基于RFID的智能信號(hào)燈解決方案

2  系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 信號(hào)機(jī)主控端模塊

主控制機(jī)采用處理器AT91RM9200，它是基于ARM的ARM920T內(nèi)核，集成了豐富的外圍功能模塊，非常適合于實(shí)時(shí)控制，且支持實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，運(yùn)算速度高。

信號(hào)機(jī)采用12/5V電源供電，AT91RM9200工作于3.3V和2.5V，系統(tǒng)內(nèi)其它器件選擇工作電壓為3.3V和5V。

信號(hào)機(jī)在系統(tǒng)內(nèi)部通訊和區(qū)域協(xié)調(diào)控制中需要時(shí)間同步，因此設(shè)計(jì)RTC（實(shí)時(shí)時(shí)鐘）用來(lái)對(duì)時(shí)。AT91RM9200內(nèi)部集成RTC單元，只需要外接晶振就能工作，十分方便。

信號(hào)機(jī)主控端需要存放引導(dǎo)程序、嵌入式操作系統(tǒng)及其文件系統(tǒng)和應(yīng)用程序，還有其它在運(yùn)行過(guò)程中需要保存的數(shù)據(jù)，所以要通過(guò)外存儲(chǔ)單元來(lái)擴(kuò)展存儲(chǔ)空間，包括SDRAM、NorFlash和NandFlash。NorFlash主要用于存放引導(dǎo)程序Bootloader和操作系統(tǒng)linux內(nèi)核鏡像，系統(tǒng)上電或復(fù)位后從FlashROM中運(yùn)行Bootloader，由Bootloader初始化硬件并將linux拷貝到SDRAM中運(yùn)行。

NandFlash主要用于存放應(yīng)用程序和數(shù)據(jù)。

為方便人機(jī)界面的操作，AT91RM9200內(nèi)置LCD（液晶顯示器）驅(qū)動(dòng)控制器，能自動(dòng)產(chǎn)生LCD驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)，可以與LCD直接連接。鍵盤(pán)模塊通過(guò)ZLG7290B擴(kuò)展一個(gè)4×4的鍵盤(pán)矩陣，ZLG7290B通過(guò)IIC串行總線與處理器進(jìn)行連接。

考慮到信號(hào)機(jī)的體積，也為了方便設(shè)備的升級(jí)、擴(kuò)展，從信號(hào)機(jī)控制板引出數(shù)據(jù)總線、地址總線和必要的控制信號(hào)，設(shè)計(jì)統(tǒng)一的系統(tǒng)總線，通過(guò)總線來(lái)調(diào)度控制各個(gè)功能板塊，如車(chē)流信息采集板塊、信號(hào)燈控制器板塊、紅外線接收板塊、故障檢測(cè)板塊等。這些板塊與相應(yīng)的功能模塊一一對(duì)應(yīng)，以插槽接口與信號(hào)機(jī)控制板相連。

2.2 車(chē)流量信息采集模塊

射頻識(shí)別，即RFID（Radio Frequency IDentification ），俗稱(chēng)電子標(biāo)簽，它是一種非接觸式的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，通過(guò)射頻信號(hào)自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)對(duì)象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，工作過(guò)程無(wú)需人工干預(yù)，可應(yīng)用于各種惡劣環(huán)境。一套R(shí)FID設(shè)備包括射頻標(biāo)簽，天線和讀寫(xiě)器三個(gè)部分。天線和讀寫(xiě)器安置在路邊，當(dāng)帶有射頻標(biāo)簽的車(chē)輛通過(guò)該路段時(shí)，讀寫(xiě)器會(huì)通過(guò)天線接收返回載有RFID信息的射頻調(diào)制信號(hào)，經(jīng)處理后傳給信號(hào)機(jī)主控端，完成路況數(shù)據(jù)的信息采集。有關(guān)數(shù)據(jù)也經(jīng)由本地信號(hào)機(jī)向上位機(jī)－－地區(qū)信號(hào)燈系統(tǒng)控制端發(fā)送。車(chē)流信息在信號(hào)機(jī)主控端內(nèi)經(jīng)過(guò)建模計(jì)算，可以獲得當(dāng)前信號(hào)燈所需的周期時(shí)間。

