基于GPRS的城市交通控制数据通信系统研究
2008-01-24
作者：武奇生1, 王秋才1, 席筱利2
摘 要:针对传统城市交通控制" title="交通控制">交通控制采用有线方式进行数据通信" title="数据通信">数据通信的缺点，提出基于GPRS网络的城市交通控制数据通信系统。介绍了系统的工作原理，设计了具有GPRS功能的智能交通信号机" title="交通信号机">交通信号机，并给出了信号机应用软件和通信服务器" title="通信服务器">通信服务器软件的实现流程。
关键词:GPRS ARM 城市交通控制 智能交通信号机 数据通信
数据通信系统是城市交通控制系统的重要组成部分之一，它通过数据采集、传输和管理技术，使监控中心能够准确地获取路网各个路口的交通流量和交通信号机的运行状态，从而为保证路网的控制效果创造条件。因此，如何能够快速、准确、实时地将各个路口的交通流数据和交通信号机运行状态上传给监控中心以及由监控中心下传控制指令给信号机就成了整个控制系统高效运行的重要环节。目前我国现有的城市交通控制系统网络主要采用电话或专用电缆等有线方式[1]进行数据通信，已不能满足智能交通系统ITS[2]及各种智能车载移动终端数据通信的实时性和移动性要求。通用分组无线业务GPRS (General Packet Radio Service)作为一种高速、高效、经济的无线系统，具有网络覆盖范围广、接入迅速、按流量计费、实时在线、没有任何布线的优点[3]，特别适用于间断的、突发性的或频繁的、少量的数据传输，也适合短时的突发大数据量通信，完全满足分布式的城市交通实时、多点交通信号机数据采集及监控的双向数据通信需求。本文采用32位ARM7TDMI核ARM微处理器S3C44BOX及GPRS模块GR47，设计了具有GPRS功能的智能交通信号机，实现了基于GRPS网络的城市交通控制数据通信系统，基本上克服了传统有线通信方式所造成的造价高、覆盖范围小、扩展性差等缺点。
1 系统组成及工作原理
基于GPRS网络的城市交通控制数据传输系统是一个分布式、集散型、网络化、全开放的监控系统，由监控中心、GPRS/Internet通信网络以及具有GPRS功能的路口智能交通信号机组成，如图1所示。
整个系统运行于客户/服务器模式，监控中心内部通过以太网将通信服务器、数据库服务器及监控工作站等设备互连。监控中心在软件系统的控制下，实时接收处理来自各路口智能交通信号机的交通量信息、当前工作状态以及信号配时方案等各种数据[4]，在监控中心的LED多媒体显示屏及中心监控终端上显示信号机位置、运行状态及相关信息。同时，监控中心的通信服务器也可以向各路口信号机下传各种控制指令和优化的信号配时参数，实现对整个分布式智能交通信号机状态的监视和控制。通信服务器可以由已接入Internet的计算机担当，完成TCP/UDP链路建立、维护、数据接收、存储以及图像的监控等。
路口交通信号机为全自动智能设备，可以通过短信、数据有无检测、响铃、预设时间等多种方式启动GPRS拨号程序接入Internet，主动与监控中心的通信服务器建立TCP或UDP连接，并向通信服务器传输数据或图像，实现城市交通信号的数据传输。
2 智能交通信号机的硬件构成
具有GPRS功能的智能交通信号机主要由ARM微处理器模块、GRPS无线通信模块、存储模块、电源晶振模块、交通信号机以及JTAG调试接口等模块组成，其结构框图如图2所示。
2.1 ARM微处理器模块
ARM微处理器模块是智能交通信号机的控制核心，负责交通信号机的数据采集、存储处理数据、GPRS通信等工作。根据智能交通信号机低功耗的要求，选用三星公司的S3C44BOX[5]。它是一款基于ARM7TDMI内核精简指令系统的32位高速处理器，工作在66MHz，支持Thumb(16位)/ARM(32位)双指令集，能很好地兼容8位/16位器件，具有性价比高、功耗低、体积小、可靠性高等特点。S3C44BOX提供了对两个串口Uart0和Uartl的直接支持。在本系统中，一个串口用于与GR47模块通信，同时在调试应用程序时需要另一个串口与PC机相连，以保证程序正常运行。
2.2 GPRS无线通信模块
GPRS无线通信模块是整个系统的通信基础，采用Sony-Ericsson公司的可编程无线通信模块GR47[6]，它提供RS232口，可以用AT指令进行控制。GR47具有GPRS和SMS两种无线数据传输通道，可以快速、安全、可靠地实现数据传输、语音传输、短消息服务，可以工作在900MHz和1800MHz两个频段。在GPRS网络状态良好的情况下，优先通过GPRS通信方式将智能交通信号机所在位置、交通流以及运行状态等信息传输到监控中心并接收来自监控中心的指令。与此同时，GR47不断轮回检查GPRS网络状态，当出现网络拥塞、GPRS未覆盖或者中心工作人员误操作导致TCP/IP" title="TCP/IP">TCP/IP连接断开时，会立刻切换到SMS方式直至TCP/IP重新连接上。
2.3 存储模块
