基于ARM11的機(jī)動車柔性限行管理系統(tǒng)設(shè)計*

張　凱,孫　躍,周　侃,江　慧

(南京信息工程大學(xué)信息與控制學(xué)院,南京 210044)

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基于ARM11的機(jī)動車柔性限行管理系統(tǒng)設(shè)計*

張凱*,孫躍,周侃,江慧

(南京信息工程大學(xué)信息與控制學(xué)院,南京 210044)

摘要:為解決城市道路交通擁擠問題,設(shè)計了一套基于ARM11的機(jī)動車柔性限行管理系統(tǒng)。系統(tǒng)采用S3C6410微處理器為核心,利用GPRS無線通信技術(shù)將GPS定位信息傳輸?shù)浇还苄畔⑻幚碇行姆?wù)器。交管中心分路段設(shè)定限行比例,統(tǒng)計機(jī)動車該月在限行路段中出行天數(shù),并將機(jī)動車出行信息反饋給車主,對超出限行比例的機(jī)動車收取擁擠費(fèi),從而實現(xiàn)機(jī)動車柔性限行管理。實驗證明:GPRS發(fā)送GPS定位信息準(zhǔn)確,車輛出行信息反饋及時,系統(tǒng)設(shè)計達(dá)到了預(yù)期的功能和要求。

關(guān)鍵詞:嵌入式;柔性限行;S3C6410;GPS;GPRS;

隨著城市交通擁擠的日益嚴(yán)重,機(jī)動車限行問題已成為近年來城市交通問題研究的熱點。目前主要采取機(jī)動車尾號限行、錯峰限行等限行措施,限行措施在很大程度上改善了城市交通擁堵狀況,但在實際操作中卻存在著較多的問題,一是限行號碼、時間和路段過于混亂,不利于記憶掌握。二是限制了一些真正需要出行的車輛,對部分市民日常生活秩序造成很大的影響[1]。針對上述問題,本文提出一種根據(jù)機(jī)動車出行比例進(jìn)行限行的柔性管理系統(tǒng),即按設(shè)定好的限行比例,算出該月該路段最多可行駛天數(shù),對超出限行比例的機(jī)動車征收擁堵費(fèi)。隨著嵌入式、GPS以及GPRS技術(shù)的發(fā)展,為該系統(tǒng)的實現(xiàn)提供了有效的解決方法,即在車輛出行時車載終端將機(jī)動車GPS定位信息發(fā)送至交管信息處理中心服務(wù)器,交管中心統(tǒng)計機(jī)動車當(dāng)月在限行路段上的出行天數(shù),并將機(jī)動車出行信息發(fā)送至車載終端,車主根據(jù)終端顯示的出行信息柔性設(shè)定出行計劃,這樣使得機(jī)動車限行措施更加人性化。

1　系統(tǒng)總體設(shè)計

本設(shè)計結(jié)合GPRS數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)、GPS定位技術(shù)以及GSM無線通信技術(shù),搭建了基于ARM11平臺的機(jī)動車柔性限行管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由2個部分組成,其結(jié)構(gòu)如圖1所示:第1部分為車載嵌入式設(shè)備,主要由S3C6410微處理器以及其外圍電路(RS-232接口、USB接口、LCD顯示屏、A/D轉(zhuǎn)換等)、GPS模塊和GSM/GPRS收發(fā)模塊組成。第2部分為信息處理中心,該中心主要由服務(wù)器和GPRS模塊組成。

圖1　系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)主要功能如下:

(1)車載終端由車載電源供電,當(dāng)機(jī)動車啟動時,車載終端自動啟動。在機(jī)動車行駛過程中,車載終端經(jīng)GPRS以數(shù)據(jù)傳輸方式不斷向信息處理中心發(fā)送車輛位置信息。

(2)交管信息處理中心根據(jù)接受的車載終端發(fā)送過來的機(jī)動車GPS信息判定機(jī)動車是否在限行路段中,若在則統(tǒng)計為當(dāng)日出行,并將車主已出行信息發(fā)送至車載終端。