2.3 緊急干預(yù)模塊

在系統(tǒng)中加載遙控電路，以支持用紅外遙控器作緊急干預(yù)。采用8通道紅外發(fā)射/接收專(zhuān)用集成電路BA5104/BA5204，它能發(fā)射6個(gè)持續(xù)信號(hào)2個(gè)單次信號(hào)，串行口接入方便，且價(jià)格低，穩(wěn)定性強(qiáng)。紅外接收端與信號(hào)機(jī)控制板總線相連，可以將遙控器按鍵信號(hào)傳遞至信號(hào)機(jī)主控端進(jìn)行中斷處理，且優(yōu)先級(jí)最高。

2.4 故障檢測(cè)模塊

交通信號(hào)燈工作環(huán)境較為復(fù)雜，可能存在各種難以預(yù)測(cè)的電源、電磁干擾及信號(hào)機(jī)自身的隨機(jī)性障礙。為了保證系統(tǒng)的可靠運(yùn)行，除了采用軟件對(duì)策外，專(zhuān)門(mén)引入了硬件看門(mén)狗復(fù)位電路MAX708CPA ,該器件具有μP復(fù)位、掉電監(jiān)測(cè)、手動(dòng)復(fù)位等功能，可以起到較好的保護(hù)作用。此外，利用含有電壓檢測(cè)與電流檢測(cè)的故障檢測(cè)電路，對(duì)信號(hào)燈控制器和信號(hào)燈作出實(shí)時(shí)檢測(cè)，將返回的TTL電平信號(hào)傳遞至信號(hào)機(jī)主控板，信號(hào)機(jī)系統(tǒng)可以根據(jù)不同的結(jié)果選擇繼續(xù)執(zhí)行，或者向上報(bào)警，甚至自行關(guān)機(jī)。

2.5 信號(hào)燈控制器模塊

信號(hào)燈控制器是信號(hào)機(jī)與信號(hào)燈之間必需的硬件連接。路口信號(hào)燈的各種燈色狀態(tài)是由信號(hào)燈控制器對(duì)信號(hào)機(jī)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理轉(zhuǎn)化而成的。

2.6 地區(qū)聯(lián)動(dòng)模塊

本地信號(hào)燈系統(tǒng)與地區(qū)信號(hào)燈系統(tǒng)管理端采用局域網(wǎng)絡(luò)（LAN）進(jìn)行雙向通訊。本地信號(hào)機(jī)控制端將待處理的數(shù)據(jù)信息通過(guò)Web Service應(yīng)用程序接口封裝好發(fā)給地區(qū)信號(hào)燈系統(tǒng)控制端，處理工作由后者完成，再把最終結(jié)果返回給本地信號(hào)機(jī)。Web Service技術(shù)充分利用地區(qū)信號(hào)燈系統(tǒng)控制單元的計(jì)算能力，減輕了本地信號(hào)機(jī)的處理器開(kāi)銷(xiāo)，使得信號(hào)燈系統(tǒng)更加穩(wěn)定和易于維護(hù)。

3  軟件實(shí)現(xiàn)

主程序流程圖如圖3所示。



圖3 主程序流程圖

交通信號(hào)燈系統(tǒng)程序可分為以下幾個(gè)模塊：

信號(hào)機(jī)主程序模塊是整個(gè)系統(tǒng)的主要模塊，它按優(yōu)先級(jí)利用其它模塊的執(zhí)行結(jié)果，生成當(dāng)前信號(hào)燈周期。

定時(shí)控制程序模塊支持通過(guò)鍵盤(pán)輸入固定的時(shí)間數(shù)值，改變當(dāng)前所執(zhí)行的信號(hào)燈周期，以人工經(jīng)驗(yàn)與系統(tǒng)相結(jié)合，體現(xiàn)出人機(jī)交互能力。

