基于GPRS的交通信號(hào)控制系統(tǒng)的研制

張晶瑩

（天津城市建設(shè)管理職業(yè)技術(shù)學(xué)院，天津 300134）

交通是社會(huì)經(jīng)濟(jì)的“血液循環(huán)系統(tǒng)”，是制約經(jīng)濟(jì)發(fā)展的瓶頸。城市交通問題，是困擾城市發(fā)展、制約城市經(jīng)濟(jì)建設(shè)的重要因素，人們對(duì)交通有效控制的意識(shí)越來越強(qiáng)烈。但由于目前的交通信號(hào)控制機(jī)大多數(shù)是進(jìn)口設(shè)備，價(jià)格昂貴，兼容性差，且維護(hù)不便；另一方面，由于傳統(tǒng)交通控制系統(tǒng)采用有線敷設(shè)的方式，建設(shè)成本偏高，施工困難，建設(shè)周期長，維護(hù)不便，而且網(wǎng)絡(luò)成本、網(wǎng)絡(luò)規(guī)模、信道共享等都存在一定的局限性。如果采取無線技術(shù)取代有線，上述的大部分問題都能夠得到很好的解決。因此，基于GPRS的交通信號(hào)控制系統(tǒng)的研制，具有一定的經(jīng)濟(jì)效益。

1 系統(tǒng)總體分析

系統(tǒng)由交通信號(hào)機(jī)、數(shù)據(jù)中心服務(wù)器/客戶端、GPRS無線數(shù)據(jù)通信模塊（GPRS DTU）、移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)以及因特網(wǎng)組成。交通信號(hào)機(jī)安置在交通路口，數(shù)據(jù)中心服務(wù)器設(shè)在交通指揮中心，客戶端可設(shè)在各交通支隊(duì)，分別具有不同的權(quán)限。交通信號(hào)機(jī)的控制核心——數(shù)字信號(hào)處理器DSP，集成有RS-232全雙工方式的通訊口，通過與GPRS通信模塊RS232連接，可實(shí)現(xiàn)交通信號(hào)機(jī)與數(shù)據(jù)中心服務(wù)器/客戶端的聯(lián)網(wǎng)通訊。采用RS232串口電路和GPRS模塊，利用移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)與因特網(wǎng)實(shí)現(xiàn)無線通信。此方法的益處，是不用破壞路面，連網(wǎng)方便[1]。通訊前，需要協(xié)調(diào)中央控制計(jì)算機(jī)與DSP的通訊格式，采用一致的通訊協(xié)議和組態(tài)數(shù)據(jù)（包括起始位，停止位，波特率，奇偶校驗(yàn)及數(shù)據(jù)長度等數(shù)據(jù)）。

2 系統(tǒng)的硬件集成

信號(hào)機(jī)的硬件，采用模塊化設(shè)計(jì)，選擇以TMS320F 2812型DSP為核心控制單元，連接驅(qū)動(dòng)元件、存儲(chǔ)器和電源等組成控制主板，它與信號(hào)燈驅(qū)動(dòng)板、GPRS模塊、LCD屏和按鍵構(gòu)成交通信號(hào)機(jī)的硬件。

2.1 TMS320F2812

本設(shè)計(jì)選用TMS320F281x系列中的TMS320F2812型DSP，其主要特點(diǎn)有：采用高性能靜態(tài)CMOS技術(shù)，主頻可達(dá)150 MHz，F(xiàn)LASH編程電壓為3.3 V；片內(nèi)集成128 k×16的Flash和8 k×16單訪問周期的RAM存儲(chǔ)器；支持動(dòng)態(tài)改變鎖相環(huán)的倍頻數(shù)，片內(nèi)集成看門狗定時(shí)模塊；支持多種串口通信包括 SCI、SPI、UART 和 e CAN 等[2]。

