摘 要： 基于嵌入式Web的電子交警系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用數(shù)碼相機作為圖像拍攝主體，利用ARM S3C4510B微處理器，通過以太網(wǎng)進行圖像的遠程傳輸。
關(guān)鍵詞： 電子交警系統(tǒng) 嵌入式Web 數(shù)碼相機
近年來智能交通系統(tǒng)發(fā)展迅速，它力圖把先進的信息技術(shù)、通信技術(shù)、計算機技術(shù)、電子控制技術(shù)等高新技術(shù)有效地集成運用于整個交通運輸管理體系，在大范圍內(nèi)建立起一種全方位的實時、準確、高效的交通運輸綜合管理系統(tǒng)。迄今為止，日本、美國、西歐、澳大利亞等國家和地區(qū)都建立了相應(yīng)的機構(gòu)從事相關(guān)的開發(fā)應(yīng)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(tǒng)的主要功能就是抓拍、處理機動車闖紅燈現(xiàn)象，這是現(xiàn)代城市交通監(jiān)控系統(tǒng)的重要組成部分。目前，由于機動車闖紅燈的相關(guān)信息還沒有實時地接入網(wǎng)絡(luò)，違章車輛的受理、罰款、辦結(jié)等后期管理存在著很大的滯后性。因此，本系統(tǒng)采用了基于嵌入式Web的方案，保證了系統(tǒng)的實時性，高精度數(shù)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(yīng)用效果。
1 設(shè)計方案
圖1為系統(tǒng)總體設(shè)計方案。
1.1 硬件部分
硬件部分的結(jié)構(gòu)如圖2所示。
ARM(Advanced RISC Machines)是微處理器行業(yè)的世界知名企業(yè)，設(shè)計了大量高性能、低能耗、廉價的RISC處理器及相關(guān)軟件。從性價比、實用性等角度出發(fā)，本系統(tǒng)使用了Samsung公司基于ARM7內(nèi)核的嵌入式" title="的嵌入式">的嵌入式處理器S3C4510B，外加存儲器芯片、主USB接口、以太網(wǎng)芯片、串并口等構(gòu)建的開發(fā)板系統(tǒng)作為整個系統(tǒng)的硬件開發(fā)平臺。根據(jù)實際需要在接口邏輯電路中設(shè)置不同的參數(shù)，并設(shè)置恰當?shù)幕刂泛椭袛嗵枺悦獍l(fā)生沖突。同時按照開發(fā)板的說明書對引腳進行分配。
1.2 嵌入式系統(tǒng)" title="嵌入式系統(tǒng)">嵌入式系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)
本系統(tǒng)采用μCLinux操作系統(tǒng)。
目前源碼公開的嵌入式操作系統(tǒng)有μC/OS和μCLinux，它們各有特點。μC/OS占用空間少，實時性能優(yōu)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(tǒng)的支持能力,內(nèi)嵌了TCP/IP" title="TCP/IP">TCP/IP協(xié)議，可以借鑒Linux豐富的資源，適用于較復雜的系統(tǒng)。鑒于本系統(tǒng)需要面向以太網(wǎng)，且較為復雜，所以選用μCLinux作為操作系統(tǒng)。μCLinux是Linux的一個變種，主要區(qū)別在于兩者的內(nèi)存管理機制和進程調(diào)度管理機制。同時為了適應(yīng)嵌入式應(yīng)用的需求，μCLinux采用了romfs文件系統(tǒng)，并簡化了Linux上的c語言庫glibc。
本系統(tǒng)的軟件設(shè)計包括μCLinux操作系統(tǒng)的平臺移植、嵌入式操作系統(tǒng)μCLinux的裁減、硬件驅(qū)動程序、應(yīng)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(fā)環(huán)境。ARM開發(fā)板用于運行操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件，PC機則完成目標板所用到的操作系統(tǒng)的內(nèi)核編譯及應(yīng)用程序的開發(fā)和調(diào)試。兩者之間一般通過串口、并口或以太網(wǎng)接口建立連接關(guān)系。
(2)對系統(tǒng)內(nèi)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(qū)動程序包括USB驅(qū)動程序、USB控制器驅(qū)動程序、以太網(wǎng)控制器" title="以太網(wǎng)控制器">以太網(wǎng)控制器驅(qū)動程序等。
(4)應(yīng)用程序主要負責將USB和串口上傳的數(shù)據(jù)傳輸?shù)揭蕴W(wǎng)。
