1 引言
為了緩解交通壓力，降低修路資金投入，減少車輛延誤，節(jié)能減排，設(shè)計智能交通控制是建設(shè)資源節(jié)約型社會的必然選擇。本文設(shè)計了一種基于RFID的智能交通控制，采用RFID 技術(shù)檢測交叉路口附近的車輛，智能交通控制信號機根據(jù)采集到的車輛信息，選擇合適的路口控制模式自適應(yīng)地控制車輛通行時間，從而保證車輛通行質(zhì)量。
2 路口控制模式
傳統(tǒng)的路口控制模式是定時控制，路*通信號燈的延時時間是固定的，不能根據(jù)車輛的流量自適應(yīng)地動態(tài)調(diào)節(jié)延時時間，從而造成車輛延誤時間長及不必要的擁塞等情況。先進(jìn)的路口控制模式有模糊控制、綠波帶模式、夜間模式和急停模式。模糊控制模式根據(jù)隨機的車輛流量智能完成模糊增減交通信號控制時間。綠波帶模式在單向車輛高峰期時將各個路口間紅綠燈起始點亮?xí)r間延宕一定量來保證車輛一路暢行。夜間控制模式在夜晚車輛流量為零負(fù)荷的狀態(tài)使用，僅使用黃燈警示開車司機，減少能源和時間的消耗。急停模式為緊急車輛開辟通行空間，在緊急車輛方向開啟綠燈，別的方向開啟紅燈。本設(shè)計提出在不同的時段采用不同的控制模式，在9： 00- 11： 30，14： 30- 17： 30和20： 30- 24： 00時段采用模糊控制模式； 在5： 30- 9： 00，11： 30- 14： 30和17： 30- 20： 30時段采用綠波帶模式； 在0： 00- 5： 30時段采用夜間控制模式； 在檢測到緊急車輛時采用急停控制模式。選擇多種控制模式可以實現(xiàn)交通控制的合理化，從實際上緩解交通路口的壓力。具體的時段設(shè)置可以根據(jù)具體的區(qū)域或車輛流量由信號機重設(shè)或修改。
3 智能交通控制設(shè)計
3. 1 智能交通控制信號機設(shè)
3 .1 .1 信號機硬件設(shè)計：
國內(nèi)信號機主要分為2類： 一類采用8 /16位單片機作為處理器，功能簡單、方案單一，難以實現(xiàn)區(qū)域交通協(xié)調(diào)控制，不能適應(yīng)現(xiàn)代化交通控制的要求； 另一類是基于工控機或PC104，功能雖然強大，但由于工控機和PC104都是按通用計算機標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，并非專門針對信號機應(yīng)用設(shè)計，硬件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高。國外的信號機（如西門子公司的2070和美國的EAGLE ）起步早，水平高，但不適用于中國混合交通模式，且價格昂貴，操作不方便。本文選擇基于ARM 核的32位嵌入式R ISC 處理器S3C44B0X進(jìn)行智能交通信號機硬件設(shè)計，以達(dá)到采集與處理交通流數(shù)據(jù)、通信聯(lián)網(wǎng)以及區(qū)域協(xié)調(diào)控制的設(shè)計目的，信號機硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 信號機硬件結(jié)構(gòu)