2.2 串行通信接口

本設(shè)計(jì)采用串行通信，RS232接口電路用來實(shí)現(xiàn)上位機(jī)和DSP的數(shù)據(jù)傳輸，將預(yù)設(shè)方案從上位機(jī)發(fā)送到DSP，DSP將信號(hào)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)反饋給上位機(jī)。硬件上，DSP的SCI引腳RXA和TXA直接連接到RS232電平轉(zhuǎn)換芯片MAX3232來實(shí)現(xiàn)。兩個(gè)RS232接口，一個(gè)用于有線連接，另一個(gè)用于無線連接。

2.3 GPRS模塊

GPRS是通用分組無線業(yè)務(wù)（General Packet Ra-dio Service）的英文簡稱[3]。本系統(tǒng)選用的無線通信模塊，是結(jié)合西門子工業(yè)級(jí)MC55無線通訊模塊，配有串行通訊接口（RS-232/422/485），通過GPRS自動(dòng)上線接入因特網(wǎng)進(jìn)行撥號(hào)，并具有自動(dòng)上線注冊(cè)機(jī)制。因此可以直接與任何帶有串行接口的終端設(shè)備連接，實(shí)現(xiàn)完成透明數(shù)據(jù)傳輸，提供基于互聯(lián)網(wǎng)的完備處理機(jī)制和方便標(biāo)準(zhǔn)的二次開發(fā)能力，為不具備TCP/IP協(xié)議處理功能的終端設(shè)備，提供基于互聯(lián)網(wǎng)的完善無線通信能力。

3 系統(tǒng)下位機(jī)程序設(shè)計(jì)

城市交通控制的目標(biāo)，是期求最大的通行效率，該目標(biāo)是通過系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)采用C語言開發(fā)，主要實(shí)現(xiàn)功能是交通信號(hào)機(jī)控制、串口通訊、液晶顯示驅(qū)動(dòng)等，同時(shí)還包括系統(tǒng)初始化、中斷、定時(shí)等與硬件相關(guān)的工作[4]。系統(tǒng)將提供若干套交通控制方案，可通過串口無線發(fā)送方案號(hào)或本地鍵盤控制交通信號(hào)機(jī)執(zhí)行相應(yīng)方案，實(shí)時(shí)返回運(yùn)行方案號(hào)，LCD顯示運(yùn)行方案，并且可通過上位機(jī)發(fā)送命令，隨時(shí)監(jiān)聽各路口的交通運(yùn)行情況。

3.1 主程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)程序采用模塊化設(shè)計(jì)。整個(gè)程序分為：初始化程序、主程序、信號(hào)燈控制程序、按鍵程序、串口中斷程序、LCD顯示程序等。主程序流程圖如圖1所示。

圖1 主程序流程圖

首先系統(tǒng)初始化，關(guān)中斷起到對(duì)LCD和RS232初始化程序的保護(hù)作用，之后使能全局中斷，主程序不斷掃描是否有按鍵，如果有鍵盤鍵入，執(zhí)行信號(hào)燈控制程序，全局也可通過串口中斷方式，無線控制交通運(yùn)行方案。方案選擇是通過無線通信發(fā)送方案號(hào)或本地鍵盤控制交通方案，方案包括十字路口的運(yùn)行方案（區(qū)別在于紅綠燈的時(shí)間不同）、主干道通行程序（綠通帶）和黃閃控制程序（4個(gè)路口都有黃燈閃爍表示允許所有的車輛慢速通過）。

3.2 RS232串口通信程序設(shè)計(jì)

串口中斷程序主要功能，是實(shí)現(xiàn)串口的收發(fā)數(shù)據(jù)，包括數(shù)據(jù)服務(wù)中心對(duì)交通方案的發(fā)送與接收和鍵盤控制運(yùn)行方案向數(shù)據(jù)服務(wù)中心的發(fā)送。此外，數(shù)據(jù)服務(wù)中心可發(fā)送監(jiān)聽命令0x00，實(shí)時(shí)監(jiān)聽各路口信號(hào)機(jī)當(dāng)前運(yùn)行情況。