(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(wù)器中的動態(tài)網(wǎng)頁，用于管理和查詢。
2 系統(tǒng)的組成
本系統(tǒng)由前端車輛拍照控制子系統(tǒng)、信息傳輸" title="信息傳輸">信息傳輸子系統(tǒng)和信息查詢管理子系統(tǒng)組成。組成結(jié)構(gòu)如圖3。
2.1 車輛拍照控制子系統(tǒng)
前端車輛拍照控制系統(tǒng)由嵌入式系統(tǒng)、微電腦芯片地感線圈檢測裝置、高精度數(shù)碼相機、相關(guān)通信及傳輸附件組成。違章車輛闖紅燈的瞬間，微電腦芯片根據(jù)檢測地感線圈的信號變化，及時準確地發(fā)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(shù)碼相機快門進行控制，并隨時判斷周圍環(huán)境的光亮度決定是否開啟閃光燈。數(shù)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SM卡(Smart Media Card)中。
2.2 信息傳輸子系統(tǒng)
信息通過網(wǎng)絡(luò)進行傳輸。目前嵌入式系統(tǒng)接入Intemet的方法大致有三種：一是通過專用的Web服務(wù)器；二是通過專用的嵌入式網(wǎng)關(guān)；三是把標準網(wǎng)絡(luò)技術(shù)(TCP/IP)擴展到嵌入式設(shè)備，由嵌入式系統(tǒng)自身實現(xiàn)Web服務(wù)器功能。本文采用第三種方法，只需編寫動態(tài)網(wǎng)頁便可以通過Web瀏覽器方便地管理和查詢相關(guān)信息。
信息傳輸子系統(tǒng)由兩部分組成：一是照片等相關(guān)信息通過數(shù)碼相機USB口到以太網(wǎng)控制器的傳輸過程；二是信息從以太網(wǎng)控制器到以太網(wǎng)的傳輸過程。
2.2.1 從數(shù)碼相機到以太網(wǎng)控制器的信息傳輸
路口綠燈亮后，嵌入式系統(tǒng)中的照片處理任務(wù)判斷相機內(nèi)是否有照片存儲。若有，則通過數(shù)碼相機的USB接口將照片轉(zhuǎn)存到以太網(wǎng)控制器內(nèi)，保證數(shù)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(xiàn)場數(shù)據(jù)保存在照片中，便于事后對照片進行處理。
數(shù)碼相機與以太網(wǎng)控制器通過主USB口進行信息傳輸。該系統(tǒng)所用主USB芯片是Cypress公司的SL811HS。該芯片是專門為嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的，其價格低廉，符合USB1.1規(guī)范。
2.2.2 從以太網(wǎng)控制器到以太網(wǎng)的信息傳輸
將以太網(wǎng)控制器接入以太網(wǎng)，把拍攝下來的違章照片實時傳到以太網(wǎng)上，最終實現(xiàn)違章照片等相關(guān)信息的實時傳輸。
2.3 基于B/S結(jié)構(gòu)的信息管理查詢子系統(tǒng)
車輛的違章照片是交管部門對違章司機進行處理的依據(jù)，因此前端傳回的照片還需要管理。監(jiān)控中心建立一個計算機局域網(wǎng)系統(tǒng)，設(shè)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(jié)等工作。
該系統(tǒng)既要與機動車、駕駛員等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫互聯(lián)，進行嚴格的查找、比對、轉(zhuǎn)遞、封檔，又要與外部多個系統(tǒng)互聯(lián)進行交通違法告知、跟蹤罰款執(zhí)行情況等。其中所涉及的外部系統(tǒng)主要有郵局投遞系統(tǒng)、銀行收款系統(tǒng)、機動車與駕駛員查詢數(shù)據(jù)庫、交通違法數(shù)據(jù)庫。
3 設(shè)計中的關(guān)鍵問題
3.1 實現(xiàn)基于嵌入式Web的以太網(wǎng)接入
該系統(tǒng)用S3C4510B嵌人式處理器及以太網(wǎng)接口芯片RTL8201BL組成以太網(wǎng)測控網(wǎng)關(guān)。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(wǎng)絡(luò)層主要完成以太網(wǎng)TCP/IP協(xié)議和違章現(xiàn)場總線RS－232等協(xié)議的轉(zhuǎn)換，完成以太網(wǎng)與現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)間的互聯(lián)，實現(xiàn)不同以太網(wǎng)與現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)交換。
