孔 榮 ，湯榮生 ，倪倩倩 ，金 鑫

(1.蘇州大學(xué) 文正學(xué)院，江蘇 蘇州 215006；2.蘇州大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，江蘇 蘇州 215006)

國內(nèi)當(dāng)前的道路流量檢測主要通過設(shè)立路況通信員的方法來實現(xiàn)。廣播電臺通過在城市主干道附近設(shè)置或臨時招聘若干人員，隨時報告路況消息。這種方法低效、滯后嚴(yán)重、數(shù)據(jù)不可靠或沒有統(tǒng)計數(shù)據(jù)，不足以向城市管理部門提供決策參考信息。采用價格低廉、運行可靠，可實時動態(tài)控制紅綠燈系統(tǒng)的自動化道路監(jiān)測及消息發(fā)布系統(tǒng)必將成為城市管理者關(guān)心的重要問題之一。為此，本文提出一種基于GPRS模塊的路況實時信息發(fā)布系統(tǒng)，該系統(tǒng)可通過GPRS模塊對外發(fā)布道路流量信息，并克服原有道路信息發(fā)布系統(tǒng)低效、準(zhǔn)確性低、滯后嚴(yán)重等缺點。

1 總體設(shè)計方案

總體設(shè)計方案如圖1所示[1]。4個環(huán)形線圈車輛檢測器分別安裝在十字路口的4個方向，當(dāng)有車輛經(jīng)過環(huán)形線圈車輛檢測器時，產(chǎn)生高電平信號，該信號饋送至控制器?？刂破鲗υ撔畔⑦M(jìn)行計數(shù)、處理，并實時控制紅綠燈切換的時間，將道路調(diào)整到最佳通行狀態(tài)；同時控制器通過SIM300構(gòu)成的GPRS模塊將計算得到的相關(guān)數(shù)據(jù)傳送至控制中心及相關(guān)部門。控制中心可根據(jù)具體情況向社會公布，同時也可以向控制器發(fā)送指令，進(jìn)行人工干預(yù)。該系統(tǒng)具有實時性高、客觀、準(zhǔn)確的優(yōu)點，同時也可以降低交管部門的勞動強度。

2 基于GPRS的短信收發(fā)平臺的硬件設(shè)計

2.1 環(huán)形線圈檢測器

環(huán)形線圈車輛檢測器以幾匝金屬線繞制而成的環(huán)形線圈為傳感器，埋設(shè)在道路上。環(huán)形線圈作為檢測器調(diào)諧電路中的一個電感元件，與車輛檢測器的振蕩回路一起形成LC諧振，當(dāng)車輛通過時，也就是線圈中間或周圍有鐵制品存在時，由于鐵磁材料的高導(dǎo)磁率，將會使線圈中單位電流產(chǎn)生的磁通鏈劇增，從而導(dǎo)致線圈電感值發(fā)生微小變化，進(jìn)而改變LC諧振的頻率，由此檢測車輛通過與否[2]。目前國內(nèi)部分路段已經(jīng)埋設(shè)了環(huán)形線圈作為攝像頭的啟動信號源。使用這種方式可以降低前期投入。

2.2 控制器設(shè)計

控制器采用ST公司的STR710作為中央處理單元。STR710具有14個外部中斷輸入，256 KB程序Flash存儲器，64 KB內(nèi)部RAM，5個定時器，比較適合應(yīng)用在有多個外部中斷源需要處理的場合[3]?？刂破麟娐房驁D如圖2所示。P2.5通過光耦連接到MAX485的DI端，控制紅綠燈的轉(zhuǎn)換；P2.4通過光耦連接到MAX485的DE端，使能MAX485發(fā)送功能。

圖2 控制器電路

2.3 GPRS模塊設(shè)計

GPRS模塊由SIM300接口電路、電源、SIM卡接口電路和開機電路組成，如圖3所示[4]。

圖3 GPRS模塊框圖

2.3.1 電源

SIM300的 VBAT電源管腳電壓范圍 3.4～4.5 V，模塊在發(fā)送數(shù)據(jù)時電流消耗較大，峰值電流可能達(dá)到2 A，所以電源一定要能夠提供2 A以上的電流。電源對模塊非常重要，一旦在電源上產(chǎn)生擾動、干擾，都可能造成模塊的死機。設(shè)計時應(yīng)選擇輸出電流大于2 A的穩(wěn)壓電路，如 LM2576等。

