摘?要:?針對傳統(tǒng)城市交通控制" title="交通控制">交通控制采用有線方式進行數據通信" title="數據通信">數據通信的缺點，提出基于GPRS網絡的城市交通控制數據通信系統(tǒng)。介紹了系統(tǒng)的工作原理，設計了具有GPRS功能的智能交通信號機" title="交通信號機">交通信號機，并給出了信號機應用軟件和通信服務器" title="通信服務器">通信服務器軟件的實現流程。
關鍵詞:GPRS? ARM? 城市交通控制? 智能交通信號機? 數據通信
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??? 數據通信系統(tǒng)是城市交通控制系統(tǒng)的重要組成部分之一，它通過數據采集、傳輸和管理技術，使監(jiān)控中心能夠準確地獲取路網各個路口的交通流量和交通信號機的運行狀態(tài)，從而為保證路網的控制效果創(chuàng)造條件。因此，如何能夠快速、準確、實時地將各個路口的交通流數據和交通信號機運行狀態(tài)上傳給監(jiān)控中心以及由監(jiān)控中心下傳控制指令給信號機就成了整個控制系統(tǒng)高效運行的重要環(huán)節(jié)。目前我國現有的城市交通控制系統(tǒng)網絡主要采用電話或專用電纜等有線方式[1]進行數據通信，已不能滿足智能交通系統(tǒng)ITS[2]及各種智能車載移動終端數據通信的實時性和移動性要求。通用分組無線業(yè)務GPRS (General Packet Radio Service)作為一種高速、高效、經濟的無線系統(tǒng)，具有網絡覆蓋范圍廣、接入迅速、按流量計費、實時在線、沒有任何布線的優(yōu)點[3]，特別適用于間斷的、突發(fā)性的或頻繁的、少量的數據傳輸，也適合短時的突發(fā)大數據量通信，完全滿足分布式的城市交通實時、多點交通信號機數據采集及監(jiān)控的雙向數據通信需求。本文采用32位ARM7TDMI核ARM微處理器S3C44BOX及GPRS模塊GR47，設計了具有GPRS功能的智能交通信號機，實現了基于GRPS網絡的城市交通控制數據通信系統(tǒng)，基本上克服了傳統(tǒng)有線通信方式所造成的造價高、覆蓋范圍小、擴展性差等缺點。
1 系統(tǒng)組成及工作原理
基于GPRS網絡的城市交通控制數據傳輸系統(tǒng)是一個分布式、集散型、網絡化、全開放的監(jiān)控系統(tǒng)，由監(jiān)控中心、GPRS/Internet通信網絡以及具有GPRS功能的路口智能交通信號機組成，如圖1所示。
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整個系統(tǒng)運行于客戶/服務器模式，監(jiān)控中心內部通過以太網將通信服務器、數據庫服務器及監(jiān)控工作站等設備互連。監(jiān)控中心在軟件系統(tǒng)的控制下，實時接收處理來自各路口智能交通信號機的交通量信息、當前工作狀態(tài)以及信號配時方案等各種數據[4]，在監(jiān)控中心的LED多媒體顯示屏及中心監(jiān)控終端上顯示信號機位置、運行狀態(tài)及相關信息。同時，監(jiān)控中心的通信服務器也可以向各路口信號機下傳各種控制指令和優(yōu)化的信號配時參數，實現對整個分布式智能交通信號機狀態(tài)的監(jiān)視和控制。通信服務器可以由已接入Internet的計算機擔當，完成TCP/UDP鏈路建立、維護、數據接收、存儲以及圖像的監(jiān)控等。
路口交通信號機為全自動智能設備，可以通過短信、數據有無檢測、響鈴、預設時間等多種方式啟動GPRS撥號程序接入Internet，主動與監(jiān)控中心的通信服務器建立TCP或UDP連接，并向通信服務器傳輸數據或圖像，實現城市交通信號的數據傳輸。
2 智能交通信號機的硬件構成
具有GPRS功能的智能交通信號機主要由ARM微處理器模塊、GRPS無線通信模塊、存儲模塊、電源晶振模塊、交通信號機以及JTAG調試接口等模塊組成，其結構框圖如圖2所示。
