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                        信號機主控系統設計(Linux+ARM)

                        添加時間:2019/07/05 來源:長安大學 作者:楊龍
                        根據系統總體設計方案,設計了以 ARM11 微處理器 S3C6410 為核心,Flash存儲芯片 K9GAG08U0D 和 SDRAM 存儲芯片 K4X1G163PC 為存儲系統,DM9000AE為網絡接口芯片的信號機硬件系統。
                        以下為本篇論文正文:

                        摘要

                          交通是現代城市生活的命脈,是衡量一個城市文明進步的一個重要標志。城市交叉口是組成城市路網的基本單元,是城市交通的瓶頸地帶。交叉口的通行能力直接影響著城市路網的通行能力。但是,在我國的具體國情和復雜的城市交通狀況限制下,現有的信號機并不能充分發揮其作用,道路擁堵情況尤為嚴重。針對這些問題,本文深入研究了基于 Linux嵌入式操作系統、ARM11 微處理器 S3C6410、ActiveMQ 消息服務器和 Xml 通信協議的信號機主控系統,并在此基礎上提出了軟、硬件設計以及實現方案。

                          本文首先分析了信號機主控系統的工作原理并確定了系統的功能需求,主要包括交通信號控制方案的存儲及實施、基于Xml協議的ActiveMQ 消息服務器網絡通信、自動校時等。根據實際需要以及我國交通部的相關規定,確定了信號機主控系統的網絡通信技術及通信協議,以此為基礎完成了系統的總體設計;在此之后根據功能需求,完成了信號機主控系統的硬件總體設計和詳細設計,其中主要包括微處理器和存儲設備的選型、以太網等外圍電路設計等;在硬件設計的基礎上,為信號機主控系統移植了嵌入式Linux操作系統、各硬件模塊驅動和第三方動態庫等;最后,根據軟件模塊化設計思想為信號機主控系統設計了各功能軟件,包括消息服務軟件、控制模塊軟件、附加模塊軟件等,并采用非阻塞和多線程技術實現各模塊的協同工作,最終實現了信號機主控系統的全部功能。

                          通過對信號機主控系統進行的系統集成、模塊測試和整體測試表明,本文實現的信號機主控系統能夠穩定的運行各信號燈控制方案并可根據不同的時段進行相應的控制方案切換、能夠與 ActiveMQ 消息服務器進行 Internet 通信、能長久保存信號機各控制方案等,系統具有較高的實用價值,是對城市交叉口信號燈控制的一次有價值的深入探索與研究。

                          關鍵詞:計算機應用,信號機,Linux,嵌入式系統,ActiveMQ,Xml

                        Abstract

                          Traffic is significant to the people who live in the modern city, which is also the important mark when measuring the progress of the urban civilization. The intersection in the city is fundamental unit of the urban road network, and the bottleneck to the urban traffic as well. The traffic capacity of the intersection produces a direct effect on that of the urban road network. However, under the limitations brought by the specific situation of our country and the complex urban traffic, the currently available signal machines haven’t fully functioned, which leads to the serious traffic congestion. In order to solve the problems above, the paper lucubrated the embedded OS based on Linux, the ARM11 microprocessor S3C6410, ActiveMQ message server and the signal machine main control system based on the Xml communication protocol, then proposed the design and implementation schemes of the software and the hardware.

                          The paper firstly analyzed the operating principle of the signal machine main control system, and then confirmed the functional requirements of it, including the storage and the implementation of the traffic signal control scheme, the network communication of the ActiveMQ message server based on the Xml protocol,the automatic time adjustment and so on. According to the practical needs and the related provisions of the Ministry of Communications, the paper selected the network communication technology and the communication protocol of the signal machine main control system.Then on the basis of the functional requirements, the paper completed the overall design and the detail design for the hardware of the signal machine main control system, mainly including type selection of the microprocessor and the storage device, the design of the peripheral circuit for the Ethernet and so on. On the basis of the hardware design, the embedded Linux OS, hardware device modules and the third-party libraries were transplanted into the system.Finally, the paper designed the functional software for the system based on the module design thoughts, including the message service software, the control module software, the additional modules software and so on, realized the cooperative work among modules using the non-blocking and multithreading, and finally realized all the functions of the system.

                          The SI, module testing and the integration testing on the signal machine system indicated that the signal lights controlling scheme can be operated steadily on it, and the system can switch the control schemes according to the different time sections, carry out the Internet communication with the ActiveMQ message server, store the signal machine control schemes in a long term and so on. The system possesses a higher practical value, which is also a worthy deep exploration to the signals light controlling in the city intersections.

