的通信服務(wù)器也可以向各路口信號(hào)機(jī)下傳各種控制指令和優(yōu)化的信號(hào)配時(shí)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)分布式智能交通信號(hào)機(jī)狀態(tài)的監(jiān)視和控制。通信服務(wù)器可以由已接入Internet的計(jì)算機(jī)擔(dān)當(dāng)，完成TCP/UDP鏈路建立、維護(hù)、數(shù)據(jù)接收、存儲(chǔ)以及圖像的監(jiān)控等。
路口交通信號(hào)機(jī)為全自動(dòng)智能設(shè)備，可以通過(guò)短信、數(shù)據(jù)有無(wú)檢測(cè)、響鈴、預(yù)設(shè)時(shí)間等多種方式啟動(dòng)GPRS撥號(hào)程序接入Internet，主動(dòng)與監(jiān)控中心的通信服務(wù)器建立TCP或UDP連接，并向通信服務(wù)器傳輸數(shù)據(jù)或圖像，實(shí)現(xiàn)城市交通信號(hào)的數(shù)據(jù)傳輸。
2 智能交通信號(hào)機(jī)的硬件構(gòu)成
具有GPRS功能的智能交通信號(hào)機(jī)主要由ARM微處理器模塊、GRPS無(wú)線通信模塊、存儲(chǔ)模塊、電源晶振模塊、交通信號(hào)機(jī)以及JTAG調(diào)試接口等模塊組成，其結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。
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2.1 ARM微處理器模塊
ARM微處理器模塊是智能交通信號(hào)機(jī)的控制核心，負(fù)責(zé)交通信號(hào)機(jī)的數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)處理數(shù)據(jù)、GPRS通信等工作。根據(jù)智能交通信號(hào)機(jī)低功耗的要求，選用三星公司的S3C44BOX[5]。它是一款基于ARM7TDMI內(nèi)核精簡(jiǎn)指令系統(tǒng)的32位高速處理器，工作在66MHz，支持Thumb(16位)/ARM(32位)雙指令集，能很好地兼容8位/16位器件，具有性?xún)r(jià)比高、功耗低、體積小、可靠性高等特點(diǎn)。S3C44BOX提供了對(duì)兩個(gè)串口Uart0和Uartl的直接支持。在本系統(tǒng)中，一個(gè)串口用于與GR47模塊通信，同時(shí)在調(diào)試應(yīng)用程序時(shí)需要另一個(gè)串口與PC機(jī)相連，以保證程序正常運(yùn)行。
2.2 GPRS無(wú)線通信模塊
GPRS無(wú)線通信模塊是整個(gè)系統(tǒng)的通信基礎(chǔ)，采用Sony-Ericsson公司的可編程無(wú)線通信模塊GR47[6]，它提供RS232口，可以用AT指令進(jìn)行控制。GR47具有GPRS和SMS兩種無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸通道，可以快速、安全、可靠地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸、語(yǔ)音傳輸、短消息服務(wù)，可以工作在900MHz和1800MHz兩個(gè)頻段。在GPRS網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)良好的情況下，優(yōu)先通過(guò)GPRS通信方式將智能交通信號(hào)機(jī)所在位置、交通流以及運(yùn)行狀態(tài)等信息傳輸?shù)奖O(jiān)控中心并接收來(lái)自監(jiān)控中心的指令。與此同時(shí)，GR47不斷輪回檢查GPRS網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，當(dāng)出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)擁塞、GPRS未覆蓋或者中心工作人員誤操作導(dǎo)致TCP/IP" title="TCP/IP">TCP/IP連接斷開(kāi)時(shí)，會(huì)立刻切換到SMS方式直至TCP/IP重新連接上。
2.3 存儲(chǔ)模塊
FLASH存儲(chǔ)器存放系統(tǒng)啟動(dòng)代碼、嵌入式操作系統(tǒng)、文件系統(tǒng)、應(yīng)用程序的代碼或其他在系統(tǒng)掉電后需要保護(hù)的用戶(hù)數(shù)據(jù)等。選用SST公司16位數(shù)據(jù)帶寬的SST39VF160，它具有2MB的存儲(chǔ)容量，工作電壓為2.7V～3.6V，其地址線A0～A20分別與S3C44BOX的地址線ADDR1～ADDR2相連。SDRAM存儲(chǔ)器是系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的主要區(qū)域，系統(tǒng)及用戶(hù)數(shù)據(jù)、堆棧均位于SDRAM存儲(chǔ)器中，其存儲(chǔ)速度大大高于FLASH存儲(chǔ)器，且具有讀/寫(xiě)的屬性。
2.4 電源、晶振模塊
電源電路由3塊DC-DC轉(zhuǎn)換器(9V～5V,5V～3.3V,5V～2.5V)組成，分別給外圍電路、CPU的I/O和S3C44BOX內(nèi)核供電。10MHz晶振為系統(tǒng)提供工作時(shí)鐘，通過(guò)片內(nèi)PLL電路倍頻為66MHz作為微處理器的工作時(shí)鐘。
2.5 交通信號(hào)機(jī)
交通信號(hào)機(jī)是交通控制系統(tǒng)的重要組成部分。它在ARM微處理器S3C44BOX的協(xié)調(diào)下執(zhí)行監(jiān)控中心下傳的控制指令如關(guān)燈、閃光、全紅、手動(dòng)步進(jìn)等，也可以在無(wú)中心控制的條件下進(jìn)行信號(hào)機(jī)單點(diǎn)自主時(shí)段控制。信號(hào)機(jī)運(yùn)行時(shí)可連續(xù)、準(zhǔn)確地采集大量現(xiàn)場(chǎng)交通數(shù)據(jù)，并將現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)地傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，監(jiān)控中心通過(guò)對(duì)交通數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)和處理，不僅可以直接用于交通控制，還可以為交通指揮調(diào)度和城市交通規(guī)劃提供準(zhǔn)確科學(xué)的量化依據(jù)。智能交通信號(hào)機(jī)采用芯片16C550實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的串/并擴(kuò)展，其8根數(shù)據(jù)線D0～D7連接到微處理器S3C44BOX對(duì)應(yīng)的D0～D7，交通信號(hào)機(jī)通過(guò)MAX232標(biāo)準(zhǔn)串口與微處理器實(shí)現(xiàn)雙向高速數(shù)據(jù)交換。