2.3.2 SIM300接口電路

SIM300接口電路如圖 4所示。其中 21、23、25腳需要接22 Ω匹配電阻，TXD和RXD連接到控制器的RX1和TX1。

圖4 SIM300接口電路

2.3.3 SIM卡座接口電路

SIM卡接口電路如圖5所示。若采用6腳SIM卡，第8腳可以懸空。

圖5 SIM卡接口電路

2.3.4 開機電路

SIM300在PWRKEY引腳為低，且持續(xù)時間不小于1 500 ms時啟動。開機電路如圖6所示。

3 基于GPRS的短信收發(fā)平臺的軟件設(shè)計

3.1 算法原理

設(shè)t0為起始時間，檢測器以時間T為周期檢測時間段Si中的車輛的流量Q(Si)和道路占有率C(Si)。其中：

圖6 開機電路

式中tHold(Si)為一周期中車輛處于線圈上的時間。

(1)若上游的檢測器A檢測出的流量的相對增量小于占有率的相對增量，則認(rèn)為下游路段在本周期或下幾個周期內(nèi)有可能發(fā)生交通擁擠。

(2)在條件(1)基礎(chǔ)上，上游與下游檢測器的車輛平均占有率絕對差大于某一閾值α，上游與下游檢測器的平均占有率相對差大于某一閾值β時，判定有交通擁擠事件發(fā)生。其中α、β與道路的實際設(shè)計容量有關(guān)。

(3)若上游與下游檢測器的車輛平均占有率絕對差小于或等于某一閾值α，上游與下游檢測器的平均占有率相對差大于某一閾值β時，判定交通擁擠處于消散過程。

圖7 檢測器安裝位置

3.2 控制器軟件設(shè)計

控制器軟件由主程序、指令處理、中斷處理、短信發(fā)送、擁堵判定和紅綠燈控制模塊組成。

3.2.1 主程序

主程序根據(jù)中斷程序返回的狀態(tài)循環(huán)調(diào)用擁堵判定和紅綠燈控制模塊，在擁堵發(fā)生前調(diào)整紅綠燈切換時間，以便緩解交通擁堵狀況，同時向控制中心發(fā)送信息，由控制中心發(fā)布路況信息，減少后續(xù)的車流。在發(fā)生擁堵時也可以在第一時間通知控制中心，以便采取進(jìn)一步措施。在有控制中心指令時調(diào)用指令處理模塊。主程序框圖如圖8所示。

3.2.2 擁堵判定

擁堵判定按照3.1的描述設(shè)計。流程圖如圖9所示。

3.2.3 中斷處理

中斷處理模塊用于獲取檢測器信息和控制中心指令，為減少中斷處理時間，提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度，中斷處理模塊僅作初步處理，絕大部分工作交給主程序執(zhí)行。

圖8 主程序框圖

圖9 擁堵判定框圖

3.2.4短信發(fā)送

短信發(fā)送用于將道路信息發(fā)送到控制中心或者在路況惡化時請求控制中心人工干預(yù)。

根據(jù)交通擁擠和消散過程的特征，給出了利用微機技術(shù)自動判定道路交通狀況的算法，并試圖在此基礎(chǔ)上實時地控制紅綠燈的變換周期，實現(xiàn)無人工干預(yù)情況下改善交通狀況，同時將路況實時信息發(fā)送到控制中心，控制中心可以根據(jù)實際情況向社會發(fā)布，并在特殊情況下進(jìn)行人工干預(yù)。該系統(tǒng)具有高效、實時、客觀的特點，且簡單易于實現(xiàn)，具有良好的應(yīng)用前景。

[1]唐運虞，劉向東，修春波，等.基于 GPRS的車輛監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計[J].信息技術(shù)，2004，28(10):56-61.

[2]張豫鶴，黃希，崔莉，等.面向交通信息采集的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點[J].計算機研究與發(fā)展，2008，45(1):110-118.

[3]ST Microelectronics.STR71xF ARM7TDMITM32-BIT MCU With Flash， USB， CAN 5 Timers， ADC， 10 Communications Interfaces[Z].2005.

[4]Simcom Ltd，.SIM300 Hardware Interface Description[Z].2005，12.

[5]GREENSHIELDS B D，BIBBINS J R.A study of traffic capacity[C].Washington，USA:National Academy of Sciences，1935.

[6]莊斌，楊曉光，李克平，等.道路交通擁擠事件判別準(zhǔn)則與檢測算法[J].中國公路學(xué)報，2006，19(3):82-86.