如何設(shè)計(jì)一個(gè)基于嵌入式系統(tǒng)的智能交通燈控制系統(tǒng)？

汽車數(shù)量越來越多，道路壓力越來越大，城市道路交錯(cuò)分布，交通燈是城市交通的重要指揮系統(tǒng)。交通信號(hào)燈作為管制交通流量、提高道路通行能力的有效手段，對(duì)減少交通事故有明顯效果。本文基于ARM智能交通燈控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，為智能交通的研究提供了理論參考。

1、系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

如圖1所示，交通燈布置為東、南、西、北四個(gè)方向，每個(gè)方向交通燈上再配備對(duì)應(yīng)的攝像頭，攝像頭的功能用于探測(cè)所屬方向車輛通行情況（車輛等待隊(duì)列，車輛通行量）。ARM處理器中的9號(hào)、10號(hào)功能，9號(hào)用于處理圖像反饋信息，10號(hào)用于處理9號(hào)反饋信息對(duì)信息中的車輛排隊(duì)情況作交通燈的智能控制，除此之外10號(hào)控制器ARM還與通訊監(jiān)控中心保持通信。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

如圖2所示，攝像頭拍對(duì)面駛來的車輛，攝像區(qū)域?qū)χ囕v車道的中心，微微往下偏斜，其拍攝的情景要包含車輛的停止線，遠(yuǎn)景涉及的區(qū)域要覆蓋面廣。攝像頭在安裝時(shí)一定要穩(wěn)，防止抖動(dòng)帶來的負(fù)面不確定性，當(dāng)?shù)缆奋嚵髁慷鄷r(shí)應(yīng)該根據(jù)實(shí)際情況加大攝像頭的量。交通燈的安裝位置應(yīng)該與實(shí)際路口情況因地制宜。

圖2 系統(tǒng)安裝位置示意圖

2、系統(tǒng)硬件組成

系統(tǒng)硬件包括以下幾個(gè)主要模塊：

2.1、ARM嵌入式處理器模塊

ARM（AdvancedRISCMachines）的英文名稱有多種解釋，一類解釋是一個(gè)公司名稱的縮寫，一類解釋是這類微處理器模塊的通用代號(hào)，還有一類解釋是一種技術(shù)名稱的統(tǒng)稱。ARM處理器的特點(diǎn)主要?dú)w納總結(jié)為三個(gè)方面：（1）電量損耗低功能豐富；（2）具有16位與32位的雙指令集；（3）其研發(fā)與多家廠商合作，兼容性較好。隨著技術(shù)的日新月異，ARM的發(fā)展延續(xù)了眾多體系，體系不同其特征也存在較大差別，但如果體系一致雖擁有眾多處理器內(nèi)核但大體是相同的。

ARM發(fā)展經(jīng)歷了眾多階段，從起初的發(fā)展階段，即ARMV1到ARMV3階段，到后來的ARMV4到ARMV7階段，ARM的應(yīng)用正逐步趨于成熟。ARMV4的體系代表有3種，分別是ARM7、ARM9以及StrongARM。ARMV5的體系代表有4種：ARM10、Xscale、DSP指令集及JAVA。ARMV6的體系代表有4種：ARM11、定點(diǎn)DSP功能、性能提高8倍的JAVA和音視頻性能優(yōu)化4倍的Media。ARMV7的體系代表有A系列、M系列與R系列，A系列是根據(jù)用戶需求不同提供全方位智能控制操作平臺(tái)的單片機(jī)，R系列是實(shí)時(shí)系統(tǒng)控制單片機(jī)，M系列是低端控制型單片機(jī)。

本文的控制系統(tǒng)在研發(fā)階段是基于S3C2410處理器，該處理器由Samsung公司生產(chǎn)，處理器的設(shè)計(jì)理念源于ARM9，其基本功能框架結(jié)構(gòu)都是基于ARM9。從其系統(tǒng)的硬件原理圖可以得出，整套系統(tǒng)需用到雙ARM處理器，其處理器主頻可達(dá)266M，一個(gè)處理器用于處理圖像，另一個(gè)處理器用于實(shí)現(xiàn)控制，兩個(gè)處理器之間可以通過多種方式進(jìn)行相互聯(lián)系。

