ITS嵌入式控制主机的设计与实现

叶敦范，李亚敏，张梦炎

（中国地质大学（武汉）机械与电子信息学院，湖北 武汉430074）

快速发展的城市交通和日益增加的机动车保有量对城市交通执法和管理提出了更高的要求。为了保证交通执法证据的准确性、科学性和有效性，实现24小时不间断的交通监督、管理和控制，需要引入无人值守的自动化监控设备和系统[1]——智能交通系统。

智能交通系统ITS(Intelligent Transportation Systems)，是当前世界上交通运输科技的前沿，它在较完善的道路设施基础上将信息技术、数据通信技术、电子传感技术、全球定位技术、地理信息系统技术、计算机处理技术以及系统工程技术等，有机地集成并运用于整个地面交通管理体系，从而建立一种在大范围内、全方位发挥作用的，实时、准确、高效、智能的交通运输管理系统[2]。

当前，国内城市交通监控系统通常采用通用PC机，存在成本较高、可靠性差，设备分散运行等问题，尚未形成一个完整的、信息共享的智能交通管理监控系统[3]。由于ITS的前端设备不能正常工作，导致发生路口车辆信息无法捕捉、交通事故现场无法恢复等问题从而造成严重后果。ITS嵌入式控制主机是针对智能交通前端卡口设计的，解决了现有设备存在的诸多问题，实现了复杂环境下设备的可靠运行。

1 ITS嵌入式控制主机总体设计

ITS嵌入式控制主机是一台集多种功能于一体的智能前端卡口设备，能够实现复杂环境下的车流量监测、过车抓拍、逆行抓拍、超速抓拍、压黄线抓拍、车辆测速等功能。同时，系统还加入电源保护、主机状态管理、故障检测、故障分析和前端存储等可靠和人性化的设计方案。ITS嵌入式控制主机的层次结构如图1所示。

(1)硬件层：ITS嵌入式控制主机系统的硬件层由电源保护模块、车检器模块、主机状态管理模块、交换机模块、嵌入式检测主板模块及相机组成。

(2)核心层：采用嵌入式检测主板，内置Windows XPE操作系统。用于统一硬件层与上层软件界面通信透明，统一数据处理流式。

(3)业务层：其中包括数据捕捉(图象、录像实时显示并保存等)；设备状态管理(设备状态报警、主机状态管理、车检器管理、检测主机系统管理、相机状态查询等)；设备控制设置；日志管理；软件管理(软件升级部署、软件状态监视、软件运行维护等)。

2 ITS嵌入式控制主机主要硬件设计

2.1 嵌入式检测模块

采用Intel Atom N450高性能嵌入式处理器，主频1.66 GHz，1 GB DDR2板载内存。嵌入式检测模块采用Windows XPE操作系统，主板通过3个串口分别与电源保护模块、车检器模块和主机状态管理模块连接，接收各个模块的状态信息数据包，处理器对数据进行解析并执行相应操作，同时将解析后的数据包存储在Flash或是硬盘中，并通过以太网将解析后的数据发送给远程客户，远程客户也可以通过以太网访问数据信息、控制前端设备。

嵌入式检测模块与高清智能IP相机通过交换机连接。高清智能IP相机作为服务器，嵌入式检测主板内的应用程序作为客户端，当服务器处于监听状态，当有车辆经过时，车检器将车辆信息通过串口发送给检测主板，服务器通过交换机触发相机执行抓怕，相机再将抓拍的数据回传给检测主板。检测主板将数据通过光纤发送给后台，若后台未能成功接收到数据，则检测模块将数据存入前端硬盘。

2.2 电源保护模块

电源保护模块实现复杂环境下的漏电保护、过压欠压保护及过流保护，采用中断方式实现自动重合功能，并可通过串口与上位机通信实现配置漏电、过压欠压、过流默认值和故障信息回传等功能。保护板主要由主控单元、驱动单元、信号采集处理单元和通信单元组成。电源保护模块结构如图2所示。

电源保护板通过变压器采集过压欠压信息，通过互感线圈采集过流、漏电信息，经过由单片机AD处理分析后，控制双向继电器驱动集成芯片，从而驱动安放在火线和零线上的磁保持继电器的通断，实现输出交流电源的通断控制，从而保护设备的用电安全，同时显示当前状态信息。