(3)交管信息處理中心統(tǒng)計機(jī)動車出行天數(shù),判斷當(dāng)月該機(jī)動車出行是否在限行比例之內(nèi),并對出行天數(shù)超出限行比例的機(jī)動車收取擁擠費(fèi)。

2　系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1S3C6410微處理器模塊

本系統(tǒng)采用的是三星公司推出的S3C6410微處理器[2],是基于ARM11架構(gòu)的16/32RISC微處理芯片,其采用ARM1176JZF-S的核,包含了16 kbyte的指令數(shù)據(jù)TCM以及16 kbyte的指令數(shù)據(jù)Cache,可以在667 MHz的主頻上穩(wěn)定工作,其DDR數(shù)據(jù)傳輸速率可以達(dá)到266 Mbit/s。模塊采用64 bit/32 bit內(nèi)部總線構(gòu)架,通過AXI,AHB和APB總線組成。并且支持多種外部接口,是一個低成本,低功耗,高性能的應(yīng)用處理器。

2.2RS232接口模塊

系統(tǒng)的嵌入式終端與GSM/GPRS模塊、GPS定位模塊之間采用RS-232串行通信接口連接[3]。所以系統(tǒng)采用MAX232芯片來實現(xiàn)TTL與RS-232的電平轉(zhuǎn)換。MAX232工作電路如圖2所示。

當(dāng)嵌入式終端需要與外部設(shè)備進(jìn)行通信時,就將無線設(shè)備與RS232接口直接相連,從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)的通信,使用這種連接方式,設(shè)備會將智能終端作為調(diào)制解調(diào)器,從而直接夠使用RS-232C標(biāo)準(zhǔn)。RS232與S3C6410的電路連接圖如圖3所示。

圖2　MAX232工作電路

圖3　RS232與S3C6410的電路連接圖

圖4　NEO-5Q芯片的外圍接口電路

2.3GPS定位模塊

本系統(tǒng)采用的GPS模塊是瑞士u-blox公司NE0-5Q芯片,NE0-5Q以ROM為基礎(chǔ)構(gòu)架,該芯片為多功能獨立型的 GPS 模組,模塊采用最新的KickStart微弱信號攫取技術(shù),成本低,體積小,并且能夠確保采用該模組的設(shè)備在任何可接收到信號的位置及任何天線尺寸都能夠有最佳的初始定位以及快速定位性能。芯片的外圍接口電路如圖4所示。

GPS模塊接收GPS定位信息,遵循NMEA-0183(默認(rèn))/UBX Binary協(xié)議標(biāo)準(zhǔn),為常用的GPS 通訊協(xié)議。該GPS模塊接收機(jī)的硬件接口能夠兼容開發(fā)板的RS-232C協(xié)議串口,通過串口與ARM芯片的串口通信引腳進(jìn)行連接。然后通過程序解析GPS數(shù)據(jù)包中的GPRMC數(shù)據(jù)項,以獲取GPS 的經(jīng)度、緯度、方向和速度等方面信息,最后將GPS定位信息通過無線傳輸設(shè)備發(fā)送到信息處理中心的服務(wù)器。

2.4MG323無線傳輸模塊

無線傳輸模塊選擇華為公司推出的MG323 模塊,該模塊為工業(yè)級GSM/GPRS 模塊[3],其內(nèi)部嵌入TCP/IP 協(xié)議,具有豐富的AT 指令集,工作于 GSM950、 EGSM900、 GSM1800、 GSM1900 4個頻段,實現(xiàn)與 Internent 的無縫連接。MG323硬件上有電源接口、RS232 接口、SIM 卡接口等。MG323的接口電路如圖5所示。

圖5　MG323接口電路

MG323 模塊的工作電壓范圍為直流 3.3 V～4.8 V[4]。在實際供電網(wǎng)絡(luò)中,當(dāng)MG323處于最大發(fā)射功率時就會引起工作電壓的跌落,當(dāng)電壓低于3.3 V時,MG323模塊就會重啟,所以不建議使用邊緣值電壓。外部供電電壓推薦使用電流輸出大于1.5 A的LDO或者是開關(guān)電源,并在電源的端口處并聯(lián)一個0.1 μF 的去耦電容和一個大于470 μF的旁路電容,以保證電壓的穩(wěn)定提供。

