馬新華

(西安航空學(xué)院 計(jì)算機(jī)學(xué)院， 西安 710077)

0 引言

目前交通監(jiān)控管理管理系統(tǒng)，仍然多以攝像頭監(jiān)控為主。這種技術(shù)雖然成熟，但造價(jià)不菲，且功耗高，也不能保證全方位監(jiān)控。在機(jī)動(dòng)車駕駛員的管理基本上沿用傳統(tǒng)的管理模式，采用人工的方式進(jìn)行處理。傳統(tǒng)模式雖然從機(jī)制上比較健全和完善，但由于近年來(lái)駕駛員數(shù)量的急劇膨脹，道路交通情況的復(fù)雜化，車輛性能、類型的更新發(fā)展，加之交通管理部門對(duì)交通流信息采集的主要方式是感應(yīng)線圈和視頻監(jiān)測(cè)，對(duì)車輛信息的采集主要通過(guò)人工統(tǒng)計(jì)等傳統(tǒng)方式來(lái)獲取，采集到的信息是靜態(tài)的，覆蓋面窄、時(shí)效性差[1-2]，傳統(tǒng)的管理方法已經(jīng)不能滿足管理工作的需要。

本文設(shè)計(jì)了一種由車載模塊、檢測(cè)基站設(shè)備以及智能卡組成的智能交通管理終端，通過(guò)在車輛上統(tǒng)一安裝車輛電子信息卡(電子車牌)以及駕駛員電子信息卡、在路網(wǎng)建設(shè)信息采集基站，將所采集到的信息通過(guò)傳輸線路傳遞至中心機(jī)房。同時(shí)利用智能終端設(shè)備采集車輛和駕駛員信息，通過(guò)射頻識(shí)別技術(shù)實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地進(jìn)行交通流信息采集，對(duì)城市路網(wǎng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，及時(shí)掌握道路通行狀況，精準(zhǔn)掌握城市交通擁堵瓶頸路段、路口的車流狀態(tài)和車型分布，迅速反饋給交警指揮中心，交警部門再利用各類道路交通誘導(dǎo)系統(tǒng)，將路況信息傳遞給駕駛員，對(duì)相對(duì)擁堵的路段進(jìn)行提醒，引導(dǎo)駕駛員選擇流量較小的路段通行，緩解交通壓力，減少擁堵現(xiàn)象的發(fā)生。智能交通管理終端對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化傳送，上位機(jī)通過(guò)分析和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，對(duì)發(fā)送數(shù)據(jù)不全的車輛可直接進(jìn)行查處，并對(duì)丟失和肇事車輛可直接進(jìn)行定位，大大提高查找速度。

1 智能交通管理終端

1.1 總體設(shè)計(jì)

根據(jù)應(yīng)用需求，智能交通管理終端系統(tǒng)由車載模塊、檢測(cè)基站以及智能卡組成。為確保人車綁定，車載模塊必須同時(shí)檢測(cè)到駕駛員信息與以及車輛信息卡。綁定數(shù)據(jù)經(jīng)檢測(cè)基站收集后，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)傳送到控制中心，采集系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

為達(dá)到200米內(nèi)檢測(cè)200輛車，車速最高為200公里/小時(shí)的設(shè)計(jì)要求，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)考慮采用4個(gè)可用頻段和一個(gè)公共廣播頻段，由此可計(jì)算出每個(gè)車輛的平均檢測(cè)時(shí)間為72 ms。SI4432的傳播速率為100 kb/s，則在72 ms時(shí)間內(nèi)，用于傳輸信號(hào)的時(shí)間為40 ms，用于沖撞等待的時(shí)間為32 ms，則40 ms一共可傳輸500個(gè)字節(jié)，對(duì)于SI4432，相當(dāng)于發(fā)送速度為每ms發(fā)送12.5個(gè)Byte，完全可以傳播完成全部的信息。

圖1 智能交通管理終端采集系統(tǒng)架構(gòu)

車載終端的集成安裝在車上，考慮車速以及周圍環(huán)境的影響，車載終端必須滿足功耗低，穿透力強(qiáng)，發(fā)射速率大，輻射范圍廣等特點(diǎn)。車載終端的總體設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 車載終端的總體設(shè)計(jì)圖

射頻卡SLE4442[3]讀卡電路，由于讀卡電路主控器STC12LE5A60S2的工作電壓3.3 V，但是讀卡器SLE4442壓是5 V，由于兩端電壓不匹配，導(dǎo)致單片機(jī)的控制管腳不能直接控制讀卡器，為了解決此問(wèn)題，采用雙向轉(zhuǎn)壓芯片SN74LVC1T45進(jìn)行轉(zhuǎn)壓后，單片機(jī)就可以直接對(duì)SLE4442進(jìn)行控制。電路設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 SLE4442讀卡電路

1.2 車載模塊

車載模塊安裝在車輛上，當(dāng)駕駛員信息卡和車輛信息卡插入車載模塊時(shí)，車載模塊開(kāi)始工作，當(dāng)車輛駛過(guò)檢測(cè)基站使，車載模塊與檢測(cè)基站之間建立通訊，將駕駛員信息和車輛信息發(fā)送給檢測(cè)基站。

