一種基于RFID的智能交通控制設計

     1  引言

　　為了緩解交通壓力，降低修路資金投入，減少車輛延誤，節(jié)能減排，設計智能交通控制是建設資源節(jié)約型社會的必然選擇。本文設計了一種基于RFID的智能交通控制，采用RFID 技術檢測交叉路口附近的車輛，智能交通控制信號機根據(jù)采集到的車輛信息，選擇合適的路口控制模式自適應地控制車輛通行時間，從而保證車輛通行質量。

　　2  路口控制模式

　　傳統(tǒng)的路口控制模式是定時控制，路*通信號燈的延時時間是固定的，不能根據(jù)車輛的流量自適應地動態(tài)調節(jié)延時時間，從而造成車輛延誤時間長及不必要的擁塞等情況。先進的路口控制模式有模糊控制、綠波帶模式、夜間模式和急停模式。模糊控制模式根據(jù)隨機的車輛流量智能完成模糊增減交通信號控制時間。綠波帶模式在單向車輛高峰期時將各個路口間紅綠燈起始點亮時間延宕一定量來保證車輛一路暢行。夜間控制模式在夜晚車輛流量為零負荷的狀態(tài)使用，僅使用黃燈警示開車司機，減少能源和時間的消耗。急停模式為緊急車輛開辟通行空間，在緊急車輛方向開啟綠燈，別的方向開啟紅燈。本設計提出在不同的時段采用不同的控制模式，在9: 00- 11: 30，14: 30- 17: 30和20: 30- 24: 00時段采用模糊控制模式； 在5: 30- 9: 00，11: 30- 14: 30和17: 30- 20: 30時段采用綠波帶模式； 在0: 00- 5: 30時段采用夜間控制模式； 在檢測到緊急車輛時采用急?？刂颇Ｊ?。選擇多種控制模式可以實現(xiàn)交通控制的合理化，從實際上緩解交通路口的壓力。具體的時段設置可以根據(jù)具體的區(qū)域或車輛流量由信號機重設或修改。

　　3  智能交通控制設計

　　3. 1  智能交通控制信號機設

　　3 .1 .1  信號機硬件設計：

　　國內信號機主要分為2類: 一類采用8 /16位單片機作為處理器，功能簡單、方案單一，難以實現(xiàn)區(qū)域交通協(xié)調控制，不能適應現(xiàn)代化交通控制的要求； 另一類是基于工控機或PC104，功能雖然強大，但由于工控機和PC104都是按通用計算機標準設計，并非專門針對信號機應用設計，硬件結構復雜，成本高。國外的信號機(如西門子公司的2070和美國的EAGLE )起步早，水平高，但不適用于中國混合交通模式，且價格昂貴,操作不方便。本文選擇基于ARM 核的32位嵌入式R ISC 處理器S3C44B0X進行智能交通信號機硬件設計，以達到采集與處理交通流數(shù)據(jù)、通信聯(lián)網以及區(qū)域協(xié)調控制的設計目的，信號機硬件結構如圖1所示。

圖1  信號機硬件結構

　　信號機需要存放引導程序、操作系統(tǒng)和應用程序等數(shù)據(jù)，系統(tǒng)啟動后操作系統(tǒng)和程序運行需要更大的空間，因此設計外存儲單元以擴展存儲空間，存儲器模塊包括8MB的SDRAM、2MB的NorFlash和16MB的N andFlash。存儲器用來存儲時段、相位等其他參數(shù)。信號機要采集車輛流量信息，車輛流量檢測模塊由射頻標簽、天線和射頻讀寫器組成。設計中射頻標簽為TG200，射頻讀寫器為FR200。S3C44B0x沒有集成網絡控制器，故選用NE2000兼容的以太網控制器芯片RTL8019來擴展以太網。液晶顯示與鍵盤模塊用來手動設置或者修改交通信號機的控制參數(shù)。通過ZLG7290B擴展一個4 4的鍵盤矩陣，ZLG7290B 通過IIC串行總線與處理器進行連接； S3C44B0X內置LCD驅動控制器，能夠自動產生LCD 驅動控制所需的控制信號，因此S3C44B0X可以與LCD直接連接，而不需要另外加LCD控制器。系統(tǒng)還設計了電源模塊、RTC (實時時鐘)模塊等。設計的信號機具有控制參數(shù)輸入、保存、控制狀態(tài)輸出、燈態(tài)輸出控制、交通參數(shù)實時檢測與存儲、配時方案存儲、倒計時牌控制、以太網及與手持終端通訊等功能。

