葉敦范，李亞敏，張夢炎

（中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）機(jī)械與電子信息學(xué)院，湖北 武漢430074）

快速發(fā)展的城市交通和日益增加的機(jī)動車保有量對城市交通執(zhí)法和管理提出了更高的要求。為了保證交通執(zhí)法證據(jù)的準(zhǔn)確性、科學(xué)性和有效性，實(shí)現(xiàn)24小時不間斷的交通監(jiān)督、管理和控制，需要引入無人值守的自動化監(jiān)控設(shè)備和系統(tǒng)[1]——智能交通系統(tǒng)。

智能交通系統(tǒng)ITS(Intelligent Transportation Systems)，是當(dāng)前世界上交通運(yùn)輸科技的前沿，它在較完善的道路設(shè)施基礎(chǔ)上將信息技術(shù)、數(shù)據(jù)通信技術(shù)、電子傳感技術(shù)、全球定位技術(shù)、地理信息系統(tǒng)技術(shù)、計(jì)算機(jī)處理技術(shù)以及系統(tǒng)工程技術(shù)等，有機(jī)地集成并運(yùn)用于整個地面交通管理體系，從而建立一種在大范圍內(nèi)、全方位發(fā)揮作用的，實(shí)時、準(zhǔn)確、高效、智能的交通運(yùn)輸管理系統(tǒng)[2]。

當(dāng)前，國內(nèi)城市交通監(jiān)控系統(tǒng)通常采用通用PC機(jī)，存在成本較高、可靠性差，設(shè)備分散運(yùn)行等問題，尚未形成一個完整的、信息共享的智能交通管理監(jiān)控系統(tǒng)[3]。由于ITS的前端設(shè)備不能正常工作，導(dǎo)致發(fā)生路口車輛信息無法捕捉、交通事故現(xiàn)場無法恢復(fù)等問題從而造成嚴(yán)重后果。ITS嵌入式控制主機(jī)是針對智能交通前端卡口設(shè)計(jì)的，解決了現(xiàn)有設(shè)備存在的諸多問題，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜環(huán)境下設(shè)備的可靠運(yùn)行。

1 ITS嵌入式控制主機(jī)總體設(shè)計(jì)

ITS嵌入式控制主機(jī)是一臺集多種功能于一體的智能前端卡口設(shè)備，能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜環(huán)境下的車流量監(jiān)測、過車抓拍、逆行抓拍、超速抓拍、壓黃線抓拍、車輛測速等功能。同時，系統(tǒng)還加入電源保護(hù)、主機(jī)狀態(tài)管理、故障檢測、故障分析和前端存儲等可靠和人性化的設(shè)計(jì)方案。ITS嵌入式控制主機(jī)的層次結(jié)構(gòu)如圖1所示。

(1)硬件層：ITS嵌入式控制主機(jī)系統(tǒng)的硬件層由電源保護(hù)模塊、車檢器模塊、主機(jī)狀態(tài)管理模塊、交換機(jī)模塊、嵌入式檢測主板模塊及相機(jī)組成。

(2)核心層：采用嵌入式檢測主板，內(nèi)置Windows XPE操作系統(tǒng)。用于統(tǒng)一硬件層與上層軟件界面通信透明，統(tǒng)一數(shù)據(jù)處理流式。

(3)業(yè)務(wù)層：其中包括數(shù)據(jù)捕捉(圖象、錄像實(shí)時顯示并保存等)；設(shè)備狀態(tài)管理(設(shè)備狀態(tài)報警、主機(jī)狀態(tài)管理、車檢器管理、檢測主機(jī)系統(tǒng)管理、相機(jī)狀態(tài)查詢等)；設(shè)備控制設(shè)置；日志管理；軟件管理(軟件升級部署、軟件狀態(tài)監(jiān)視、軟件運(yùn)行維護(hù)等)。

2 ITS嵌入式控制主機(jī)主要硬件設(shè)計(jì)

2.1 嵌入式檢測模塊

采用Intel Atom N450高性能嵌入式處理器，主頻1.66 GHz，1 GB DDR2板載內(nèi)存。嵌入式檢測模塊采用Windows XPE操作系統(tǒng)，主板通過3個串口分別與電源保護(hù)模塊、車檢器模塊和主機(jī)狀態(tài)管理模塊連接，接收各個模塊的狀態(tài)信息數(shù)據(jù)包，處理器對數(shù)據(jù)進(jìn)行解析并執(zhí)行相應(yīng)操作，同時將解析后的數(shù)據(jù)包存儲在Flash或是硬盤中，并通過以太網(wǎng)將解析后的數(shù)據(jù)發(fā)送給遠(yuǎn)程客戶，遠(yuǎn)程客戶也可以通過以太網(wǎng)訪問數(shù)據(jù)信息、控制前端設(shè)備。