.SPI方式

SPI總線方式是摩托羅拉公司推出的，實(shí)現(xiàn)了同步三線方式接口通信，該三線分別掌握不同的輸入輸出功能，其中包含時(shí)鐘傳輸線（SCK），數(shù)據(jù)流輸入線（MOSI），數(shù)據(jù)流輸出線（MISO）；這些傳輸線是CPU與各種外圍設(shè)備溝通的橋梁。SPI在其應(yīng)用過程中主要有如下特點(diǎn)：（1）同步發(fā)射與接收串行數(shù)據(jù)；（2）可通過頻率來對(duì)時(shí)鐘進(jìn)行程序編制；（3）可用于主機(jī)或者工作機(jī)使用；（4）擁有中斷結(jié)束標(biāo)志；（5）擁有矛盾沖突保護(hù)功能；（6）具備總線競(jìng)爭(zhēng)保護(hù)功能。

.IZC方式

是一個(gè)多主機(jī)的總線，具備多主機(jī)系統(tǒng)所需的包括總線裁決和高低速器件同步功能的高性能串行總線。

IZC總線利用兩根雙向信號(hào)線，數(shù)據(jù)線SDA和時(shí)鐘線SCL在連接到總線的器件間通信。每個(gè)I2C總線器件都有唯一的地址識(shí)別。

.DART串口方式

串口通信技術(shù)概念通俗易懂，其串口發(fā)送與接收字節(jié)是按位進(jìn)行。盡管串口通信按字節(jié)進(jìn)行并行發(fā)送速度較慢，但其串口可以實(shí)現(xiàn)在同一根線進(jìn)行輸入、輸出數(shù)據(jù)的傳輸，串口通信接口的輸入輸出數(shù)據(jù)的傳輸使用方便，其串口都有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。串口在應(yīng)用過程中，串口實(shí)際就是對(duì)應(yīng)的物理變量地址，對(duì)串口進(jìn)行操作就是對(duì)物理地址進(jìn)行操作，因此串口方式的通信編程方式較為簡(jiǎn)單。本文所需的兩個(gè)平臺(tái)都有對(duì)應(yīng)的串口集成，為了便于連接，這里選用的通信方式就是串行接口通信。

在該部分內(nèi)容中，除處理器外還包含一些存儲(chǔ)設(shè)備，而本文主要闡述了智能交通燈的主要控制原理，因此在這里就具體展開介紹了。

2.2、攝像頭模塊

攝像頭根據(jù)感光元器件的差異，可分為兩類：CCD與CMOS，兩者在其應(yīng)用過程中根據(jù)自身特點(diǎn)各有利弊。通常認(rèn)為CMOS在應(yīng)用過程中功耗比較低，而CCD則成像效果較好。因此，交通監(jiān)控的攝像裝置通常采用CCD攝像頭。目前，隨著互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的發(fā)展，市面上攝像裝置多數(shù)都自帶WIFI功能，這對(duì)交通網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控系統(tǒng)提供了一個(gè)研發(fā)方向，在實(shí)際應(yīng)用中自帶WIFI功能的攝像頭避免了布線的繁瑣，極大地提高了應(yīng)用效率。

2.3、無線模塊

系統(tǒng)在設(shè)計(jì)及應(yīng)用過程中，為了避免突發(fā)情況的發(fā)生，都應(yīng)設(shè)置故障報(bào)警功能。在交通系統(tǒng)中，路口交通裝置發(fā)生故障，同時(shí)工作人員無法知曉的情況下，其交通就會(huì)陷入混亂，輕則交通堵塞重則釀成交通事故，因此報(bào)警系統(tǒng)不僅有而且需具備時(shí)效性。在實(shí)際系統(tǒng)管理工作中，管理人員通常處于遠(yuǎn)離實(shí)際交通信號(hào)源的監(jiān)控室內(nèi)，而為了能實(shí)時(shí)監(jiān)控路口交通燈情況，這里就要用到一些無線傳輸方式。表1就是應(yīng)用較多的幾種無線傳輸方式。