　　3 .1 .2  信號機軟件設計

　　信號機利用中斷方式接收交通參數(shù)和發(fā)布控制指令?，F(xiàn)代智能信號機需要同時執(zhí)行信號燈色狀態(tài)、相位與倒計時控制、配時優(yōu)化、通訊和車流量檢測等多個任務。為了解決多任務同時運行所帶來的程序結構混亂、功能受限、效率低下等問題，引入嵌入式操作系統(tǒng)uC linux 以支持多種文件系統(tǒng)、模塊化設計和基于計算機網絡的通信。uC linux內核可以完成進程管理、內存管理、文件系統(tǒng)、設備控制和網絡實現(xiàn)等功能，內核采用模塊化設計，許多功能塊可以獨立地增加或刪除，當重新編譯內核時，選擇嵌入式設備所需要的功能模塊，刪除冗余的功能模塊。通過重新配置內核，可以減小系統(tǒng)運行所需要的內核，縮減資源使用量，從而顯著減少系統(tǒng)運行所需的硬件資源。

　　信號機軟件由系統(tǒng)監(jiān)控、車流量采集、路口控制模式選擇、配時、鍵盤掃描與液晶顯示模塊構成?；趗C linux的信號機軟件結構如圖2所示。

圖2  信號機軟件結構

　　3 .2  基于RFID技術的車輛檢測

　　3 .2 .1基于RFID 的車輛檢測方案

　　射頻識別( Radio Frequency Ident ification) 技術是一種非接觸的自動識別技術，它利用射頻信號和空間耦合(電感和電磁耦合)傳輸特性，在讀卡器和射頻卡之間進行無線雙向通信，實現(xiàn)對被識別物體的自動識別[ 8] 。最基本的RF ID系統(tǒng)由讀寫器、天線、電子標簽三部分組成。RFID 采用存儲在電子標簽中的唯一的ID標識物體，讀寫器自動高速地收集識別范圍內的標簽信息數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)自動識別物品和收集物品標志信息的功能。因此，RFID技術對任何移動對象都可以進行實時的定位、跟蹤和監(jiān)測。

　　在智能交通控制過程中，信號機要根據(jù)實時采集的車輛信息來選擇路口控制模式，本設計基于RF ID 技術進行車輛檢測。這種方案無須對現(xiàn)有紅綠燈設備進行拆卸，只需對車輛粘貼相應的電子標簽，在原有紅綠燈基礎上安裝RFID 讀寫設備及調整信號燈控制器軟件。在車輛前擋風玻璃上粘貼RFID 標簽，在交叉路口四個方向的紅綠燈前50米- 70米安裝RFID 讀寫器，讀寫器斜對馬路(擴大接收范圍) ，檢測交叉路口附近的車輛流量，根據(jù)采集的車輛數(shù)據(jù)，選擇合適的控制模式并調節(jié)信號燈。當某個相位的車輛流量比其他相位大且該相位綠燈亮時，則適當?shù)匮娱L該相位的綠燈周期(綠燈周期不超過最大綠燈周期) ，保證車輛有充裕的時間通過路口； 如果該相位紅燈亮，則適當?shù)乜s短紅燈周期(紅燈周期不小于最小紅燈周期) ，減少車輛等候時間，盡可能減少車輛在交叉口的延誤的時間。

