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    基于嵌入式Web的電子交警系統

    2007-04-27 江蘇大學 張瑋 李正明 李春華

    摘要:基于嵌入式Web的電子交警系統。該系統采用數碼相機作為圖像拍攝主體,利用ARMS3C4510B微處理器,通過以太網進行圖像的遠程傳輸。
    關鍵詞:電子交警系統嵌入式Web數碼相機

        近年來智能交通系統發展迅速,它力圖把先進的信息技術、通信技術、計算機技術、電子控制技術等高新技術有效地集成運用于整個交通運輸管理體系,在大范圍內建立起一種全方位的實時、準確、高教的交通運輸綜合管理系統。迄今為止,日本、美國、西歐、澳大利亞等國家和地區都建立了相應的機構從事相關的開發應用研究,并取得了一些成果。

        闖紅燈是造成交通事故的主要原因之一。本電子交警系統的主要功能就是抓拍、處理機動車闖紅燈現象,這是現代城市交通監控系統的重要組成部分。目前,由于機動車闖紅燈的相關信息還沒有實時地接入網絡,違章車輛的受理、罰款、辦結等后期管理存在著很大的滯后性。因此,本系統采用了基于嵌入式Web的方案,保證了系統的實時性,高精度數碼相機的使用彌補了CCD攝像機清晰度不足的缺陷。取得了較好的應用效果。

    1 設計方案
       
    圖1為系統總體設計方案。

    1.1 硬件部分
        硬件部分的結構如圖2所示。

        ARM(Adranted RISC Machines)是微處理器行業的世界知名企業,設計了大量高性能、低能耗、廉價的RISC處理器及相關軟件。從性價比、實用性等角度出發,本系統使用了Samsung公司基于ARM7內核的嵌入式處理器S3C4510B.外加存儲器芯片、主USB接口、以太網芯片、串并口等構建的開發板系統作為整個系統的硬件開發平臺。根據實際需要在接口邏輯電路中設置不同的參數,并設置恰當的基地址和中斷號,以免發譬沖突。同時按照開發板的說明書對引腳進行分配。

    1.2 嵌入式系統軟件結構
       
    本系統采用μCLinux操作系統。

        目前源碼公開的嵌入式操作系統有μC/OS和μCLinux,它們各有特點。μC/OS占用空間少,實時性能優良。μCLinux雖然占用空間相對較大,實時性能一般,但是具有對多種文件系統的支持能力,內嵌了TCP/IP協議,可以借鑒Linux豐富的資源,適用于較復雜的系統。鑒于本系統需要面向以太網,且較為復雜,所以選用μCLinux作為操作系統。μCLinux是Linux的一個變種,主要區別在于兩者的內存管理機制和進程調度管理機制。同時為了適應嵌入式應用的需求,μCLinux采用了romfs文件系統,并簡化了Linux上的c語言庫glibc。

        本系統的軟件設計包括;μCLinux操作系統的平臺移植、嵌入式操作系統μCLinux的裁減、硬件驅動程序、應用程序、人機界面等。

        (1)在ARM平臺上移植μCLinux,并在PC機上建立μCLinux的開發環境。ARM開發板用于運行操作系統和應用軟件,PC機則完成目標板所用到的操作系統的內核編譯及應用程序的開發和調試。兩者之間一般通過串口、并口或以太網接口建立連接關系。
        (2)對系統內核進行裁減,在保證功能的前提下使其所占資源最少。
        (3)硬件驅動程序包括USB驅動程序、USB控制器驅動程序、以太網控制器驅動程序等。
        (4)應用程序主要負責將USB和串口上傳的數據傳輸到以太網。
        (5)人機界面包括本地界面和遠程界面。遠程界面主要存放在嵌入式服務器中的動態網頁,用于管理和查詢。

    2 系統的組成
       
    本系統由前端車輛拍照控制子系統、信息傳輸子系統和信息查詢管理子系統組成。組成結構如圖3。

    2.1 車輛拍照控制子系統
       
    前端車輛拍‘照控制系統由嵌入式系統、微電腦芯片地感線圈檢測裝置、高精度數碼相機、相關通信及傳輸附件組成。違章車輛聞紅燈的瞬間,微電腦芯片根據檢測地感線圈的信號變化,及時準確地發出車輛違章信號。前端嵌入式控制主機收到檢測信號后(闖紅燈、逆行等),對數碼相機快門進行控制,并隨時判斷周圍環境的光亮度決定是否開啟閃光燈。數碼相機接到閃光燈和拍照信號后進行拍照。所拍攝信息首先被存儲在相機的8M卡(Smart Media Card)中。

    2.2 信息傳輸子系統
       
    信息通過網絡進行傳輸。目前嵌入式系統接入Intcnlet的方法大致有三種:一是通過專用的Web服務器:二是通過專用的嵌入式網關;三是把標準網絡技術(TCP/IP)擴展到嵌入式設備,由嵌入式系統自身實現Web服務器功能。本文采用第三種方法,只需編寫動態網頁便可以通過Web瀏覽器方便地管理和查詢相關信息。