數(shù)據(jù)的流向：請求信息從以太網(wǎng)來，通過RJ45接口到RTL8201BL，IP包送到S3C4510B，進行拆包，取出數(shù)據(jù)，再按RS－232等現(xiàn)場總線通信協(xié)議重新組成幀；或者將前端拍照系統(tǒng)發(fā)送來的數(shù)據(jù)幀重新打成IP包，向以太網(wǎng)發(fā)送。
網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)年P(guān)鍵是開發(fā)負責數(shù)據(jù)傳輸和遠端命令處理的TCP/IP協(xié)議棧。首先選擇網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的種類。由于照片需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量不大，但可靠性要求較高，因此在傳輸層選用可靠數(shù)據(jù)傳輸控制協(xié)議TCP,在網(wǎng)絡(luò)層選用基本數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議IP。
3.2 在嵌入式系統(tǒng)μClinux中編寫硬件驅(qū)動程序
硬件驅(qū)動程序包括USB驅(qū)動程序、USB控制器驅(qū)動程序、以太網(wǎng)控制器驅(qū)動程序等。在Linux中，驅(qū)動程序可以按照兩種方式編譯，一種是靜態(tài)編譯進內(nèi)核，另一種是編譯成模塊以供動態(tài)加載。由于μCLinux不支持模塊動態(tài)加載，因此這里選用將設(shè)備驅(qū)動程序靜態(tài)編譯到μCLinux內(nèi)核的方式。Linux內(nèi)核啟動時會調(diào)用設(shè)備驅(qū)動程序的初始化函數(shù)對設(shè)備進行初始化。需要為該設(shè)備分配一個主設(shè)備號和從設(shè)備號，不能與已有的設(shè)備號重復，然后新建一個設(shè)備文件。在相應(yīng)的目錄下添加設(shè)備驅(qū)動(接上頁)
文件，修改相應(yīng)的Config.ini和Makefile文件，在內(nèi)核編譯時加載相應(yīng)的設(shè)備驅(qū)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(shè)備。驅(qū)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(diào)度下半部，然后退出。下半部則在相對安全時執(zhí)行數(shù)據(jù)處理工作，這樣可以使下半部在工作期間，上半部能繼續(xù)為其他中斷服務(wù)。
該電子交警系統(tǒng)運用了嵌入式Web、數(shù)字通信等高科技手段，把違章車輛信息實時傳輸?shù)揭蕴W(wǎng)上。監(jiān)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(xiàn)在數(shù)碼相機技術(shù)日新月異，一般數(shù)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(tǒng)的實時性和可靠性，大大減少了違章、繳費以及數(shù)據(jù)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(wǎng)接口芯片取代PC機進行現(xiàn)場控制，只需幾臺網(wǎng)絡(luò)計算機進行監(jiān)控，大大降低了成本。利用數(shù)碼相機和以太網(wǎng)的豐富資源組建該控制系統(tǒng)是一種實時、低成本、高可靠的技術(shù)方案。這一系統(tǒng)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(jīng)濟效益和廣闊的應(yīng)用前景。
參考文獻
1 Samsung.S3C4510B Data Sheet[DB/OL].www.Samsung.com
2 Cypress Semiconductor.SL811HS Data Sheet[DB/OL].www.cypress.com，2002-03
3 馬忠梅，馬廣云.ARM嵌入式處理器結(jié)構(gòu)與應(yīng)用基礎(chǔ)[M].北京：北京航空航天大學出版社，2002
4 馬偉.計算機USB系統(tǒng)原理及其主/從機設(shè)計[M].北京：北京航空航天大學出版社，2004
5 李駒光.ARM應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)詳解-基于S3C4510B的系統(tǒng)設(shè)計[M].北京：清華大學出版社，2004