　　由于城市道路情況復雜，很容易對標簽卡的微波信號進行反射衍射，為防止同一RFID 卡號被多個讀卡器讀取到，從而導致車輛檢測錯誤，通過軟件進行設定，一旦讀到RFID 卡信號，則后續(xù)讀卡器在規(guī)定時間內(如30秒)對此RFID卡號進行屏蔽，這樣可以避免同一ID 號被一條馬路上兩臺讀卡器讀到后對信息的誤判。

　　將每輛車的RFID 卡的ID號作為關鍵字段建立數(shù)據(jù)庫。將車輛的ID 號與車牌號關聯(lián)可以建立車輛有關參數(shù)數(shù)據(jù)庫，主要包括車型、發(fā)動機號、底盤號、出廠日期、年審時限、養(yǎng)路費交納時限以及違章記錄等； 通過車牌號與車主的對應關系，可以建立車主有關信息數(shù)據(jù)庫，主要包括姓名、年齡、性別、單位、戶籍以及聯(lián)系電話(包括固定電話和移動電話)等。在確立了基本參數(shù)庫后，針對車輛的一些運行情況，還設置了一些記錄車輛違章時間及地點等參數(shù)的字段； 在數(shù)據(jù)庫中還建立一些圖形文件庫，可以記錄車輛照片、車主照片以及車輛違章照片。數(shù)據(jù)庫中還建立車輛的優(yōu)先權限，公交車輛設置為普通優(yōu)先，特殊車輛(如消防車，急救車，警車)設置為絕對優(yōu)先。一旦檢測到特殊車輛的標簽信號，則采用急?？刂颇Ｊ?，絕對綠燈，保證特殊車輛順暢通行。

　　3 .2 .2  基于RFID 的車輛檢測實現(xiàn)

　　本設計采用有源標簽TG200來標識車輛，F(xiàn)R200多功能RFID 讀寫器來讀取RFID 卡信息，TG200 和FR200的工作頻率為433MH z，最大識別距離為150米，通信速率為250Kbps，具有投入成本低、可靠性高，安全性高、維護簡便、安裝實施簡單等優(yōu)點。RFID 讀寫器通過RS232接口與S3C44B0x 處理器連接，處理器負責完成PC 和FR200讀寫器之間數(shù)據(jù)的傳送和控制。

　　RFID 數(shù)據(jù)采集模塊包括: 天線、RF發(fā)送電路及RF接收電路、解調電路、電源、外部通信接口等，其外部通信接口最終輸出正確的RFID 卡ID 信息。RFID 數(shù)據(jù)采集與處理流程圖如圖3 所示。車輛檔案數(shù)據(jù)(如車號、單位、優(yōu)先權限等)統(tǒng)一存儲在一個file  tx t的文件中，作為數(shù)據(jù)識別進程的數(shù)據(jù)依據(jù)，判斷電子標簽ID信息是否合法。如果判斷電子標簽ID 信息為NULL，則進行報警提示等處理； 如果判斷電子標簽ID 信息為特殊車輛數(shù)據(jù)，則進行優(yōu)先控制、數(shù)據(jù)保存等。RFID 信息、采集時間、地點等數(shù)據(jù)按格式保存在一個*  tx t文件中。最后，服務器通過以太網與路口控制終端設備建立TCP / IP連接，路口控制終端設備將保存的文件上傳至服務器供管理系統(tǒng)處理。上傳成功的文件將從本地F lash中刪除，本地Flash由于容量有限，采用輪循存儲的辦法，保存的數(shù)據(jù)超出50MB 后，將從存儲范圍的開始處往后覆蓋原來的文件。

圖3  RFID數(shù)據(jù)采集與處理流程圖

　　4  結束語

　　本文提出了一種基于RFID 的智能交通控制設計，在不同的時段采用不同的路口控制模式，基于S3C44B0X處理器和uC linux操作系統(tǒng)開發(fā)智能交通控制信號機，采用有源標簽TG200來標識車輛，在原有紅綠燈基礎上安裝FR200多功能RFID讀寫器來讀取RFID卡信息，由路口控制終端對RFID讀寫器采集到的RFID數(shù)據(jù)進行處理來實現(xiàn)車輛智能控制功能。