串口通信程序采用中斷控制方式，流程圖如圖2所示。

圖2 RS232通信程序流程圖

主要包括串口初始化函數(shù)InitSci()，串口中斷發(fā)送函數(shù)SCITX_ISR()，串口中斷接收函數(shù)SCIRX_ISR()。

4 系統(tǒng)上位機(jī)程序設(shè)計(jì)

4.1 實(shí)現(xiàn)功能

本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的是多路口在線監(jiān)控，上位機(jī)一方面可以通過無線發(fā)送方案號(hào)給交通信號(hào)機(jī)，改變交通運(yùn)行方案。對(duì)于方案的改變，無論無線發(fā)送還是鍵盤控制，都可以向數(shù)據(jù)服務(wù)中心即時(shí)反饋；另一方面，可在線監(jiān)聽各路口交通燈運(yùn)行情況，包括動(dòng)態(tài)IP、登陸時(shí)間、最后通訊時(shí)間、當(dāng)前運(yùn)行方案等；并且在服務(wù)器端開發(fā)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，包括系統(tǒng)登錄、方案管理、交通控制管理和系統(tǒng)維護(hù)這4個(gè)模塊，對(duì)交通數(shù)據(jù)進(jìn)行維護(hù)。

4.2 開發(fā)及運(yùn)行環(huán)境

本系統(tǒng)后臺(tái)采用Microsoft SQL Server 2000數(shù)據(jù)庫，該數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)在準(zhǔn)確性、安全性和運(yùn)行速度方面，有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，并且效率高，處理數(shù)據(jù)量大；前臺(tái)采用微軟公司的Visual Studio 2005作為主要的開發(fā)工具，實(shí)現(xiàn)與SQL Server 2000數(shù)據(jù)庫無縫鏈接，開發(fā)語言采用C#。系統(tǒng)運(yùn)行平臺(tái)可以是Windows XP(SP2)/2000(SP4)/Windows Server 2003(SP1)，運(yùn)行環(huán)境為Microsoft.NET Framework SDK v2.0。

4.3 Winsock API網(wǎng)絡(luò)編程

Winsock的接口函數(shù)封裝了TCP/IP協(xié)議的各種功能。.NET Framework Socket類是Winsock32 API提供的套接字服務(wù)的托管代碼版本。在大多數(shù)情況下，Socket類方法只是將數(shù)據(jù)封送到它們的本機(jī)Win32副本中，并處理任何必要的安全檢查。一個(gè)系統(tǒng)的通信，首先要建立服務(wù)器端和客戶端，需要分別創(chuàng)建套接字(socket)，然后再綁定通訊地址，建立監(jiān)聽后方可完成通訊。Winsock網(wǎng)絡(luò)編程流程圖如圖3所示。

圖3 Winsock網(wǎng)絡(luò)編程流程圖

4.4 ADO.NET數(shù)據(jù)庫開發(fā)

本系統(tǒng)采用SQL Server2000作為后臺(tái)數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫命名為tramagsys。在VS.NET開發(fā)環(huán)境中，C#利用ADO.NET進(jìn)行數(shù)據(jù)庫開發(fā)的基本步驟，總的來說經(jīng)歷了這樣的幾個(gè)過程[5]：

（1）創(chuàng)建和數(shù)據(jù)庫tramagsys連接的Connection對(duì)象；

（2）配置Data Adapter對(duì)象并創(chuàng)建和操作數(shù)據(jù)集Data Set；

（3）把 tramagsys數(shù)據(jù)庫中的表添加到 Data Set中；

（4）把數(shù)據(jù)集Data Set綁定到用戶界面的Data Grid上；

（5）運(yùn)行程序時(shí)，利用SqlDataAdapter把數(shù)據(jù)填充到Data Set中，最終的數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)顯示在用戶界面的Data Grid中。