信號機需要存放引導(dǎo)程序、操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序等數(shù)據(jù)，系統(tǒng)啟動后操作系統(tǒng)和程序運行需要更大的空間，因此設(shè)計外存儲單元以擴展存儲空間，存儲器模塊包括8MB的SDRAM、2MB的NorFlash和16MB的N andFlash。存儲器用來存儲時段、相位等其他參數(shù)。信號機要采集車輛流量信息，車輛流量檢測模塊由射頻標(biāo)簽、天線和射頻讀寫器組成。設(shè)計中射頻標(biāo)簽為TG200，射頻讀寫器為FR200。S3C44B0x沒有集成網(wǎng)絡(luò)控制器，故選用NE2000兼容的以太網(wǎng)控制器芯片RTL8019來擴展以太網(wǎng)。液晶顯示與鍵盤模塊用來手動設(shè)置或者修改交通信號機的控制參數(shù)。通過ZLG7290B擴展一個4 4的鍵盤矩陣，ZLG7290B 通過IIC串行總線與處理器進(jìn)行連接； S3C44B0X內(nèi)置LCD驅(qū)動控制器，能夠自動產(chǎn)生LCD 驅(qū)動控制所需的控制信號，因此S3C44B0X可以與LCD直接連接，而不需要另外加LCD控制器。系統(tǒng)還設(shè)計了電源模塊、RTC （實時時鐘）模塊等。設(shè)計的信號機具有控制參數(shù)輸入、保存、控制狀態(tài)輸出、燈態(tài)輸出控制、交通參數(shù)實時檢測與存儲、配時方案存儲、倒計時牌控制、以太網(wǎng)及與手持終端通訊等功能。
3 .1 .2 信號機軟件設(shè)計
信號機利用中斷方式接收交通參數(shù)和發(fā)布控制指令。現(xiàn)代智能信號機需要同時執(zhí)行信號燈色狀態(tài)、相位與倒計時控制、配時優(yōu)化、通訊和車流量檢測等多個任務(wù)。為了解決多任務(wù)同時運行所帶來的程序結(jié)構(gòu)混亂、功能受限、效率低下等問題，引入嵌入式操作系統(tǒng)uC linux 以支持多種文件系統(tǒng)、模塊化設(shè)計和基于計算機網(wǎng)絡(luò)的通信。uC linux內(nèi)核可以完成進(jìn)程管理、內(nèi)存管理、文件系統(tǒng)、設(shè)備控制和網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)等功能，內(nèi)核采用模塊化設(shè)計，許多功能塊可以獨立地增加或刪除，當(dāng)重新編譯內(nèi)核時，選擇嵌入式設(shè)備所需要的功能模塊，刪除冗余的功能模塊。通過重新配置內(nèi)核，可以減小系統(tǒng)運行所需要的內(nèi)核，縮減資源使用量，從而顯著減少系統(tǒng)運行所需的硬件資源。
信號機軟件由系統(tǒng)監(jiān)控、車流量采集、路口控制模式選擇、配時、鍵盤掃描與液晶顯示模塊構(gòu)成。基于uC linux的信號機軟件結(jié)構(gòu)如圖2所示。
圖2 信號機軟件結(jié)構(gòu)
1 引言
為了緩解交通壓力，降低修路資金投入，減少車輛延誤，節(jié)能減排，設(shè)計智能交通控制是建設(shè)資源節(jié)約型社會的必然選擇。本文設(shè)計了一種基于RFID的智能交通控制，采用RFID 技術(shù)檢測交叉路口附近的車輛，智能交通控制信號機根據(jù)采集到的車輛信息，選擇合適的路口控制模式自適應(yīng)地控制車輛通行時間，從而保證車輛通行質(zhì)量。
2 路口控制模式
傳統(tǒng)的路口控制模式是定時控制，路*通信號燈的延時時間是固定的，不能根據(jù)車輛的流量自適應(yīng)地動態(tài)調(diào)節(jié)延時時間，從而造成車輛延誤時間長及不必要的擁塞等情況。先進(jìn)的路口控制模式有模糊控制、綠波帶模式、夜間模式和急停模式。模糊控制模式根據(jù)隨機的車輛流量智能完成模糊增減交通信號控制時間。綠波帶模式在單向車輛高峰期時將各個路口間紅綠燈起始點亮?xí)r間延宕一定量來保證車輛一路暢行。夜間控制模式在夜晚車輛流量為零負(fù)荷的狀態(tài)使用，僅使用黃燈警示開車司機，減少能源和時間的消耗。急停模式為緊急車輛開辟通行空間，在緊急車輛方向開啟綠燈，別的方向開啟紅燈。