3　系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)主要是解決車載終端與交管信息處理中心的遠(yuǎn)程無線通信問題和GPS定位路段處理問題。系統(tǒng)采用GPRS無線模塊來實現(xiàn)他們之間的數(shù)據(jù)通信,且均通過AT命令來控制。

系統(tǒng)硬件采用的是 S3C6410 主控芯片,系統(tǒng)則采用linux2.6.38內(nèi)核,先將制作好的Uboot燒寫到Nor Flash 中,然后再通過移植配置,燒錄內(nèi)核和文件系統(tǒng),使之適合該硬件平臺。應(yīng)用程序軟件使用C語言編寫,然后經(jīng)過arm-linux-gcc交叉編譯之后再移植到ARM平臺運(yùn)行。

3.1GPRS應(yīng)用程序設(shè)計

當(dāng)機(jī)動車啟動時,車載終端自動啟動,GPRS模塊把GPS測算出的地理位置坐標(biāo)和相關(guān)的定位數(shù)據(jù)發(fā)送給GPRS網(wǎng)絡(luò),GPRS網(wǎng)絡(luò)提供通信鏈路,接入Internet后,把這些定位信息傳送給交管信息處理中心[5]。信息中心的服務(wù)器具有Internet靜態(tài)IP地址,它通過Socket接收機(jī)和GPRS網(wǎng)絡(luò)建立連接,實時接收來自各個車載終端的信息。

圖6　GPRS應(yīng)用程序設(shè)計流程圖

啟動Linux系統(tǒng)后,要通過GPRS來實現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)的傳輸,其應(yīng)用程序流程圖如圖6所示,它主要包括以下幾個步驟:第1初始化串口,包括波特率,數(shù)據(jù)位,停止位等的初始化工作。第2配置參數(shù),GPRS通信過程中要設(shè)置的配置項和AT指令有:AT#CGD CONT=1,“IP”,“CMNET”為接入網(wǎng)關(guān);AT#APNSERV=“CMNET”為設(shè)置網(wǎng)絡(luò)接入點名稱;AT # TCPSERV=“*”為上位機(jī)IP 地址設(shè)置;A T # TCPPORT=“6800”為上位機(jī)偵聽端口設(shè)置。設(shè)置好這些命令參數(shù)后,系統(tǒng)上電時即可自動從Flash中讀取相應(yīng)參數(shù)。第3建立連接,AT指令“AT#CONNECTIONSTART”為請求網(wǎng)絡(luò)連接,然后再用連接命令“AT#OTCP”即可登錄遠(yuǎn)程Internet。第4則為數(shù)據(jù)傳輸,發(fā)送數(shù)據(jù)時,GPRS模塊將接到的發(fā)送數(shù)據(jù)經(jīng)過封裝后直接發(fā)送到GPRS網(wǎng)絡(luò);接收數(shù)據(jù)時將接收到的數(shù)據(jù)幀經(jīng)過協(xié)議處理模塊拆封后,提取數(shù)據(jù)然后再傳輸給ARM終端的串口。第5即為斷開連接,使用“AT # CONNECTIONSTOP”來斷開GPRS連接。

3.2GPS定位路段處理方法

由于該系統(tǒng)對路況信息處理要求有較高的實時性,所以要求系統(tǒng)能快速的將機(jī)動車GPS信息定位到相應(yīng)的道路上。所以本系統(tǒng)采用邊界矩形判斷法[5],選取道路的2個頂點以及描述道路形狀的多個點來構(gòu)成一個矩形區(qū)域,稱該區(qū)域為該路段的邊界矩形,如圖7所示。若該路段為正東西或南北方向的直線,那么邊界矩形則為路段本身。各路段里描述路段形狀的點將路段分為多個子路段。對于需匹配的GPS信號,以GPS的定位誤差為半徑,以定位點為圓心,構(gòu)造出該定位點的定位區(qū)域。在定位區(qū)域中,搜索邊界矩形與定位點重疊的所有路段,得到集合A。在集合A中,計算定位點到每一個子路段的距離,找出距離最短的子路段,再根據(jù)GPS數(shù)據(jù)中的方向信息,判斷出機(jī)動車所在方向。

