0. 引言
日常生活中經(jīng)常可以看見某些特殊用途的車輛，這些車輛通過交叉路口時，往往是通過交警臨時操作交通信號控制機改變信號燈的顏色或是通過相關人員直接上路指揮等方式以獲得在交叉路口的優(yōu)先通行權。這樣的做法實時性和安全性都不是很好。射頻識別是一種非接觸式的自動識別技術，它通過射頻信號自動識別目標對象并獲取相關數(shù)據(jù)，在無須人工干預的前提下工作，并可識別高速運動物體且操作快捷方便，同時可工作于各種惡劣環(huán)境。本系統(tǒng)可以針對特種車輛發(fā)出的申請，對其進行有效地識別，通過位于路口的交通信號控制機或遠程監(jiān)控中心的控制，決定其是否獲得路口的優(yōu)先通行權。監(jiān)控中心也可以根據(jù)車輛反饋的信息獲得特定路口及其周邊一定范圍內(nèi)的道路交通通行狀況，從而為道路交通的區(qū)域協(xié)調(diào)控制和決策提供有力依據(jù)。
1. 系統(tǒng)設計要求及總體設計
圖1 系統(tǒng)示意圖
本系統(tǒng)的硬件平臺主體主要包括射頻識別(RFID)電子標簽模塊和射頻識別讀卡器模塊兩部分。電子標簽模塊安裝于車輛上，一般位于方便駕駛員操作的適當位置?？紤]到性價比和開發(fā)周期的因素，電子標簽部分的微控制器采用美國ATMEL公司的基于51核的單片機AT89C51[1]。RFID標簽按供電方式可以分為有源和無源兩種，有源是指標簽內(nèi)有電池提供電源，其作用距離較遠，但壽命有限、體積較大、成本高，且不適合在惡劣環(huán)境下工作;無源標簽內(nèi)無電池，利用波束供電技術將接收到的射頻能量轉(zhuǎn)化為直流電源為卡內(nèi)電路供電，其作用距離相對有源卡短，但壽命長且對工作環(huán)境要求不高[2]?？紤]到標簽的工作環(huán)境為車內(nèi)，且為了提高信號質(zhì)量和作用距離，本系統(tǒng)的電子標簽模塊采用有源標簽。電子標簽模塊由車載電源供電。讀卡器模塊位于路口，采用韓國SAMSUNG公司的基于ARM7TDMI-S核的32位微處理器S3C44B0X，將識別的信息通過RS-485總線傳給位于路口的交通信號控制機，或是通過網(wǎng)口將信息直接傳給監(jiān)控中心的上位計算機，再由交通信號控制機或監(jiān)控中心決定是否改變信號燈的狀態(tài)。每一個十字路口安裝四臺讀卡器，均位于道路右側，為了防止出現(xiàn)讀卡器誤讀，將四臺讀卡器放置于彼此距離較遠的安全位置上。
2. 硬件設計
圖2 電子標簽結構框圖
電子標簽采用nrf2401+AT89C51架構。nrf2401是NORDIC semiconductor的RFID芯片，采用全球開放的2.4GHz頻段，有125個頻道，可滿足多頻及跳頻需要，具有較高的數(shù)據(jù)吞吐量，速率可達1Mbps，外圍元件較少，只需一個晶振和一個電阻即可設計射頻電路，發(fā)射功率和工作頻率等所有工作參數(shù)可全部通過軟件設置，電源電壓范圍為1.9V～3.6V，功耗很低，電流消耗很小，-5dBm輸出功率時典型峰值電流為10.5mA，芯片內(nèi)部設置有專門的穩(wěn)壓電路，因此，使用任何電源(包括DC/DC開關電源)均有良好的通信效果，每個芯片均可以通過軟件設置最多40bit地址，而且只有收到本機地址時才會輸出數(shù)據(jù)，內(nèi)置CRC糾檢錯硬件電路和協(xié)議。AT89C51是一種低功耗高性能的8位單片機，片內(nèi)帶有一個4K字節(jié)的Flash可編擦除只讀存儲器，它采用了CMOS工蟻和高密度非易失性存儲器技術，其中央處理器由ALU，專用寄存器組，定時控制部件等組成，具有較強的調(diào)用、跳轉(zhuǎn)、判斷、豐富的數(shù)據(jù)傳輸功能，以及提供存放中間結果、常用參數(shù)寄存器等功能。電子標簽安裝于車輛上，操作面板由5個按鍵組成，分別是開關，復位，左轉(zhuǎn)請求，右轉(zhuǎn)請求和直行請求。其中請求鍵采用中斷方式，用于在車輛接近路口需要優(yōu)先通過時向讀卡器發(fā)送優(yōu)先通行請求。標簽中還存儲有關于該車輛的信息數(shù)據(jù)，如車種，車牌，型號和用途等。
圖3 讀卡器系統(tǒng)框圖