本設(shè)計提出在不同的時段采用不同的控制模式，在9： 00- 11： 30，14： 30- 17： 30和20： 30- 24： 00時段采用模糊控制模式； 在5： 30- 9： 00，11： 30- 14： 30和17： 30- 20： 30時段采用綠波帶模式； 在0： 00- 5： 30時段采用夜間控制模式； 在檢測到緊急車輛時采用急停控制模式。選擇多種控制模式可以實現(xiàn)交通控制的合理化，從實際上緩解交通路口的壓力。具體的時段設(shè)置可以根據(jù)具體的區(qū)域或車輛流量由信號機重設(shè)或修改。
3 智能交通控制設(shè)計
3. 1 智能交通控制信號機設(shè)
3 .1 .1 信號機硬件設(shè)計：
國內(nèi)信號機主要分為2類： 一類采用8 /16位單片機作為處理器，功能簡單、方案單一，難以實現(xiàn)區(qū)域交通協(xié)調(diào)控制，不能適應(yīng)現(xiàn)代化交通控制的要求； 另一類是基于工控機或PC104，功能雖然強大，但由于工控機和PC104都是按通用計算機標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，并非專門針對信號機應(yīng)用設(shè)計，硬件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高。國外的信號機（如西門子公司的2070和美國的EAGLE ）起步早，水平高，但不適用于中國混合交通模式，且價格昂貴，操作不方便。本文選擇基于ARM 核的32位嵌入式R ISC 處理器S3C44B0X進(jìn)行智能交通信號機硬件設(shè)計，以達(dá)到采集與處理交通流數(shù)據(jù)、通信聯(lián)網(wǎng)以及區(qū)域協(xié)調(diào)控制的設(shè)計目的，信號機硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 信號機硬件結(jié)構(gòu)
信號機需要存放引導(dǎo)程序、操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序等數(shù)據(jù)，系統(tǒng)啟動后操作系統(tǒng)和程序運行需要更大的空間，因此設(shè)計外存儲單元以擴展存儲空間，存儲器模塊包括8MB的SDRAM、2MB的NorFlash和16MB的N andFlash。存儲器用來存儲時段、相位等其他參數(shù)。信號機要采集車輛流量信息，車輛流量檢測模塊由射頻標(biāo)簽、天線和射頻讀寫器組成。設(shè)計中射頻標(biāo)簽為TG200，射頻讀寫器為FR200。S3C44B0x沒有集成網(wǎng)絡(luò)控制器，故選用NE2000兼容的以太網(wǎng)控制器芯片RTL8019來擴展以太網(wǎng)。液晶顯示與鍵盤模塊用來手動設(shè)置或者修改交通信號機的控制參數(shù)。通過ZLG7290B擴展一個4 4的鍵盤矩陣，ZLG7290B 通過IIC串行總線與處理器進(jìn)行連接； S3C44B0X內(nèi)置LCD驅(qū)動控制器，能夠自動產(chǎn)生LCD 驅(qū)動控制所需的控制信號，因此S3C44B0X可以與LCD直接連接，而不需要另外加LCD控制器。系統(tǒng)還設(shè)計了電源模塊、RTC （實時時鐘）模塊等。設(shè)計的信號機具有控制參數(shù)輸入、保存、控制狀態(tài)輸出、燈態(tài)輸出控制、交通參數(shù)實時檢測與存儲、配時方案存儲、倒計時牌控制、以太網(wǎng)及與手持終端通訊等功能。
3 .1 .2 信號機軟件設(shè)計