                          Key words: Computer Application, signal machine, Linux, Embedded OS, ActiveMQ, Xml

                          我國機動車保有量的迅速增長,使我國城市路網建設面臨嚴峻的挑戰,這也直接導致城市交通擁堵問題的日益加劇,且在經濟發達的城市這一問題尤為突出。它在不斷制約我國城市經濟發展進程的同時,也給城市居民的生活帶來極大的不便,嚴重阻礙城市居民的生活品質和工作環境的提升。城市交通的擁堵問題是當今最為普遍的、也是亟待解決的重要問題之一,無論是在發達國家還是在發展中國家,都不容忽視。而針對城市交通擁堵問題,最為普遍和常用的解決方法就是增加城市交通基礎服務設施的建設。但是,由于城市土地資源的有限性,已經不能單一靠增加交通設施(如增建城市道路等方法)來解決城市交通擁堵問題,除此之外道路維護等后續的服務也需要較高的代價,因此該方法已經不能作為當前解決城市交通擁堵問題的著力點。目前,其研究方向和熱點為如何在現有路網條件的基礎上,最大限度的利用現有交通設施并完善交通信號控制方法,從而改善交通管理服務水平。因此,智能交通系統應運而生。

                          智能交通系統(Intelligent Traffic System,簡稱 ITS)又稱智能運輸系統(IntelligentTransportation System),它結合了包括運籌學、信息技術等學科領域中目前最為先進的技術,再將其運用于交通運輸領域,在這種促進下,車輛、道路以及交通參與者之間的關系更為緊密,進而使得運輸系統的安全性和效率更高,同時又能為節能減排做出不小的貢獻[1,2]。

                          城市交通信號智能控制系統(Intelligent Transportation Signal Control System, 簡稱ITSCS)是 ITS 中最為核心的部分,其主要完成的工作有:將隸屬于交通系統主干線上的所有交通信號控制機連接到交通控制系統網絡,并實現了基于層次化管理的大范圍區域交通的優化以及控制。交叉口信號控制機的目標為實時自適應控制以實現路口平均車輛延誤最小化,在多種交通控制模式并存的基礎上能夠靈活調整,實現單點交通優化。區域控制中心通過實時采集各交叉口車流量以及各主干線交通狀態信息等數據,來調整各交叉口信號控制機的相位差和信號周期時長,這樣便可以在最大化受控區域通行量的基礎上,進一步保證主干線車流暢通;受控區域內的實時交通信息均可以被控制中心獲取,基于這些信息,控制中心便可以對受控區域進行全局性的管理,并且對各子區域的交控策略實現動態調整,同時,通過信息化發布平臺(如多媒體、廣播電臺等)實時發布交通誘導信息來引導人們的出行,實現交通暢通;在對以前所積累下來的歷史交通數據進行分析挖掘之后,系統可以提高交通流量的預測范圍,并在此基礎上總結出受控區域交通流量的規律特性,最終對交控策略進行合理優化。ITSCS 在實現時具有如下特點:

                         。1)將物聯網中先進的“感知層—傳輸層—控制層”理念應用于 ITSCS 中。將交通流量檢測及數據采集設備(例如車輛檢測器、攝像頭等)作為感知層;以網絡設備(如有線以太網、3G 網絡、GPRS 等)作為交通物聯網的傳輸層;以城市交通控制中心作為控制層。

                         。2)采用云計算技術中的“中央協調—區域智能—單點優化控制”分布式控制架構。其中,交叉口信號控制機的主要功能為:路口交通流數據的采集和傳輸、控制方案參數的自適應優化,以及單點最優信號控制的實現;以某一路口為中心,建立區域智能控制體系,協調控制該區域內各干線的信號控制機,在保證綠波帶寬最大化的基礎上,動態調整各相位相關參數,以實現多相位下的區域協調控制。

                         。3)采用“數據庫主機群—應用服務器群—客戶機”組成的三層體系結構,這種體系結構可以很好的完善包括可擴展性、開放性以及安全性在內的一系列系統特性。此外,在對交通信號進行優化控制、為交通誘導系統和公交服務系統提供數據等方面,三層體系結構也有著很大的優勢,同時,基于這種結構,系統可以共享交通狀態參數。

                         。4)采用基于決策層、戰略層和戰術層相結合的優化原則。為保證城市交控系統在車流隨機性和波動性較大時,依然能夠對信號控制策略進行合理的調整,并且可以在系統層面做出優化,這里要求系統必須具有動態統籌協調以及靈活調整控制策略的能力。