嵌入式檢測模塊與高清智能IP相機(jī)通過交換機(jī)連接。高清智能IP相機(jī)作為服務(wù)器，嵌入式檢測主板內(nèi)的應(yīng)用程序作為客戶端，當(dāng)服務(wù)器處于監(jiān)聽狀態(tài)，當(dāng)有車輛經(jīng)過時，車檢器將車輛信息通過串口發(fā)送給檢測主板，服務(wù)器通過交換機(jī)觸發(fā)相機(jī)執(zhí)行抓怕，相機(jī)再將抓拍的數(shù)據(jù)回傳給檢測主板。檢測主板將數(shù)據(jù)通過光纖發(fā)送給后臺，若后臺未能成功接收到數(shù)據(jù)，則檢測模塊將數(shù)據(jù)存入前端硬盤。

2.2 電源保護(hù)模塊

電源保護(hù)模塊實(shí)現(xiàn)復(fù)雜環(huán)境下的漏電保護(hù)、過壓欠壓保護(hù)及過流保護(hù)，采用中斷方式實(shí)現(xiàn)自動重合功能，并可通過串口與上位機(jī)通信實(shí)現(xiàn)配置漏電、過壓欠壓、過流默認(rèn)值和故障信息回傳等功能。保護(hù)板主要由主控單元、驅(qū)動單元、信號采集處理單元和通信單元組成。電源保護(hù)模塊結(jié)構(gòu)如圖2所示。

電源保護(hù)板通過變壓器采集過壓欠壓信息，通過互感線圈采集過流、漏電信息，經(jīng)過由單片機(jī)AD處理分析后，控制雙向繼電器驅(qū)動集成芯片，從而驅(qū)動安放在火線和零線上的磁保持繼電器的通斷，實(shí)現(xiàn)輸出交流電源的通斷控制，從而保護(hù)設(shè)備的用電安全，同時顯示當(dāng)前狀態(tài)信息。

為了實(shí)現(xiàn)復(fù)雜環(huán)境下與嵌入式控制主板的信息交換。采用+5 V供電、半雙工,并與具有±16.5 kV ESD保護(hù)的RS-485收發(fā)器ISL3152E進(jìn)行串口通信,同時將電源與其他單元采用光耦隔離，增加通信穩(wěn)定性。

2.3 車檢器模塊

車檢器由高穩(wěn)定性的四通道線圈車輛檢測卡和埋設(shè)在地下的環(huán)形電感線圈構(gòu)成的振蕩器兩部分組成。車輛通過后，電感線圈的電感量發(fā)生變化從而引起振蕩器頻率變化，CPU通過檢測振蕩器頻率變化，實(shí)現(xiàn)車輛相關(guān)信息的檢測[4]。

車檢器內(nèi)部采用高速STC12C5A60S2單片機(jī)，具有2路外部中斷和2個外部計(jì)數(shù)器。埋在地下的環(huán)形電感線圈經(jīng)瞬態(tài)電壓抑制器連接，再經(jīng)磁罐變壓器與后級電容形成震蕩回路，經(jīng)放大處理輸出當(dāng)前頻率信號。單片機(jī)采用外部管腳中斷以及定時器中斷相配合，定時采集數(shù)據(jù)得出當(dāng)前頻率，并根據(jù)當(dāng)前設(shè)定的靈敏度與工作方式要求，再與基準(zhǔn)頻率比較，從而判斷是否有車輛到來，最后根據(jù)設(shè)定的輸出方式向外輸出信號。為了使該系統(tǒng)具備多車道檢測功能，系統(tǒng)最大可支持4路車檢器同時工作。

2.4 主機(jī)狀態(tài)管理模塊

主機(jī)狀態(tài)管理模塊為各個模塊提供可控制、可監(jiān)控的隔離DC電源，支持環(huán)境溫度監(jiān)測和溫度控制，同時加入前端設(shè)備門禁管理。上位機(jī)通過串口接收主機(jī)狀態(tài)管理板供電、環(huán)境溫度和門禁信息。遠(yuǎn)程客戶可以通過網(wǎng)絡(luò)在后臺監(jiān)測系統(tǒng)供電安全，當(dāng)前環(huán)境溫度以及前端安全門是否被打開等信息，同時可遠(yuǎn)程控制各個模塊的電源重啟、關(guān)閉及溫度范圍設(shè)置等。主機(jī)狀態(tài)管理模塊結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