圖7　道路邊界矩形

圖8　GPS定位模型流程圖

邊界矩形法可以使地圖匹配快速完成,并且能保留路段自身的形狀。因此具備準(zhǔn)確性與實時性,GPS地圖匹配流程圖如圖8所示。

當(dāng)車載終端的GPS信號被確定在限行路段中行駛時,信息中心服務(wù)器就會將該機(jī)動車該次出行信息存入數(shù)據(jù)庫,并通過GPRS向車載終端發(fā)送該機(jī)動車已出行信息。

4　系統(tǒng)調(diào)試

由于GPRS技術(shù)成熟,而且具有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)糾錯能力[6],能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)距離的準(zhǔn)確傳輸,所有這里我們主要測試下GPS的定位信息是否準(zhǔn)確,因為GPS定位信息準(zhǔn)確度是快速確定機(jī)動車所在路段的關(guān)鍵所在[7]。將整個系統(tǒng)在實驗室環(huán)境下進(jìn)行了調(diào)試,將具有上網(wǎng)功能的SIM卡插入卡槽、GPS 定位天線放到室外,將GPS和GPRS/GSM兩個模塊通過串口線與開發(fā)板相連。在室外選取3個不同的點對定位的精度進(jìn)行測量,測量計算后的精度如表1所示。

表1　3個不同的點的定位精度

由上述結(jié)果可以看出隨著定位時長的增加,定位的精度越準(zhǔn)確,最少也可以保持在5 m以內(nèi),這樣的距離這對于車載終端定位足夠的。而且GPS是一個可以全天候工作并且極少有工作盲區(qū)的系統(tǒng)[8],因此,該GPS模塊用在車載定位上具有較高的可靠性。

5　結(jié)論

文章提出了基于ARM11的機(jī)動車柔性限行管理系統(tǒng),分別從系統(tǒng)硬件設(shè)計、GPRS收發(fā)程序設(shè)計和GPS定位路段處理方法等方面來闡述其設(shè)計思路。本系統(tǒng)最大的優(yōu)點就是解決了傳統(tǒng)限行政策中存在的弊端,使得機(jī)動車駕駛員可以根據(jù)自己的出行需求柔性控制自己的出行情況,并且本系統(tǒng)使用成本低、硬件數(shù)量少、可擴(kuò)展性強(qiáng),為城市交通限行提供了一種新穎的方法。

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張凱(1965-),男,漢,山東泰安人,南京信息工程大學(xué)信息與控制學(xué)院教授,碩士生導(dǎo)師,主要研究方向為智能交通、智能檢測,zkark@163.com;

孫躍(1989-)男,漢,江蘇淮安人,南京信息工程大學(xué)信息與控制學(xué)院碩士研究生,主要研究方向:智能交通、智能檢測,sunyue3905439@163.com。

FlexibleVehicleRestrictionManagementSystemBasedonARM11*

ZHANGKai*,SUNYue,ZHOUKan,JIANGHui

(School of Information and Control,Nanjing University of Information Science and Technology,Nanjing 210044,China)

Abstract:In order to solve the problem of urban road congestion,a flexible ARM11-based vehicle limit line management system was designed.System uses S3C6410 microprocessor core,applies the GPRS wireless communication technology to transmit information to the GPS positioning information processing traffic control center server.The traffic control center to set vehicle restriction ratio by sections,and count vehicles travel days in this month at the limit line sections,feed back to the vehicle’s travel information to the car owner,charge the congestion fee for the proportion of vehicles exceeding the vehicle restriction ratio,thus we could achieve a flexible vehicle restriction management.Experiments show that GPRS to send GPS location information is accurate,timely feedback vehicle travel,system design to achieve the desired functionality and requirements.

Key words:embedded;flexible vehicle restriction;S3C6410;GPS;GPRS

doi:EEACC:014010.3969/j.issn.1005-9490.2014.05.033

中圖分類號:TP368.2

文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

文章編號:1005-9490(2014)05-0953-05

收稿日期:2013-09-23修改日期:2013-10-10

項目來源:國家自然科學(xué)基金項目(71341029)