                          人們日常出行時直接面對的交通信號燈就與該系統中的信號機相連。因此,交通信號控制機(信號機)是 ITSCS中最直接的現場交通控制設備。

                          近幾年,國家為解決交通擁堵、交通事故等問題,加大了對交通控制管理基礎設施的建設,從而對交通信號控制機的需求也不斷增加,這為我國交通信號控制機的發展創造了良好的環境和契機。因此,不斷提高和改善我國交通信號控制技術,對于城市交通通行能力的提高,城市交通擁堵的緩解,城市通行安全的保證來說都極為必要,此外,對我國和諧、節約型社會建設進程也有極大幫助。

                          在此背景下,本文研究并設計了一種基于 CAN 總線的信號機主控系統,信號機主控系統通過 CAN 總線與其它副板連接,并對其進行統一管理與控制。雖然,我國已經存在了許多信號機系統,但基于 CAN 總線的信號機并不多見,因此基于 CAN 總線的內部數據傳輸方式也可被視為本文的一大特點。

                        信號機主控系統設計(Linux+ARM):

                        信號機主控系統實物圖
                        信號機主控系統實物圖

                        系統上電后程序自動運行
                        系統上電后程序自動運行

                        信號機自動 IP 地址
                        信號機自動 IP 地址

                        系統獲取 GPS 時間
                        系統獲取 GPS 時間

                        信號機主控系統數據發送
                        信號機主控系統數據發送

                        ActiveMQ 消息接收
                        ActiveMQ 消息接收

                        內存資源占用
                        內存資源占用

                        CPU 使用情況
                        CPU 使用情況

                        目 錄

                          第一章 緒論
                            1.1 研究目的及意義
                            1.2 國內外研究狀況
                            1.3 研究的內容和主要工作
                          第二章 交通信號控制基本理論及 ARM-Linux技術簡介
                            2.1 交通信號控制基本概念
                              2.1.1 交通信號燈控制參數
                              2.1.2 交通信號燈控制類型
                            2.2 ARM-Linux 技術
                              2.2.1 ARM 及 ARM 內核
                              2.2.2 嵌入式 Linux 系統
                          第三章 信號機主控系統總體設計
                            3.1 交通信號機系統體系結構
                            3.2 信號機主控系統分析
                              3.2.1 工作原理
                              3.2.2 功能需求
                            3.3 信號機主控系統通信技術
                              3.3.1 ActiveMQ 消息服務器
                              3.3.2 交通控制系統中的 Xml 協議
                            3.4 信號機主控系統總體設計
                          第四章 信號機主控系統硬件設計
                            4.1 硬件總體設計
                            4.2 微處理器選型
                            4.3 存儲器選型
                              4.3.1 NAND Flash 選型
                              4.3.2 SDRAM 選型
                            4.4 以太網電路
                            4.5 3G 模塊電路
                            4.6 GPS 校時電路
                          第五章 信號機主控系統操作系統及驅動移植
                            5.1 Linux 操作系統移植
                              5.1.1 建立交叉編譯環境
                              5.1.2 BootLoader 移植
                              5.1.3 Linux 內核移植
                              5.1.4 Yaffs2 文件系統移植
                            5.2 設備驅動移植
                              5.2.1 NAND Flash 驅動
                              5.2.2 SDRAM 驅動
                              5.2.3 UART 串口驅動
                              5.2.4 以太網卡驅動
                              5.2.5 CAN 總線驅動
                            5.3 ARM-Linux 開機啟動設置與第三方庫移植
                              5.3.1 第三方動態庫編譯與移植
                              5.3.2 ARM-Linux 開機啟動設置
                            5.4 SQLite 嵌入式數據庫
                              5.4.1 SQLite 數據庫介紹
                              5.4.2 SQLite 數據庫移植
                          第六章 信號機主控系統應用軟件設計及實現
                            6.1 應用軟件總體設計
                            6.2 通信模塊軟件設計
                              6.2.1 ActiveMQ 消息服務器軟件設計
                              6.2.2 Xml 通信協議軟件設計
                            6.3 控制模塊軟件設計
                              6.3.1 單點定周期控制
                              6.3.2 綠波控制
                              6.3.3 BRT 控制
                              6.3.4 全感應/半感應控制
                              6.3.5 手動控制/實時演示
                            6.4 附加模塊軟件設計
                          第七章 信號機主控系統集成與測試
                            7.1 集成
                            7.2 測試
                              7.2.1 Linux 系統配置及自動獲取 IP 測試
                              7.2.2 GPS 信號接收測試
                              7.2.3 ActiveMQ 消息服務器通信測試
                              7.2.4 總體測試
                          總結與展望
                          總結
                          展望
                          參考文獻
                          致謝

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