讀卡器系統(tǒng)仍然采用nrf2401作為接收節(jié)點。讀卡器部分主要實現(xiàn)信息識別和通信功能。采用SAMSUNG公司的基于ARM7TDMI-S核的高性能32位微處理器S3C44B0X[3]。它的工作電壓僅為2.5V，大大降低了芯片的功耗，可以外擴SDRAM，F(xiàn)LASH，內(nèi)置的LCD控制器最大可以支持256色STN的LCD[4]，71個通用I/O，包括8個外部中斷源。本系統(tǒng)中擴展了10Mbps以太網(wǎng)接口芯片Realtek公司的RTL8019，該芯片具有16位數(shù)據(jù)線接口和20位的地址線接口，可以在發(fā)送的物理幀上自動添加幀頭，幀起始定界符和校驗和。讀卡器將接收到的信息通過RS-485總線傳輸?shù)浆F(xiàn)場的交通信號控制機上，直接改變交通燈狀態(tài)，如果路口中有相同或更高的申請級別，則將請求信息通過網(wǎng)口送到監(jiān)控中心仲裁，然后由監(jiān)控中心直接向信號機發(fā)送指令[5]。
3. 軟件設計
為了實現(xiàn)TCP/IP通信，同時使系統(tǒng)盡可能地輕量和簡潔，本系統(tǒng)通過在uC/OS-II操作系統(tǒng)上移植LwIP協(xié)議棧加以實現(xiàn)。lwIP是瑞士計算機科學院的一個開源的TCP/IP協(xié)議棧實現(xiàn)，它是一套專門為嵌入式系統(tǒng)設計的源碼開放的輕型協(xié)議棧。LwIP在保持TCP/IP協(xié)議基本要求的前提下，通過層與層之間共享內(nèi)存，避免了許多繁瑣的復制處理，這樣做大幅度地節(jié)省了代碼和數(shù)據(jù)存儲空間，因此非常適合嵌入式應用。與其他輕型協(xié)議棧不同的是，LwIP不僅支持一般的網(wǎng)絡協(xié)議，比如UDP協(xié)議、DHCP協(xié)議、PPP協(xié)議等，而且還支持多網(wǎng)絡接口、IPv6和標準API。
3.1 LwIP在uC/OS-II上的移植
針對uC/OS-II[6]和ARM的ADS編譯器，LwIP的移植只需要編寫arch文件夾下的3個文件——cc.h、sys_arch.h和sys_arch.c。其中cc.h中有與CPU和編譯器有關的定義，包括數(shù)據(jù)結構和大小端存儲方式等。為了增強移植性，LwIP專門把和操作系統(tǒng)有關的數(shù)據(jù)結構和函數(shù)放在一起組成操作系統(tǒng)封裝層，為諸如定時、進程同步和消息傳遞等操作系統(tǒng)服務提供統(tǒng)一的接口，移植時需針對不同的操作系統(tǒng)來實現(xiàn)特定的操作系統(tǒng)封裝層，這些是由sys_arch.h和sys_arch.c實現(xiàn)的。其中sys_arch.h主要定義與操作系統(tǒng)相關的數(shù)據(jù)結構——信號量、郵箱和進程號，這些在uC/OS-II中都有對應的實體，LwIP中的郵箱對應于uC/OS-II中的消息隊列。sys_arch.c中要實現(xiàn)和操作系統(tǒng)有關函數(shù)的定義，包括系統(tǒng)的初始化以及信號和郵箱的操作——創(chuàng)建、刪除、投遞和等待，這些功能需要用uC/OS-II中相應的函數(shù)進行重新封裝。另外，TCP/IP協(xié)議棧中需要許多定時器的功能，在LwIP中是用sys_timeout結構體隊列和相應的函數(shù)實現(xiàn)的。每個sys_timeout結構體包括本線程的timeout時間長度，以及超時后的回調(diào)處理函數(shù)sys_arch.c中sys_arch_timeouts()函數(shù)的功能就是返回當前進程所對應的sys_timeout結構體隊列的頭指針。本系統(tǒng)用的方法是在系統(tǒng)初始化的時候根據(jù)最大的LwIP進程數(shù)創(chuàng)建一個sys_timeout結構體指針的數(shù)組，以后每創(chuàng)建一個LwIP進程其優(yōu)先級都從一個連續(xù)的已知區(qū)間進行分配，sys_arch_timeouts()函數(shù)通過調(diào)用OSTaskQuery()函數(shù)獲得進程的優(yōu)先級進而獲得對應的sys_timeout結構體隊列的頭指針。
3.2 RTL8019驅(qū)動程序的編寫