車(chē)流調(diào)節(jié)程序模塊是利用RFID技術(shù)識(shí)別交通路口附近的車(chē)流量，經(jīng)由GA（遺傳算法）并引入模糊邏輯理論[6]，對(duì)路口交通情況進(jìn)行實(shí)時(shí)分析計(jì)算，依據(jù)結(jié)果對(duì)信號(hào)燈周期進(jìn)行調(diào)整。本系統(tǒng)中，此模塊也是最能體現(xiàn)智能化的部分。此外，通過(guò)RFID技術(shù)的擴(kuò)展技術(shù)，即車(chē)輛自動(dòng)識(shí)別管理（AVIM） 系統(tǒng)，把車(chē)流信息與車(chē)輛信息監(jiān)控管理中心連接起來(lái)，就可構(gòu)成車(chē)輛信息管理平臺(tái)。

定時(shí)調(diào)節(jié)程序模塊是針對(duì)已經(jīng)形成一定路況規(guī)律的路段而設(shè)置的。可以一次性預(yù)先設(shè)定每天不同時(shí)段對(duì)應(yīng)不同的信號(hào)燈周期。比如，晚上車(chē)流量較少，可做定時(shí)調(diào)節(jié)將紅綠燈改成閃爍的黃燈，當(dāng)?shù)诙熘付〞r(shí)刻到來(lái)時(shí)，自動(dòng)恢復(fù)紅綠燈。

黃閃警告程序模塊可以立刻中斷所有的紅綠燈，全部改成閃爍黃燈。主要是在車(chē)流量很小的時(shí)段使用，可以提高通行效率。

遙控強(qiáng)置程序模塊是為交警現(xiàn)場(chǎng)指揮交通而設(shè)計(jì)的，只需用遙控器對(duì)紅外接收端按下特定的按鈕，就可以對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的信號(hào)燈相位全部強(qiáng)制重置，特別適用于單向塞車(chē)車(chē)流的調(diào)節(jié)和像救護(hù)車(chē)救火車(chē)這樣需要無(wú)障礙通行的交通工具快速通過(guò)路口。

聯(lián)動(dòng)處理程序模塊是用來(lái)處理上位機(jī)（交警聯(lián)動(dòng)中心控制機(jī)）所發(fā)來(lái)的指令。信號(hào)燈聯(lián)網(wǎng)以后，整個(gè)區(qū)域的交通路口就可以進(jìn)行協(xié)調(diào)聯(lián)動(dòng)控制，如果一個(gè)路口發(fā)生擁堵，聯(lián)動(dòng)中心可以發(fā)來(lái)指令，適當(dāng)延長(zhǎng)相鄰路口信號(hào)燈來(lái)車(chē)方向的通行時(shí)間，有效疏導(dǎo)交通。

“看門(mén)狗”程序模塊在主程序運(yùn)行異常時(shí)可產(chǎn)生的一個(gè)溢出信號(hào)，并通過(guò)引腳向處理器發(fā)送復(fù)位信號(hào)，使主程序重新開(kāi)始運(yùn)行。

系統(tǒng)檢測(cè)及報(bào)警程序模塊是應(yīng)對(duì)信號(hào)燈故障而設(shè)置的，它根據(jù)返回的TTL電平信號(hào)作出判斷，一旦發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，將把出錯(cuò)信息實(shí)時(shí)向上反映，為進(jìn)一步的系統(tǒng)維護(hù)提供依據(jù)。

4  結(jié)論

研制智能型交通信號(hào)燈系統(tǒng)，可以有效改善交通現(xiàn)狀，提高現(xiàn)有道路資源的利用率，節(jié)約社會(huì)成本。本系統(tǒng)基于AT91RM9200處理器，以應(yīng)用為中心，采用嵌入式操作系統(tǒng)，設(shè)計(jì)上具有成本低，操作簡(jiǎn)易，擴(kuò)展方便，信息共享度高，靈活性強(qiáng)等特點(diǎn)，有很好的參考價(jià)值和較高的實(shí)用價(jià)值。