基于嵌入式的智能交通燈控制系統(tǒng)的設計與實現(xiàn) - 全文

汽車數量越來越多，道路壓力越來越大，城市道路交錯分布，交通燈是城市交通的重要指揮系統(tǒng)。交通信號燈作為管制交通流量、提高道路通行能力的有效手段，對減少交通事故有明顯效果。本文基于ARM 智能交通燈控制系統(tǒng)的設計，為智能交通的研究提供了理論參考。

1、系統(tǒng)總體結構

如圖1所示，交通燈布置為東、南、西、北四個方向，每個方向交通燈上再配備對應的攝像頭，攝像頭的功能用于探測所屬方向車輛通行情況（車輛等待隊列，車輛通行量）。ARM處理器中的9號、10號功能，9號用于處理圖像反饋信息，10號用于處理9號反饋信息對信息中的車輛排隊情況作交通燈的智能控制，除此之外10號控制器ARM還與通訊監(jiān)控中心保持通信。

圖1 系統(tǒng)總體結構圖

如圖2所示，攝像頭拍對面駛來的車輛，攝像區(qū)域對著車輛車道的中心，微微往下偏斜，其拍攝的情景要包含車輛的停止線，遠景涉及的區(qū)域要覆蓋面廣。攝像頭在安裝時一定要穩(wěn)，防止抖動帶來的負面不確定性，當道路車流量多時應該根據實際情況加大攝像頭的量。交通燈的安裝位置應該與實際路口情況因地制宜。

圖2 ?系統(tǒng)安裝位置示意圖

2、系統(tǒng)硬件組成

系統(tǒng)硬件包括以下幾個主要模塊：

2.1、ARM嵌入式處理器模塊

ARM（AdvancedRISCMachines）的英文名稱有多種解釋，一類解釋是一個公司名稱的縮寫，一類解釋是這類微處理器模塊的通用代號，還有一類解釋是一種技術名稱的統(tǒng)稱。ARM處理器的特點主要歸納總結為三個方面：（1）電量損耗低功能豐富；（2）具有16位與32位的雙指令集；（3）其研發(fā)與多家廠商合作，兼容性較好。隨著技術的日新月異，ARM的發(fā)展延續(xù)了眾多體系，體系不同其特征也存在較大差別，但如果體系一致雖擁有眾多處理器內核但大體是相同的。

ARM發(fā)展經歷了眾多階段，從起初的發(fā)展階段，即ARMV1到ARMV3階段，到后來的ARMV4到ARMV7階段，ARM的應用正逐步趨于成熟。ARMV4的體系代表有3種，分別是ARM7、ARM9以及StrongARM。ARMV5的體系代表有4種：ARM10、Xscale、DSP指令集及JAVA。ARMV6的體系代表有4種：ARM11、定點DSP功能、性能提高8倍的JAVA和音視頻性能優(yōu)化4倍的Media。ARMV7的體系代表有A系列、M系列與R系列，A系列是根據用戶需求不同提供全方位智能控制操作平臺的單片機，R系列是實時系統(tǒng)控制單片機，M系列是低端控制型單片機。

本文的控制系統(tǒng)在研發(fā)階段是基于S3C2410處理器，該處理器由Samsung公司生產，處理器的設計理念源于ARM9，其基本功能框架結構都是基于ARM9。從其系統(tǒng)的硬件原理圖可以得出，整套系統(tǒng)需用到雙ARM處理器，其處理器主頻可達266M，一個處理器用于處理圖像，另一個處理器用于實現(xiàn)控制，兩個處理器之間可以通過多種方式進行相互聯(lián)系。

.SPI方式

SPI總線方式是摩托羅拉公司推出的，實現(xiàn)了同步三線方式接口通信，該三線分別掌握不同的輸入輸出功能，其中包含時鐘傳輸線（SCK），數據流輸入線（MOSI），數據流輸出線（MISO）；這些傳輸線是CPU與各種外圍設備溝通的橋梁。SPI在其應用過程中主要有如下特點：（1）同步發(fā)射與接收串行數據；（2）可通過頻率來對時鐘進行程序編制；（3）可用于主機或者工作機使用；（4）擁有中斷結束標志；（5）擁有矛盾沖突保護功能；（6）具備總線競爭保護功能。

.IZC方式

是一個多主機的總線，具備多主機系統(tǒng)所需的包括總線裁決和高低速器件同步功能的高性能串行總線。

IZC總線利用兩根雙向信號線，數據線SDA和時鐘線SCL在連接到總線的器件間通信。每個I2C總線器件都有唯一的地址識別。

.DART串口方式

串口通信技術概念通俗易懂，其串口發(fā)送與接收字節(jié)是按位進行。盡管串口通信按字節(jié)進行并行發(fā)送速度較慢，但其串口可以實現(xiàn)在同一根線進行輸入、輸出數據的傳輸，串口通信接口的輸入輸出數據的傳輸使用方便，其串口都有統(tǒng)一的標準協(xié)議。串口在應用過程中，串口實際就是對應的物理變量地址，對串口進行操作就是對物理地址進行操作，因此串口方式的通信編程方式較為簡單。本文所需的兩個平臺都有對應的串口集成，為了便于連接，這里選用的通信方式就是串行接口通信。