        信息傳輸子系統由兩部分組成:一是照片等相關信息通過數碼相機USB口到以太網控制器的傳輸過程;二是信息從以太網控制器到以太網的傳輸過程。

    2.2.1 從數碼相機到以太阿控制器的信息傳輸
       
    路口綠燈亮后,嵌入式系統中的照片處理任務判斷相機內是否有照片存儲。若有,則通過數碼相機的USB接口將照片轉存到以太阿控制器內,保證數碼相機隨時有足夠的空間進行違章拍攝。同時將違章時間、地點、違章現場數據保存在照片中,便于事后對照片進行處理。

        數碼相機與以太網控制器通過主USB口進行信息傳輸。該系統所用主uSB芯片是Cypress公司的SL811HS。該芯片是專門為嵌入式系統開發的,其價格低廉,符合USBl.1規范。

    2.2.2 從以太網控制器到以太網的信息傳輸
       
    將以太網控制器接入以太網,把拍攝下來的違章照片實時傳到以太網上,最終實現違章照片等相關信息的實時傳輸。

    2.3 基于B/S結構的信息管理查詢子系統
       
    車輛的違章照片是交管部門對違章司機進行處理的依據,因此前端傳回的照片還需要管理。監控中心建立一個計算機局域網系統,設置多臺工作站對照片進行資料的錄入、審核、受理、送達,告知、封鎖檔案、復考通知、罰款、解封檔案、辦結等工作。

        該系統既要與機動車、駕駛員等基礎數據庫互聯.進行嚴格的查找、比對、轉遞、封檔,又要與外部多個系統互聯進行交通違法告知、跟蹤罰款執行情況等。其中所涉及的外部系統主要有郵局投遞系統、銀行收款系統、機動車與駕駛員查詢數據庫、交通違法數據庫。

    3 設計中的關鍵問題
    3.1 實現基于嵌入式Web的以太網接入

        該系統用S3C4510B嵌入式處理器及以太網接口芯片RTL8201BL組成以太網測控網關。RTL8201BL通過總線與S3C4510B處理器相連接,中斷也通過S3C4510B的外部中斷接管。

        網絡層主要完成以太網TCP/IP協議和違章現場總線RS-232等協議的轉換,完成以太網與現場總線網絡間的互聯,實現不同以太網與現場總線網絡之間的數據交換。

        數據的流向:請求信息從以太網來,通過RJ45接口到RTL820BL,IP包送到S3C4510B,進行拆包,取出數據,再按RS-232等現場總線通信協議重新組成幀;或者將前端拍照系統發送來的數據幀重新打成IP包,向以太網發送。

        網絡傳輸的關鍵是開發負責數據傳輸和遠端命令處理的TCP/IP協議棧。首先選擇網絡協議的種類。由于照片需要傳輸的數據量不大,但可靠性要求較高,因此在傳輸層選用可靠數據傳輸控制協議TCP,在網絡層選用基本數據傳輸協議IP。

    3.2 在嵌入式系統μClinux中編寫硬件驅動程序
       
    硬件驅動程序包括USB驅動程序、USB控制器驅動程序、以太網控制器驅動程序等。在Linux中,驅動程序可以按照兩種方式編譯,一種是靜態編譯進內核,另一種是編譯成模塊以供動態加載。由于μCLinux不支持模塊動態加載,因此這里選用將設備驅動程序靜態編譯到μCLinux內核的方式。Linux內核啟動時會調用設備驅動程序的初始化函數對設備進行初始化。需要為該設備分配一個主設備號和從設備號,不能與已有的設備號重復,然后新建一個設備文件。在相應的目錄下添加設備驅動文件,修改相應的Config.ini和Makefde文件,在內核編譯時加載相應的設備驅動程序,生成的μCLinux二進制文件燒寫進閃存,然后,可以使用各種外部設備。驅動程序中的中斷處理采用上半部和下半部的處理方法,上半部完成中斷注冊、中斷原因的標定、調度下半部,然后退出。下半部則在相對安全時執行數據處理工作,這樣可以使下半部在工作期間,上半部能繼續為其他中斷服務。

        該電子交警系統運用了嵌入式Web、數字通信等高科技手段,把違章車輛信息實時傳輸到以太網上。監控中心可以方便地對信息進行管理,用戶可以隨時通過Web瀏覽器進行查詢。現在數碼相機技術日新月異,一般數碼相機的快門速度可達到1/1 000s,支持多張連拍,完全可以滿足高精度和三要素的要求。嵌入式Web的使用加強了系統的實時性和可靠性,大大減少了違章、繳費以及數據庫的更新等一系列流程的延遲時間,它以微控制器和以太網接口芯片取代PC機進行現場控制,只需幾臺網絡計算機進行監控,大大降低了成本。利用數碼相機和以太網的豐富資源組建該控制系統是一種實時、低成本、高可靠的技術方案。這一系統的建立有效地提高了對闖紅燈車輛的記錄和后期管理的效率,提高了交通管理水平,有較好的經濟效益和廣闊的應用前景。




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