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2.1 ARM微處理器模塊
ARM微處理器模塊是智能交通信號機的控制核心，負責交通信號機的數據采集、存儲處理數據、GPRS通信等工作。根據智能交通信號機低功耗的要求，選用三星公司的S3C44BOX[5]。它是一款基于ARM7TDMI內核精簡指令系統(tǒng)的32位高速處理器，工作在66MHz，支持Thumb(16位)/ARM(32位)雙指令集，能很好地兼容8位/16位器件，具有性價比高、功耗低、體積小、可靠性高等特點。S3C44BOX提供了對兩個串口Uart0和Uartl的直接支持。在本系統(tǒng)中，一個串口用于與GR47模塊通信，同時在調試應用程序時需要另一個串口與PC機相連，以保證程序正常運行。
2.2 GPRS無線通信模塊
GPRS無線通信模塊是整個系統(tǒng)的通信基礎，采用Sony-Ericsson公司的可編程無線通信模塊GR47[6]，它提供RS232口，可以用AT指令進行控制。GR47具有GPRS和SMS兩種無線數據傳輸通道，可以快速、安全、可靠地實現數據傳輸、語音傳輸、短消息服務，可以工作在900MHz和1800MHz兩個頻段。在GPRS網絡狀態(tài)良好的情況下，優(yōu)先通過GPRS通信方式將智能交通信號機所在位置、交通流以及運行狀態(tài)等信息傳輸到監(jiān)控中心并接收來自監(jiān)控中心的指令。與此同時，GR47不斷輪回檢查GPRS網絡狀態(tài)，當出現網絡擁塞、GPRS未覆蓋或者中心工作人員誤操作導致TCP/IP" title="TCP/IP">TCP/IP連接斷開時，會立刻切換到SMS方式直至TCP/IP重新連接上。
2.3 存儲模塊
FLASH存儲器存放系統(tǒng)啟動代碼、嵌入式操作系統(tǒng)、文件系統(tǒng)、應用程序的代碼或其他在系統(tǒng)掉電后需要保護的用戶數據等。選用SST公司16位數據帶寬的SST39VF160，它具有2MB的存儲容量，工作電壓為2.7V～3.6V，其地址線A0～A20分別與S3C44BOX的地址線ADDR1～ADDR2相連。SDRAM存儲器是系統(tǒng)運行時的主要區(qū)域，系統(tǒng)及用戶數據、堆棧均位于SDRAM存儲器中，其存儲速度大大高于FLASH存儲器，且具有讀/寫的屬性。
2.4 電源、晶振模塊
電源電路由3塊DC-DC轉換器(9V～5V,5V～3.3V,5V～2.5V)組成，分別給外圍電路、CPU的I/O和S3C44BOX內核供電。10MHz晶振為系統(tǒng)提供工作時鐘，通過片內PLL電路倍頻為66MHz作為微處理器的工作時鐘。
2.5 交通信號機
交通信號機是交通控制系統(tǒng)的重要組成部分。它在ARM微處理器S3C44BOX的協(xié)調下執(zhí)行監(jiān)控中心下傳的控制指令如關燈、閃光、全紅、手動步進等，也可以在無中心控制的條件下進行信號機單點自主時段控制。信號機運行時可連續(xù)、準確地采集大量現場交通數據，并將現場數據實時地傳輸到監(jiān)控中心，監(jiān)控中心通過對交通數據的采集、存儲和處理，不僅可以直接用于交通控制，還可以為交通指揮調度和城市交通規(guī)劃提供準確科學的量化依據。智能交通信號機采用芯片16C550實現數據的串/并擴展，其8根數據線D0～D7連接到微處理器S3C44BOX對應的D0～D7，交通信號機通過MAX232標準串口與微處理器實現雙向高速數據交換。
3 軟件實現
3.1 智能交通信號機應用軟件設計