MCU控制模塊采用c8051f930芯片，主要完成兩張識(shí)別卡(車輛信息卡、駕駛員信息卡)的讀取，無(wú)線通信模塊協(xié)議處理、通信模塊控制，電源管理模塊控制，用戶界面控制這五大功能。

車載終端所選取的主控芯片為STC12LE5A60S2，相比較其他系列的單片機(jī)芯片，STC12LE5A60S2的工作電壓僅為3.3V，功耗較低，且由于帶有硬件SPI，便于對(duì)外設(shè)讀寫(xiě)。

無(wú)線發(fā)射模塊采用SI4432芯片，接受控制模塊的控制，主要完成無(wú)線射頻信號(hào)的接收發(fā)射，調(diào)制/解調(diào)，信道選擇，同步提取，無(wú)線信息糾錯(cuò)，收發(fā)信息緩沖等功能。

讀卡模塊主要是根據(jù)控制模塊的需求讀取卡片信息。

智能IC卡采用基于ISO7819-3標(biāo)準(zhǔn)的SLE4442芯片，為防止駕駛員信息卡在中途被拔掉或者替換掉，選用可接觸式SLE4442 IC卡智能卡使用的SLE4442 IC卡，主存儲(chǔ)器容量為256 K，保護(hù)區(qū)為00H-20H，其余為應(yīng)用區(qū)。此卡可以在省電的情況下完成卡片識(shí)別和讀取功能。SI4432是一種中遠(yuǎn)距離的無(wú)線通信設(shè)備,在433 MHz頻段下最遠(yuǎn)傳輸距離可達(dá)上千米，相對(duì)于藍(lán)牙、WI-FI、ZigBee等傳統(tǒng)短距離無(wú)線通信技術(shù)，SI4432具有傳播距離遠(yuǎn)、功耗低、傳播速率大 、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)帶有邏輯加密功能，必須經(jīng)過(guò)密碼驗(yàn)證后才可擦除。在使用中，如果此卡連續(xù)輸錯(cuò)三次，則此卡自鎖，不能對(duì)其進(jìn)行讀寫(xiě)。車載模塊結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 車載模塊結(jié)構(gòu)圖

2 檢測(cè)基站設(shè)計(jì)

檢測(cè)基站包含一個(gè)廣播信道和4個(gè)接收信道。終端通過(guò)無(wú)線電路監(jiān)聽(tīng)到廣播信道的信息，自動(dòng)發(fā)送給基站，基站通過(guò)4個(gè)不同頻率接收信道來(lái)接收信息，并把接收的信息通過(guò)CAN總線[3]發(fā)送給STM32總控制器后轉(zhuǎn)交給服務(wù)端。

基站信號(hào)接收電路的總體設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖5 基站總體電路設(shè)計(jì)

根據(jù)實(shí)際需求，檢測(cè)基站要滿足速度不大于200 KM/H；車輛與檢測(cè)基站間距大于200 M；采用本地電池供電；待機(jī)時(shí)間大于180天；以及包含LED燈指示，包括電量、未插卡、通信指示等工作狀態(tài)指示。

檢測(cè)基站可提供1-4個(gè)檢測(cè)通道，如圖6所示。

圖6 檢測(cè)基站結(jié)構(gòu)圖

每個(gè)通道無(wú)線通信設(shè)計(jì)參數(shù)如下：射頻頻段VHF 410～420 MHz；發(fā)射功率10 dbm；接收靈敏度-80 dbm；傳輸速率9 600 bps以上；頻偏大于1 k；占用帶寬小于30 K；

檢測(cè)基站由主控板、信道板以下模塊組成：

主控板完成基站系統(tǒng)的控制功能，采用arm,crotex-m3系列的32位單片機(jī)STM32F103RBT，使用uart總線和各無(wú)線信道板連接。

信道板包括射頻模塊和信道處理單片機(jī)，完成與車載模塊的交互功能，并將車載信息通過(guò)uart總線傳回主控板。

射頻模塊采用和用戶模塊相同的sI4432,信道處理采用和用戶模塊相同的c8051f930。為減少主控處理器的壓力，將無(wú)線底層控制和基本通信處理在信道板內(nèi)部完成，以使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和模塊化明晰。

檢測(cè)基站無(wú)線接收選取SI4432，內(nèi)部主控制器選取ARM Cortex-M3內(nèi)核的STM32F106VE6[5]。

在一個(gè)由CAN總線構(gòu)成的單一網(wǎng)絡(luò)中，理論上是可以掛載無(wú)數(shù)個(gè)節(jié)點(diǎn)[6]，同時(shí)CAN總線的傳輸速率最大可達(dá)1 Mbit/s，有利于實(shí)時(shí)控制，在CAN節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)錯(cuò)誤的情況下，相對(duì)于串口、RS485總線傳輸會(huì)進(jìn)行校驗(yàn)并退出，保證總線上的其他節(jié)點(diǎn)不受影響，同時(shí)CAN總線具有低成本、較高的總線利用率、傳播速度可達(dá)1 Mbit/s、傳播距離遠(yuǎn)以及可靠的處理檢錯(cuò)機(jī)制等優(yōu)勢(shì)，因此基站內(nèi)部傳輸選用CAN總線傳輸。如圖7所示。