3 軟件實(shí)現(xiàn)
3.1 智能交通信號(hào)機(jī)應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)
智能交通信號(hào)機(jī)應(yīng)用軟件主要由主程序和GR47無(wú)線通信等功能模塊組成。主程序主要完成系統(tǒng)初始化(包括定時(shí)器初始化、串口初始化、端口初始化等)、交通信號(hào)機(jī)數(shù)據(jù)的讀取以及與GR47無(wú)線通信等。GR47無(wú)線通信模塊主要完成通信模塊初始化、分組數(shù)據(jù)協(xié)議PDP(Packet Data Protocol)的上下文激活、TCP/IP建立連接、GPRS數(shù)據(jù)讀取/發(fā)送、SMS讀取/發(fā)送、GRPS網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)檢測(cè)等處理。在應(yīng)用軟件的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，采用C語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言混合編程，選用ARM ADS(ARM Developer Suite)集成開(kāi)發(fā)工具。源程序在PC機(jī)通過(guò)編輯、交叉編譯、交叉鏈接生成ELF格式的目標(biāo)映像后，最后通過(guò)JTAG接口將目標(biāo)映像下載到目標(biāo)開(kāi)發(fā)板上的FLASH中。軟件流程如圖3所示。
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GPRS數(shù)據(jù)傳輸是GR47模塊的核心功能，在通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行TCP/IP連接之前，先要在GR47模塊內(nèi)部建立一個(gè)數(shù)據(jù)帳戶(hù)，指出正確的接入服務(wù)商APN名稱(chēng)。智能交通信號(hào)機(jī)利用固化在FLASH存儲(chǔ)器中的GRPS通信服務(wù)器IP地址訪問(wèn)監(jiān)控中心的通信服務(wù)器，可通過(guò)AT+CGDCONT指令實(shí)現(xiàn)，例如：AT+CGDCONT=1，“IP”，“CMNET”。
3.2 GPRS通信服務(wù)器軟件設(shè)計(jì)
監(jiān)控中心通信服務(wù)器的主要功能在于實(shí)現(xiàn)智能交通信號(hào)機(jī)和監(jiān)控中心(數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器以及監(jiān)控工作站)之間的通信。通信服務(wù)器為監(jiān)控中心提供內(nèi)部以太網(wǎng)的接口并監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的通信狀況，支持TCP/IP協(xié)議和PPP協(xié)議。通信服務(wù)器軟件采用WinSocket編程，主要?jiǎng)?chuàng)建三種Socket類(lèi)，即監(jiān)聽(tīng)Socket(CListenSocket)、數(shù)據(jù)接收與處理Socket類(lèi)(CServerSocket)和局域網(wǎng)內(nèi)通信Socket類(lèi)(CUDPSocket)。CListSocket定時(shí)監(jiān)聽(tīng)相應(yīng)的端口，接收智能交通信號(hào)機(jī)的連接請(qǐng)求，創(chuàng)建一個(gè)Socket線程并完成TCP鏈路的建立與維護(hù)，配合ADO數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)接收、存儲(chǔ)及監(jiān)控等功能，然后把原始套接字放回監(jiān)聽(tīng)狀態(tài)繼續(xù)監(jiān)聽(tīng)。對(duì)于每一個(gè)智能交通信號(hào)機(jī)，都需要有一個(gè)接收線程來(lái)處理數(shù)據(jù)的接收。因此，需要在內(nèi)存中建立一個(gè)動(dòng)態(tài)表，以維護(hù)數(shù)據(jù)接收線程句柄和智能交通信號(hào)機(jī)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。產(chǎn)生的新線程中包含CServerSocket，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)接收、處理和發(fā)送工作。整個(gè)通信服務(wù)器軟件結(jié)構(gòu)如圖4所示。
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通過(guò)在實(shí)驗(yàn)車(chē)輛上安裝該智能交通信號(hào)機(jī)，實(shí)現(xiàn)GPRS網(wǎng)絡(luò)與通信服務(wù)器的實(shí)時(shí)通信與控制，本系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間
2s。本系統(tǒng)采用GPRS無(wú)線接入方式，設(shè)計(jì)了智能交通信號(hào)機(jī)，實(shí)現(xiàn)了城市交通控制數(shù)據(jù)通信，解決了傳統(tǒng)的有線通信方式在網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍、擴(kuò)展性、實(shí)時(shí)性和可靠性等方面的問(wèn)題，降低了運(yùn)營(yíng)成本，會(huì)有廣泛的市場(chǎng)應(yīng)用前景。
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