信號機利用中斷方式接收交通參數(shù)和發(fā)布控制指令。現(xiàn)代智能信號機需要同時執(zhí)行信號燈色狀態(tài)、相位與倒計時控制、配時優(yōu)化、通訊和車流量檢測等多個任務(wù)。為了解決多任務(wù)同時運行所帶來的程序結(jié)構(gòu)混亂、功能受限、效率低下等問題，引入嵌入式操作系統(tǒng)uC linux 以支持多種文件系統(tǒng)、模塊化設(shè)計和基于計算機網(wǎng)絡(luò)的通信。uC linux內(nèi)核可以完成進(jìn)程管理、內(nèi)存管理、文件系統(tǒng)、設(shè)備控制和網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)等功能，內(nèi)核采用模塊化設(shè)計，許多功能塊可以獨立地增加或刪除，當(dāng)重新編譯內(nèi)核時，選擇嵌入式設(shè)備所需要的功能模塊，刪除冗余的功能模塊。通過重新配置內(nèi)核，可以減小系統(tǒng)運行所需要的內(nèi)核，縮減資源使用量，從而顯著減少系統(tǒng)運行所需的硬件資源。
信號機軟件由系統(tǒng)監(jiān)控、車流量采集、路口控制模式選擇、配時、鍵盤掃描與液晶顯示模塊構(gòu)成。基于uC linux的信號機軟件結(jié)構(gòu)如圖2所示。
圖2 信號機軟件結(jié)構(gòu)
3 .2 基于RFID技術(shù)的車輛檢測
3 .2 .1基于RFID 的車輛檢測方案
射頻識別（ Radio Frequency Ident ification） 技術(shù)是一種非接觸的自動識別技術(shù)，它利用射頻信號和空間耦合（電感和電磁耦合）傳輸特性，在讀卡器和射頻卡之間進(jìn)行無線雙向通信，實現(xiàn)對被識別物體的自動識別［ 8］ 。最基本的RF ID系統(tǒng)由讀寫器、天線、電子標(biāo)簽三部分組成。RFID 采用存儲在電子標(biāo)簽中的唯一的ID標(biāo)識物體，讀寫器自動高速地收集識別范圍內(nèi)的標(biāo)簽信息數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)自動識別物品和收集物品標(biāo)志信息的功能。因此，RFID技術(shù)對任何移動對象都可以進(jìn)行實時的定位、跟蹤和監(jiān)測。
在智能交通控制過程中，信號機要根據(jù)實時采集的車輛信息來選擇路口控制模式，本設(shè)計基于RF ID 技術(shù)進(jìn)行車輛檢測。這種方案無須對現(xiàn)有紅綠燈設(shè)備進(jìn)行拆卸，只需對車輛粘貼相應(yīng)的電子標(biāo)簽，在原有紅綠燈基礎(chǔ)上安裝RFID 讀寫設(shè)備及調(diào)整信號燈控制器軟件。在車輛前擋風(fēng)玻璃上粘貼RFID 標(biāo)簽，在交叉路口四個方向的紅綠燈前50米- 70米安裝RFID 讀寫器，讀寫器斜對馬路（擴大接收范圍） ，檢測交叉路口附近的車輛流量，根據(jù)采集的車輛數(shù)據(jù)，選擇合適的控制模式并調(diào)節(jié)信號燈。當(dāng)某個相位的車輛流量比其他相位大且該相位綠燈亮?xí)r，則適當(dāng)?shù)匮娱L該相位的綠燈周期（綠燈周期不超過最大綠燈周期） ，保證車輛有充裕的時間通過路口； 如果該相位紅燈亮，則適當(dāng)?shù)乜s短紅燈周期（紅燈周期不小于最小紅燈周期） ，減少車輛等候時間，盡可能減少車輛在交叉口的延誤的時間。
由于城市道路情況復(fù)雜，很容易對標(biāo)簽卡的微波信號進(jìn)行反射衍射，為防止同一RFID 卡號被多個讀卡器讀取到，從而導(dǎo)致車輛檢測錯誤，通過軟件進(jìn)行設(shè)定，一旦讀到RFID 卡信號，則后續(xù)讀卡器在規(guī)定時間內(nèi)（如30秒）對此RFID卡號進(jìn)行屏蔽，這樣可以避免同一ID 號被一條馬路上兩臺讀卡器讀到后對信息的誤判。