在該部分內容中，除處理器外還包含一些存儲設備，而本文主要闡述了智能交通燈的主要控制原理，因此在這里就具體展開介紹了。

2.2、攝像頭模塊

攝像頭根據感光元器件的差異，可分為兩類：CCD與CMOS，兩者在其應用過程中根據自身特點各有利弊。通常認為CMOS在應用過程中功耗比較低，而CCD則成像效果較好。因此，交通監(jiān)控的攝像裝置通常采用CCD攝像頭。目前，隨著互聯(lián)網時代的發(fā)展，市面上攝像裝置多數都自帶WIFI功能，這對交通網絡的監(jiān)控系統(tǒng)提供了一個研發(fā)方向，在實際應用中自帶WIFI功能的攝像頭避免了布線的繁瑣，極大地提高了應用效率。

2.3、無線模塊

系統(tǒng)在設計及應用過程中，為了避免突發(fā)情況的發(fā)生，都應設置故障報警功能。在交通系統(tǒng)中，路口交通裝置發(fā)生故障，同時工作人員無法知曉的情況下，其交通就會陷入混亂，輕則交通堵塞重則釀成交通事故，因此報警系統(tǒng)不僅有而且需具備時效性。在實際系統(tǒng)管理工作中，管理人員通常處于遠離實際交通信號源的監(jiān)控室內，而為了能實時監(jiān)控路口交通燈情況，這里就要用到一些無線傳輸方式。表1就是應用較多的幾種無線傳輸方式。

表1 ?常用無線傳輸方式對比

從表1中可以看出，一些無線傳輸方式的傳輸距離較短，如藍牙、Wifi和Zigbee。本文所需的無線傳輸需要大距離大范圍的傳輸方式，如3G網絡和GPRS。

3G網絡，傳輸量大、速度快，信號有時不穩(wěn)定；GPRS傳輸范圍廣、成本低且信號穩(wěn)定，號稱“永遠在線，永遠連通”的技術。智能交通燈的遠程信號傳輸對速度要求沒有那么高，再綜合性價比考慮，這里選用GPRS的無線傳輸方式進行故障報警。

2.4、電源模塊

電源是整個系統(tǒng)的動力源，對于整個系統(tǒng)運行過程處于至關重要的作用，系統(tǒng)中不同模塊對供電需求也各不相同。交通燈電壓在12-24V，攝像頭電壓在12V，核心模塊電路板S3C2410標準電壓在3.3V。因此，電源模塊設計需根據系統(tǒng)整理電量要求進行總體設計。

本文設計的系統(tǒng)，其電源模塊還特別加了應急電源部分，通過應急電源電池可在系統(tǒng)發(fā)生斷電時給監(jiān)控中心發(fā)出報警。

3、系統(tǒng)軟件組成

系統(tǒng)軟件組成分為四個主要模塊：

3.1、操作系統(tǒng)--Linux

Linux是屬于源代碼操作系統(tǒng)，不存在黑箱技術；特點是內核小，運行、更新快；具有穩(wěn)定性好、移植能力強、網絡功能強大、兼容性好等特點。它是免費的IOS，在市場極具競爭性。這里選用的操作系統(tǒng)就是Linux系統(tǒng)。

3.2、路口車輛等待情況監(jiān)測模塊

該模塊是通過分析攝像頭的圖片來反饋路口車輛的通行狀態(tài)，根據圖片中反映出的車輛路口等待情況，并利用智能控制模塊來實現(xiàn)交通路口交通燈的智能控制。

3.3、智能交通燈的控制模塊

該模塊主要是根據路口交通燈車輛通行狀況的圖片來獲取路口各方向車輛的等待情況，并根據具體獲取的信息來選擇交通燈的延遲方案，并將最終方案反饋給路口車輛等待情況監(jiān)測模塊。

3.4、緊急故障報警處理模塊

該模塊主要功能是檢測反饋系統(tǒng)故障，系統(tǒng)在工作過程中一旦出現(xiàn)問題，該模塊會通過GPRS定位到故障源并及時將故障信息反饋到實時監(jiān)控中心，監(jiān)控中心得到信息后會立即通知相關管理人員作相應處理。如果在系統(tǒng)運行過程中，電源出現(xiàn)突然斷電的情況，則緊急應急電源會立刻啟動進行臨時性供電，以完成系統(tǒng)故障報警。