为了实现复杂环境下与嵌入式控制主板的信息交换。采用+5 V供电、半双工,并与具有±16.5 kV ESD保护的RS-485收发器ISL3152E进行串口通信,同时将电源与其他单元采用光耦隔离，增加通信稳定性。

2.3 车检器模块

车检器由高稳定性的四通道线圈车辆检测卡和埋设在地下的环形电感线圈构成的振荡器两部分组成。车辆通过后，电感线圈的电感量发生变化从而引起振荡器频率变化，CPU通过检测振荡器频率变化，实现车辆相关信息的检测[4]。

车检器内部采用高速STC12C5A60S2单片机，具有2路外部中断和2个外部计数器。埋在地下的环形电感线圈经瞬态电压抑制器连接，再经磁罐变压器与后级电容形成震荡回路，经放大处理输出当前频率信号。单片机采用外部管脚中断以及定时器中断相配合，定时采集数据得出当前频率，并根据当前设定的灵敏度与工作方式要求，再与基准频率比较，从而判断是否有车辆到来，最后根据设定的输出方式向外输出信号。为了使该系统具备多车道检测功能，系统最大可支持4路车检器同时工作。

2.4 主机状态管理模块

主机状态管理模块为各个模块提供可控制、可监控的隔离DC电源，支持环境温度监测和温度控制，同时加入前端设备门禁管理。上位机通过串口接收主机状态管理板供电、环境温度和门禁信息。远程客户可以通过网络在后台监测系统供电安全，当前环境温度以及前端安全门是否被打开等信息，同时可远程控制各个模块的电源重启、关闭及温度范围设置等。主机状态管理模块结构示意图如图3所示。

3 ITS嵌入式控制主机主要软件设计

3.1 嵌入式检测主机网关

网关采用嵌入式XPE平台实现了对相机、电源保护板、车检器控制底板、电源管理板和交换机的控制和大量数据的存储。通过C/S结构和B/S结构实现了与用户交互数据，使用户分别通过客户端软件和浏览器实现远程监控目标区域的卡口信息。

3.2 电源保护板程序

电源保护板为了实现复杂环境下的电源保护，在程序设计时采用3路A/D分别采集漏电信息、过压欠压信息、过流信息。当采样值不在默认阈值范围内时，对应计数标志加1，将当前数据存入EEPROM，并发送给检测主板，最后通过继电器关闭负载电源。随后判断计数标志的值，计数标志每隔24 h自动清零，若计数标志大于3，则说明一天内自动重合4次已经失败，将关闭负载电源并退出循环。当计数标志小于等于3时，系统将延时：

时间后，再次判断采样值是否属于默认阈值范围，若大于则继续延时t s;若不属于默认阈值范围,则开电源继续执行程序。程序流程图如图4所示。

3.3 主机状态管理模块程序

主机状态管理模块为一个实时系统，采用轮询的思想，对各个功能模块轮流查询，分时处理。实现电压监测、温度控制和门禁管理。其中指令的接收通过串口接收中断服务程序实现，以实时响应上位机的请求。主机状态管理模块流程图如图5所示。

4 设备测试结果分析

在前端设备数据进入业务层之前，为了方便观察设备工作情况，为系统编写了串口上位机测试软件，包括电源保护模块测试、主机状态管理模块测试和多路车检器测试，测试结果如图6所示。

ITS嵌入式控制主机在设计完成后经过高低温测试，能够在-20°C～80°C温度的范围下正常工作，实现了多车道的车流量监测、过车抓拍、逆行抓拍、超速抓拍、压黄线抓拍、车辆测速功能，同时具有智能交通前端设备的自我保护、自我检测和远程监控功能。设备在多个路口进行了实际测试，在测试过程中进一步对系统的稳定性及准确性做了调整和校正。

[1]尹航.基于DSP的嵌入式智能交通监控系统前端设备设计与实现[D].哈尔滨∶哈尔滨工程大学,2011.

[2]高健,沈庆宏，高敦堂.ITS中车辆检测器设备的研究与实现[J].交通与计算机,2002,20(5)∶15-17.

[3]陆惠丰.交通事件自动检测和监视功能的设计和实现[D].上海∶上海海事大学,2005.

[4]臧利林,贾磊,秦伟刚,等.基于环形线圈车辆检测系统的研究与设计[J].仪器仪表学报,2004,25(Z1)∶29-31.

[5]杨东,张应龙,林丛,等.漏电保护器设计技术[M].北京∶化学工业出版社,2010.