將每輛車的RFID 卡的ID號作為關(guān)鍵字段建立數(shù)據(jù)庫。將車輛的ID 號與車牌號關(guān)聯(lián)可以建立車輛有關(guān)參數(shù)數(shù)據(jù)庫，主要包括車型、發(fā)動機號、底盤號、出廠日期、年審時限、養(yǎng)路費交納時限以及違章記錄等； 通過車牌號與車主的對應(yīng)關(guān)系，可以建立車主有關(guān)信息數(shù)據(jù)庫，主要包括姓名、年齡、性別、單位、戶籍以及聯(lián)系電話（包括固定電話和移動電話）等。在確立了基本參數(shù)庫后，針對車輛的一些運行情況，還設(shè)置了一些記錄車輛違章時間及地點等參數(shù)的字段； 在數(shù)據(jù)庫中還建立一些圖形文件庫，可以記錄車輛照片、車主照片以及車輛違章照片。數(shù)據(jù)庫中還建立車輛的優(yōu)先權(quán)限，公交車輛設(shè)置為普通優(yōu)先，特殊車輛（如消防車，急救車，警車）設(shè)置為絕對優(yōu)先。一旦檢測到特殊車輛的標(biāo)簽信號，則采用急停控制模式，絕對綠燈，保證特殊車輛順暢通行。
3 .2 .2 基于RFID 的車輛檢測實現(xiàn)
本設(shè)計采用有源標(biāo)簽TG200來標(biāo)識車輛，F(xiàn)R200多功能RFID 讀寫器來讀取RFID 卡信息，TG200 和FR200的工作頻率為433MH z，最大識別距離為150米，通信速率為250Kbps，具有投入成本低、可靠性高，安全性高、維護(hù)簡便、安裝實施簡單等優(yōu)點。RFID 讀寫器通過RS232接口與S3C44B0x 處理器連接，處理器負(fù)責(zé)完成PC 和FR200讀寫器之間數(shù)據(jù)的傳送和控制。
RFID 數(shù)據(jù)采集模塊包括： 天線、RF發(fā)送電路及RF接收電路、解調(diào)電路、電源、外部通信接口等，其外部通信接口最終輸出正確的RFID 卡ID 信息。RFID 數(shù)據(jù)采集與處理流程圖如圖3 所示。車輛檔案數(shù)據(jù)（如車號、單位、優(yōu)先權(quán)限等）統(tǒng)一存儲在一個file tx t的文件中，作為數(shù)據(jù)識別進(jìn)程的數(shù)據(jù)依據(jù)，判斷電子標(biāo)簽ID信息是否合法。如果判斷電子標(biāo)簽ID 信息為NULL，則進(jìn)行報警提示等處理； 如果判斷電子標(biāo)簽ID 信息為特殊車輛數(shù)據(jù)，則進(jìn)行優(yōu)先控制、數(shù)據(jù)保存等。RFID 信息、采集時間、地點等數(shù)據(jù)按格式保存在一個* tx t文件中。最后，服務(wù)器通過以太網(wǎng)與路口控制終端設(shè)備建立TCP / IP連接，路口控制終端設(shè)備將保存的文件上傳至服務(wù)器供管理系統(tǒng)處理。上傳成功的文件將從本地F lash中刪除，本地Flash由于容量有限，采用輪循存儲的辦法，保存的數(shù)據(jù)超出50MB 后，將從存儲范圍的開始處往后覆蓋原來的文件。
圖3 RFID數(shù)據(jù)采集與處理流程圖
4 結(jié)束語
本文提出了一種基于RFID 的智能交通控制設(shè)計，在不同的時段采用不同的路口控制模式，基于S3C44B0X處理器和uC linux操作系統(tǒng)開發(fā)智能交通控制信號機，采用有源標(biāo)簽TG200來標(biāo)識車輛，在原有紅綠燈基礎(chǔ)上安裝FR200多功能RFID讀寫器來讀取RFID卡信息，由路口控制終端對RFID讀寫器采集到的RFID數(shù)據(jù)進(jìn)行處理來實現(xiàn)車輛智能控制功能。