圖7 檢測(cè)基站CAN總線框圖

3 防碰撞協(xié)議的設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)主要包含有無(wú)線發(fā)送的防碰撞協(xié)議和CAN模塊的傳送協(xié)議，由于SI4432不支持以上MAC協(xié)議，且為了確保發(fā)送過(guò)程的可靠性，發(fā)送端需要應(yīng)答信號(hào)以確保發(fā)送信號(hào)已被準(zhǔn)確接收，需要設(shè)計(jì)基于ACK的雙向CSMA/CA通信機(jī)制?？傮w流程圖如圖8所示。

圖8 防碰撞協(xié)議流程圖

防碰撞協(xié)議主要代碼：

si4432_SetRSSI(); //打開(kāi)幀同步檢測(cè)

for (i=0;i<10;i++) //嘗試發(fā)送

{

if ((send_ready == 1) )//信道不忙

{

send_ready = channel_isidle(rand()%2); //隨機(jī)延時(shí)0～1MS

for (j=0;j<4;j++)

{

if ((send_ready == 1))//還不忙則發(fā)送數(shù)據(jù)

{

si4432_CloseRSSI();//發(fā)送完畢之后關(guān)閉幀同步檢測(cè)

}

}

4 監(jiān)控中心的設(shè)計(jì)

Qt-Project(LGPL v2.1)[7]是國(guó)際開(kāi)源社區(qū)力推的跨平臺(tái)圖像庫(kù)，系統(tǒng)庫(kù)小巧靈便，使用完全免費(fèi)。支持Windows，Linux，嵌入式Linux，MacOS等多種操作系統(tǒng)。使用面向?qū)ο蟮母呒?jí)語(yǔ)言C++開(kāi)發(fā)，為系統(tǒng)的運(yùn)行效率提供了良好的保證。另外，Qt還支持Javcscript、XML方便功能擴(kuò)展。其本身也對(duì)一些通用控件與算法提供了模塊化的實(shí)現(xiàn)，使用Qt可以在較短的時(shí)間內(nèi)完成監(jiān)控中心軟件的實(shí)現(xiàn)，高效率而低成本。此外，Qt亦支持嵌入式系統(tǒng)，可以在只修改很少量代碼的情況下將目前的系統(tǒng)移植至嵌入式終端內(nèi)，方便以后的移動(dòng)功能擴(kuò)展。

監(jiān)控中心主要包括信息欄、歷史信息以及信道編號(hào)，如圖9所示。

圖9

信息欄主要是對(duì)發(fā)來(lái)的單條數(shù)據(jù)進(jìn)行細(xì)分，把駕駛員的圖像，上行信號(hào)的信道號(hào)，駕駛員姓名，駕駛證號(hào)碼以及車牌號(hào)顯示出來(lái)。

歷史信息欄主要是對(duì)歷時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，按照發(fā)送時(shí)間降序排列，以便對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行查看。

信道2,3,4,5為接收信道，主要是對(duì)每個(gè)信道發(fā)送出的信息進(jìn)行顯示。假設(shè)是信道2發(fā)送出來(lái)的信息，在信道2欄也可以找到發(fā)送上來(lái)的信息。

5 智能交通管理終端測(cè)試

智能交通管理終端能否正確實(shí)現(xiàn)功能主要依賴于無(wú)線通信模塊能否正確傳送信息給基站，這是影響系統(tǒng)的最為重要的因素，首先我們將車輛信息和駕駛員信息分別寫(xiě)入兩張不同的卡中，然后讓終端進(jìn)入基站覆蓋范圍，一旦進(jìn)入覆蓋區(qū)域卡面就會(huì)發(fā)送信息給基站，基站接收到信息之后會(huì)傳送給上位機(jī)及監(jiān)控中心，并與寫(xiě)卡信息對(duì)比來(lái)測(cè)試終端是否能夠達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

經(jīng)過(guò)系統(tǒng)反復(fù)的測(cè)試和完善之后，如前所述系統(tǒng)基本上實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)，分別進(jìn)行測(cè)試后，結(jié)果如下：

寫(xiě)入信息：

1.駕駛員信息卡：姓名：李娜 駕駛證號(hào)：562586

2.車輛信息卡：車牌號(hào)：陜A25645。

顯示信息如圖10所示。

圖10 測(cè)試圖

6 總結(jié)

智能交通管理終端可以實(shí)現(xiàn)對(duì)駕駛員的管理、通過(guò)對(duì)車輛基本信息的采集，系統(tǒng)能夠全面實(shí)現(xiàn)車輛精準(zhǔn)識(shí)別、路網(wǎng)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、道路管制、假套牌車、黑車、盜搶車輛稽查、肇事車輛逃逸追查、車牌防偽等方面的系統(tǒng)化、數(shù)字化和信息化等功能，但還存在著定位不夠精準(zhǔn)，道路狀態(tài)不能實(shí)時(shí)顯示等不足，這也是下一步進(jìn)行研究的方向。