FLASH存储器存放系统启动代码、嵌入式操作系统、文件系统、应用程序的代码或其他在系统掉电后需要保护的用户数据等。选用SST公司16位数据带宽的SST39VF160，它具有2MB的存储容量，工作电压为2.7V～3.6V，其地址线A0～A20分别与S3C44BOX的地址线ADDR1～ADDR2相连。SDRAM存储器是系统运行时的主要区域，系统及用户数据、堆栈均位于SDRAM存储器中，其存储速度大大高于FLASH存储器，且具有读/写的属性。
2.4 电源、晶振模块
电源电路由3块DC-DC转换器(9V～5V,5V～3.3V,5V～2.5V)组成，分别给外围电路、CPU的I/O和S3C44BOX内核供电。10MHz晶振为系统提供工作时钟，通过片内PLL电路倍频为66MHz作为微处理器的工作时钟。
2.5 交通信号机
交通信号机是交通控制系统的重要组成部分。它在ARM微处理器S3C44BOX的协调下执行监控中心下传的控制指令如关灯、闪光、全红、手动步进等，也可以在无中心控制的条件下进行信号机单点自主时段控制。信号机运行时可连续、准确地采集大量现场交通数据，并将现场数据实时地传输到监控中心，监控中心通过对交通数据的采集、存储和处理，不仅可以直接用于交通控制，还可以为交通指挥调度和城市交通规划提供准确科学的量化依据。智能交通信号机采用芯片16C550实现数据的串/并扩展，其8根数据线D0～D7连接到微处理器S3C44BOX对应的D0～D7，交通信号机通过MAX232标准串口与微处理器实现双向高速数据交换。
3 软件实现
3.1 智能交通信号机应用软件设计
智能交通信号机应用软件主要由主程序和GR47无线通信等功能模块组成。主程序主要完成系统初始化(包括定时器初始化、串口初始化、端口初始化等)、交通信号机数据的读取以及与GR47无线通信等。GR47无线通信模块主要完成通信模块初始化、分组数据协议PDP(Packet Data Protocol)的上下文激活、TCP/IP建立连接、GPRS数据读取/发送、SMS读取/发送、GRPS网络状态检测等处理。在应用软件的开发过程中，采用C语言和汇编语言混合编程，选用ARM ADS(ARM Developer Suite)集成开发工具。源程序在PC机通过编辑、交叉编译、交叉链接生成ELF格式的目标映像后，最后通过JTAG接口将目标映像下载到目标开发板上的FLASH中。软件流程如图3所示。
GPRS数据传输是GR47模块的核心功能，在通过GPRS网络进行TCP/IP连接之前，先要在GR47模块内部建立一个数据帐户，指出正确的接入服务商APN名称。智能交通信号机利用固化在FLASH存储器中的GRPS通信服务器IP地址访问监控中心的通信服务器，可通过AT+CGDCONT指令实现，例如：AT+CGDCONT=1，“IP”，“CMNET”。
3.2 GPRS通信服务器软件设计
监控中心通信服务器的主要功能在于实现智能交通信号机和监控中心(数据库服务器以及监控工作站)之间的通信。通信服务器为监控中心提供内部以太网的接口并监控网络的通信状况，支持TCP/IP协议和PPP协议。通信服务器软件采用WinSocket编程，主要创建三种Socket类，即监听Socket(CListenSocket)、数据接收与处理Socket类(CServerSocket)和局域网内通信Socket类(CUDPSocket)。CListSocket定时监听相应的端口，接收智能交通信号机的连接请求，创建一个Socket线程并完成TCP链路的建立与维护，配合ADO数据库技术实现数据接收、存储及监控等功能，然后把原始套接字放回监听状态继续监听。对于每一个智能交通信号机，都需要有一个接收线程来处理数据的接收。因此，需要在内存中建立一个动态表，以维护数据接收线程句柄和智能交通信号机之间的对应关系。产生的新线程中包含CServerSocket，负责数据接收、处理和发送工作。整个通信服务器软件结构如图4所示。
通过在实验车辆上安装该智能交通信号机，实现GPRS网络与通信服务器的实时通信与控制，本系统运行稳定，系统响应时间
2s。本系统采用GPRS无线接入方式，设计了智能交通信号机，实现了城市交通控制数据通信，解决了传统的有线通信方式在网络覆盖范围、扩展性、实时性和可靠性等方面的问题，降低了运营成本，会有广泛的市场应用前景。
参考文献
[1] 杨佩昆,吴兵.交通管理与控制(第二版)[M]. 北京: 人民交通出版社, 2003.
[2] 岳航,杨荣杰. 智能交通系统的发展及其共用信息平台的建设[J]. 武汉理工大学学报(交通科学与工程版),
2005,29(4):560-563.
[3] 钟子果,杨品露,胡爱群. 基于GPRS移动通信网络数据传输系统的研究与实现[J].移动通信,2005,29(4):82-86.
[4] 陈小锋,史忠科,赵凯. 基于PSTN网的交通控制系统数据通信方案设计及实现[J]. 计算机工程与应用, 2003,
39(29):218-221.
[5] 陈猛，赵继敏.ARM CPU S3C440BOX与C54X DSP的接口设计[J]. 电子技术应用, 2003,29(3):15-17.
[6] 王松宏,李德化.基于GPRS的车辆监控系统车载移动终端的设计[J].计算机应用研究,2005,22(6):184-186.