智能交通信號機應用軟件主要由主程序和GR47無線通信等功能模塊組成。主程序主要完成系統(tǒng)初始化(包括定時器初始化、串口初始化、端口初始化等)、交通信號機數據的讀取以及與GR47無線通信等。GR47無線通信模塊主要完成通信模塊初始化、分組數據協(xié)議PDP(Packet Data Protocol)的上下文激活、TCP/IP建立連接、GPRS數據讀取/發(fā)送、SMS讀取/發(fā)送、GRPS網絡狀態(tài)檢測等處理。在應用軟件的開發(fā)過程中，采用C語言和匯編語言混合編程，選用ARM ADS(ARM Developer Suite)集成開發(fā)工具。源程序在PC機通過編輯、交叉編譯、交叉鏈接生成ELF格式的目標映像后，最后通過JTAG接口將目標映像下載到目標開發(fā)板上的FLASH中。軟件流程如圖3所示。
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GPRS數據傳輸是GR47模塊的核心功能，在通過GPRS網絡進行TCP/IP連接之前，先要在GR47模塊內部建立一個數據帳戶，指出正確的接入服務商APN名稱。智能交通信號機利用固化在FLASH存儲器中的GRPS通信服務器IP地址訪問監(jiān)控中心的通信服務器，可通過AT+CGDCONT指令實現，例如：AT+CGDCONT=1，“IP”，“CMNET”。
3.2 GPRS通信服務器軟件設計
監(jiān)控中心通信服務器的主要功能在于實現智能交通信號機和監(jiān)控中心(數據庫服務器以及監(jiān)控工作站)之間的通信。通信服務器為監(jiān)控中心提供內部以太網的接口并監(jiān)控網絡的通信狀況，支持TCP/IP協(xié)議和PPP協(xié)議。通信服務器軟件采用WinSocket編程，主要創(chuàng)建三種Socket類，即監(jiān)聽Socket(CListenSocket)、數據接收與處理Socket類(CServerSocket)和局域網內通信Socket類(CUDPSocket)。CListSocket定時監(jiān)聽相應的端口，接收智能交通信號機的連接請求，創(chuàng)建一個Socket線程并完成TCP鏈路的建立與維護，配合ADO數據庫技術實現數據接收、存儲及監(jiān)控等功能，然后把原始套接字放回監(jiān)聽狀態(tài)繼續(xù)監(jiān)聽。對于每一個智能交通信號機，都需要有一個接收線程來處理數據的接收。因此，需要在內存中建立一個動態(tài)表，以維護數據接收線程句柄和智能交通信號機之間的對應關系。產生的新線程中包含CServerSocket，負責數據接收、處理和發(fā)送工作。整個通信服務器軟件結構如圖4所示。
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通過在實驗車輛上安裝該智能交通信號機，實現GPRS網絡與通信服務器的實時通信與控制，本系統(tǒng)運行穩(wěn)定，系統(tǒng)響應時間
2s。本系統(tǒng)采用GPRS無線接入方式，設計了智能交通信號機，實現了城市交通控制數據通信，解決了傳統(tǒng)的有線通信方式在網絡覆蓋范圍、擴展性、實時性和可靠性等方面的問題，降低了運營成本，會有廣泛的市場應用前景。
參考文獻
[1] 楊佩昆,吳兵.交通管理與控制(第二版)[M]. 北京: 人民交通出版社, 2003.
[2] ?岳航,楊榮杰. 智能交通系統(tǒng)的發(fā)展及其共用信息平臺的建設[J]. 武漢理工大學學報(交通科學與工程版),
?2005,29(4):560-563.
[3] ?鐘子果,楊品露,胡愛群. 基于GPRS移動通信網絡數據傳輸系統(tǒng)的研究與實現[J].移動通信,2005,29(4):82-86.
[4] ?陳小鋒,史忠科,趙凱. 基于PSTN網的交通控制系統(tǒng)數據通信方案設計及實現[J]. 計算機工程與應用, 2003,
?39(29):218-221.
[5] ?陳猛，趙繼敏.ARM CPU S3C440BOX與C54X DSP的接口設計[J]. 電子技術應用, 2003,29(3):15-17.
[6] ?王松宏,李德化.基于GPRS的車輛監(jiān)控系統(tǒng)車載移動終端的設計[J].計算機應用研究,2005,22(6):184-186.