3 ITS嵌入式控制主機(jī)主要軟件設(shè)計(jì)

3.1 嵌入式檢測主機(jī)網(wǎng)關(guān)

網(wǎng)關(guān)采用嵌入式XPE平臺實(shí)現(xiàn)了對相機(jī)、電源保護(hù)板、車檢器控制底板、電源管理板和交換機(jī)的控制和大量數(shù)據(jù)的存儲。通過C/S結(jié)構(gòu)和B/S結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了與用戶交互數(shù)據(jù)，使用戶分別通過客戶端軟件和瀏覽器實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控目標(biāo)區(qū)域的卡口信息。

3.2 電源保護(hù)板程序

電源保護(hù)板為了實(shí)現(xiàn)復(fù)雜環(huán)境下的電源保護(hù)，在程序設(shè)計(jì)時采用3路A/D分別采集漏電信息、過壓欠壓信息、過流信息。當(dāng)采樣值不在默認(rèn)閾值范圍內(nèi)時，對應(yīng)計(jì)數(shù)標(biāo)志加1，將當(dāng)前數(shù)據(jù)存入EEPROM，并發(fā)送給檢測主板，最后通過繼電器關(guān)閉負(fù)載電源。隨后判斷計(jì)數(shù)標(biāo)志的值，計(jì)數(shù)標(biāo)志每隔24 h自動清零，若計(jì)數(shù)標(biāo)志大于3，則說明一天內(nèi)自動重合4次已經(jīng)失敗，將關(guān)閉負(fù)載電源并退出循環(huán)。當(dāng)計(jì)數(shù)標(biāo)志小于等于3時，系統(tǒng)將延時：

時間后，再次判斷采樣值是否屬于默認(rèn)閾值范圍，若大于則繼續(xù)延時t s;若不屬于默認(rèn)閾值范圍,則開電源繼續(xù)執(zhí)行程序。程序流程圖如圖4所示。

3.3 主機(jī)狀態(tài)管理模塊程序

主機(jī)狀態(tài)管理模塊為一個實(shí)時系統(tǒng)，采用輪詢的思想，對各個功能模塊輪流查詢，分時處理。實(shí)現(xiàn)電壓監(jiān)測、溫度控制和門禁管理。其中指令的接收通過串口接收中斷服務(wù)程序?qū)崿F(xiàn)，以實(shí)時響應(yīng)上位機(jī)的請求。主機(jī)狀態(tài)管理模塊流程圖如圖5所示。

4 設(shè)備測試結(jié)果分析

在前端設(shè)備數(shù)據(jù)進(jìn)入業(yè)務(wù)層之前，為了方便觀察設(shè)備工作情況，為系統(tǒng)編寫了串口上位機(jī)測試軟件，包括電源保護(hù)模塊測試、主機(jī)狀態(tài)管理模塊測試和多路車檢器測試，測試結(jié)果如圖6所示。

ITS嵌入式控制主機(jī)在設(shè)計(jì)完成后經(jīng)過高低溫測試，能夠在-20°C～80°C溫度的范圍下正常工作，實(shí)現(xiàn)了多車道的車流量監(jiān)測、過車抓拍、逆行抓拍、超速抓拍、壓黃線抓拍、車輛測速功能，同時具有智能交通前端設(shè)備的自我保護(hù)、自我檢測和遠(yuǎn)程監(jiān)控功能。設(shè)備在多個路口進(jìn)行了實(shí)際測試，在測試過程中進(jìn)一步對系統(tǒng)的穩(wěn)定性及準(zhǔn)確性做了調(diào)整和校正。

[1]尹航.基于DSP的嵌入式智能交通監(jiān)控系統(tǒng)前端設(shè)備設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].哈爾濱∶哈爾濱工程大學(xué),2011.

[2]高健,沈慶宏，高敦堂.ITS中車輛檢測器設(shè)備的研究與實(shí)現(xiàn)[J].交通與計(jì)算機(jī),2002,20(5)∶15-17.

[3]陸惠豐.交通事件自動檢測和監(jiān)視功能的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)[D].上海∶上海海事大學(xué),2005.

[4]臧利林,賈磊,秦偉剛,等.基于環(huán)形線圈車輛檢測系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)[J].儀器儀表學(xué)報,2004,25(Z1)∶29-31.

[5]楊東,張應(yīng)龍,林叢,等.漏電保護(hù)器設(shè)計(jì)技術(shù)[M].北京∶化學(xué)工業(yè)出版社,2010.