5 系統(tǒng)的調(diào)試

5.1 組網(wǎng)方案

根據(jù)數(shù)據(jù)中心服務(wù)器接入Internet的不同方式，本文提出了4種組網(wǎng)方案：

（1）數(shù)據(jù)中心直接使用合法的固定IP地址；（2）數(shù)據(jù)中心沒有固定的IP地址，通過路由器端口映射獲得固定IP地址；

（3）數(shù)據(jù)中心采用動(dòng)態(tài)IP地址；

（4）用戶數(shù)據(jù)中心通過專線方式直接連接到GPRS網(wǎng)絡(luò)。

本系統(tǒng)選用了方案（3），數(shù)據(jù)中心沒有固定的全局IP地址，通過ADSL調(diào)制解調(diào)器連接到因特網(wǎng)。ADSL Modem上電自動(dòng)撥號(hào)獲得動(dòng)態(tài)IP地址，在數(shù)據(jù)中心安裝動(dòng)態(tài)域名解析服務(wù)程序；GPRS DTU設(shè)備上的服務(wù)端IP和端口號(hào)設(shè)置為數(shù)據(jù)中心服務(wù)器的域名和偵聽端口號(hào)，如果是TCP連接方式，則自動(dòng)與ADSL等調(diào)制解調(diào)器建立可靠的TCP連接。

5.2 系統(tǒng)通信方式

系統(tǒng)通信方式可分為兩種：

（1）服務(wù)器端—DTU終端方式通信；

（2）客戶端—服務(wù)器端—DTU終端方式通信。方式（2）是客戶端和DTU終端均與服務(wù)器聯(lián)網(wǎng)，服務(wù)器作為傳輸中介。

一方面，通過服務(wù)器端或客戶端向各路口交通信號(hào)機(jī)發(fā)送方案，控制交通燈運(yùn)行，并向服務(wù)器端和客戶端即時(shí)反饋運(yùn)行情況；

另一方面，現(xiàn)場鍵盤控制交通方案，并向服務(wù)器端即時(shí)反饋運(yùn)行情況，所有記錄出現(xiàn)在界面的報(bào)文監(jiān)視中，并生成log文件存在硬盤。

此外，服務(wù)器端可對(duì)任意路口發(fā)送“0x00”監(jiān)聽命令，交通信號(hào)機(jī)實(shí)時(shí)返回當(dāng)前交通運(yùn)行情況。實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)聽，提高系統(tǒng)可靠性。

6 結(jié)束語

城市交通一直是困擾城市建設(shè)的重要因素，采用有效的交通控制系統(tǒng)，可以提高交通車輛通行率，減少交通事故的頻繁發(fā)生，實(shí)現(xiàn)交通的實(shí)時(shí)性、快速性和安全性，具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。創(chuàng)新將GPRS無線通信運(yùn)用到交通控制系統(tǒng)中，具有使用成本低、準(zhǔn)確性高、對(duì)環(huán)境適應(yīng)性好、易于安裝、易于維護(hù)等特點(diǎn)。

[1]陳以蒙，王亦軍.一種基于GPRS的DSP與PC機(jī)通信系統(tǒng)[J].浙江科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2004，16(4)：236-238.

[2]蘇奎峰，呂 強(qiáng)，耿慶鋒，陳圣儉.TMS320F2812原理與開發(fā)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2005.

[3]貝 茨，朱洪波，沈越泓，蔡躍明.通用分組無線業(yè)務(wù)（GPRS）技術(shù)與應(yīng)用[M].北京：人民郵電出版社，2004.

[4]楊鋼鋒，毛漢領(lǐng)，黃振峰.交通信號(hào)機(jī)基于DSP的解決方案設(shè)計(jì)[J].交通與計(jì)算機(jī)，2008，26(2)：79-81.

[5]賽奎春.明日科技.Visual C#開發(fā)技術(shù)大全[M]．北京：人民郵電出版社，2007.