表1 常用無線傳輸方式對(duì)比

從表1中可以看出，一些無線傳輸方式的傳輸距離較短，如藍(lán)牙、Wifi和Zigbee。本文所需的無線傳輸需要大距離大范圍的傳輸方式，如3G網(wǎng)絡(luò)和GPRS。

3G網(wǎng)絡(luò)，傳輸量大、速度快，信號(hào)有時(shí)不穩(wěn)定；GPRS傳輸范圍廣、成本低且信號(hào)穩(wěn)定，號(hào)稱“永遠(yuǎn)在線，永遠(yuǎn)連通”的技術(shù)。智能交通燈的遠(yuǎn)程信號(hào)傳輸對(duì)速度要求沒有那么高，再綜合性價(jià)比考慮，這里選用GPRS的無線傳輸方式進(jìn)行故障報(bào)警。

2.4、電源模塊

電源是整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)力源，對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行過程處于至關(guān)重要的作用，系統(tǒng)中不同模塊對(duì)供電需求也各不相同。交通燈電壓在12-24V，攝像頭電壓在12V，核心模塊電路板S3C2410標(biāo)準(zhǔn)電壓在3.3V。因此，電源模塊設(shè)計(jì)需根據(jù)系統(tǒng)整理電量要求進(jìn)行總體設(shè)計(jì)。

本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)，其電源模塊還特別加了應(yīng)急電源部分，通過應(yīng)急電源電池可在系統(tǒng)發(fā)生斷電時(shí)給監(jiān)控中心發(fā)出報(bào)警。

3、系統(tǒng)軟件組成

系統(tǒng)軟件組成分為四個(gè)主要模塊：

3.1、操作系統(tǒng)--Linux

Linux是屬于源代碼操作系統(tǒng)，不存在黑箱技術(shù)；特點(diǎn)是內(nèi)核小，運(yùn)行、更新快；具有穩(wěn)定性好、移植能力強(qiáng)、網(wǎng)絡(luò)功能強(qiáng)大、兼容性好等特點(diǎn)。它是免費(fèi)的IOS，在市場(chǎng)極具競(jìng)爭(zhēng)性。這里選用的操作系統(tǒng)就是Linux系統(tǒng)。

3.2、路口車輛等待情況監(jiān)測(cè)模塊

該模塊是通過分析攝像頭的圖片來反饋路口車輛的通行狀態(tài)，根據(jù)圖片中反映出的車輛路口等待情況，并利用智能控制模塊來實(shí)現(xiàn)交通路口交通燈的智能控制。

3.3、智能交通燈的控制模塊

該模塊主要是根據(jù)路口交通燈車輛通行狀況的圖片來獲取路口各方向車輛的等待情況，并根據(jù)具體獲取的信息來選擇交通燈的延遲方案，并將最終方案反饋給路口車輛等待情況監(jiān)測(cè)模塊。

3.4、緊急故障報(bào)警處理模塊

該模塊主要功能是檢測(cè)反饋系統(tǒng)故障，系統(tǒng)在工作過程中一旦出現(xiàn)問題，該模塊會(huì)通過GPRS定位到故障源并及時(shí)將故障信息反饋到實(shí)時(shí)監(jiān)控中心，監(jiān)控中心得到信息后會(huì)立即通知相關(guān)管理人員作相應(yīng)處理。如果在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，電源出現(xiàn)突然斷電的情況，則緊急應(yīng)急電源會(huì)立刻啟動(dòng)進(jìn)行臨時(shí)性供電，以完成系統(tǒng)故障報(bào)警。

4、結(jié)束語

本文主要介紹了系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)。首先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了需求分析和可行性分析，針對(duì)需求對(duì)系統(tǒng)軟硬件進(jìn)行整體設(shè)計(jì)。在本文，硬件部分只對(duì)其架構(gòu)提出整體設(shè)計(jì)，這里不做詳細(xì)介紹。