RTL8019驅(qū)動程序做的工作主要是8019的初始化、發(fā)送和接收以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包。初始化函數(shù)rtl8019_init()是在添加以太網(wǎng)絡接口時由netif_add()函數(shù)調(diào)用，調(diào)用過程中首先初始化此接口對應的全局網(wǎng)絡接口結構體，然后設置8019的各功能寄存器。初始化完8019之后調(diào)用arp_init()函數(shù)啟動ARP功能，然后用sys_timeout()函數(shù)啟動ARP緩沖列表生命周期的定時器。數(shù)據(jù)包的發(fā)送首先從ARP緩沖隊列中查找目的MAC地址，然后構造以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀的頭部，最后調(diào)用底層的發(fā)送函數(shù)low_level_output()將數(shù)據(jù)幀發(fā)送出去。如果找不到對應的IP/MAC項，發(fā)送ARP請求數(shù)據(jù)幀。數(shù)據(jù)包的接收由中斷[7]處理函數(shù)rtl8019_ISR()調(diào)用，它的執(zhí)行過程是先調(diào)用最底層的接收函數(shù)low_level_input()從8019中接收數(shù)據(jù)幀，如果接收的是IP數(shù)據(jù)包，則更新ARP緩沖隊列并把數(shù)據(jù)包傳給網(wǎng)絡接口結構指定的函數(shù)進行處理。如果接收的是ARP數(shù)據(jù)包，則調(diào)用etharp_arp_input()函數(shù)處理。最底層的接收發(fā)送函數(shù)采用的都是8019的遠程DMA工作方式以提高性能[8]。
3.3 軟件框圖
圖4 讀卡器系統(tǒng)軟件框圖
信號機的響應級由監(jiān)控中心的上位機設定，信號機可以在事先獲得授權的情況下自主改變燈色，如果事先未獲授權，或是同時收到多個不同標簽的請求，則信息必須送到監(jiān)控中心處理，由監(jiān)控中心的上位機判定優(yōu)先級后發(fā)指令控制信號機的動作。監(jiān)控中心還可以隨時獲得特定車輛的位置以及所在區(qū)域的路況等信息，通過合理改變區(qū)域內(nèi)信號機的綠信比，達到區(qū)域協(xié)調(diào)控制的目的。
4. 實驗結果
監(jiān)控中心的上位機軟件由Mircosoft Visual C++.NET 2003開發(fā)。
該系統(tǒng)應用于某市政務區(qū)的繁華大道與錦繡大道的交口。由于事先設定由監(jiān)控中心控制，所以當標簽發(fā)送通行請求時，讀卡器將向監(jiān)控中心發(fā)送請求，監(jiān)控中心的上位機彈出圖5所示的對話框，該對話框顯示了車輛所在的路口，車號，車型，車種，請求通行的類型以及請求時間等相關信息，由監(jiān)控中心決定是否處理其請求，監(jiān)控中心操作人員可以點擊“忽略”以不響應該車輛本次的申請。
圖6 上位機軟件控制界面
在圖5對話框中點擊“同意受控”后，將會出現(xiàn)圖6所示的設置窗口，左上角的為科學城區(qū)域內(nèi)的主要道路列表，左下角顯示了與道路相應的各交口信號機的當前狀態(tài)，未聯(lián)機的信號機不顯示。右上角為當前發(fā)送申請的車輛所在的繁華大道與錦繡大道交口的示意圖，通過右下角的列表設定當前路口信號機的執(zhí)行方案。當前的執(zhí)行方案如列表中所示，該路口信號機當前執(zhí)行四個相位的方案，每個相位的燈組號如圖示。當前執(zhí)行的為1號時段方案，對應到本信號機，1號方案表明將一天分為7：00～21：00，22：00～6：00兩個時段，每個時段的相位配時不同。后面的時間即為當前時段每個相位的時間長度。通過改變時間長度可以設定放行的時間。
5. 總結
本系統(tǒng)應用于實際的路口，使得特種車輛的通行更加迅速便捷，同時極大降低了人力消耗。作為智能交通系統(tǒng)的一部分，本系統(tǒng)對實現(xiàn)區(qū)域協(xié)調(diào)控制也具有一定的現(xiàn)實意義。
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