智能交通多接口智能终端研究与实现

吕东方，张正华，刘　平，顾　骏，徐　杨

(扬州大学 信息工程学院，江苏 扬州225127)

智能交通多接口智能终端研究与实现

吕东方，张正华，刘平，顾骏，徐杨

(扬州大学 信息工程学院，江苏 扬州225127)

摘要智能交通是智慧城市建设的重要部分，在ZigBee无线通信技术和嵌入式技术基础上，设计了一种用于智能交通环境监测的多接口智能终端。硬件开发平台采用基于S3C6410处理器的Tiny6410开发板，并结合ZigBee无线通信技术，设计出了交通环境监测系统的总体方案。多接口智能终端通过ZigBee接收环境数据，经处理后通过以太网或WiFi无线网络发送到服务器。经测试，系统运行准确可靠。

关键词智能交通；环境监测；ZigBee；无线传感器网络

Research and Implementation of Multi-interface Intelligent Terminal in Intelligent Transportation

LV Dong-fang，ZHANG Zheng-hua，LIU Ping，GU Jun，XU Yang

(SchoolofInformationEngineering，YangzhouUniversity，YangzhouJiangsu225000，China)

AbstractThe intelligent transportation is an important part of wisdom city construction. This paper designs an intelligent transportation environmental monitoring systems based on ZigBee wireless communication technology and embedded technology. The hardware development platform uses Tiny6410 development board based on S3C6410 processor，and the the overall scheme of traffic environment monitoring system is designed based on ZigBee wireless communication technology. The multi-interface intelligent terminal collects traffic data by ZigBee wireless network，then processes and sends the data to server via wired Gigabit Ethernet or WiFi wireless network. The test results show that the system is accurate and reliable.

Key wordsintelligent transportation;environmental monitoring;ZigBee;wireless sensor network

0引言

物联网技术的发展推动了智慧城市、智能交通的建设[1]，嵌入式多接口智能终端的需求不断增加。准确的交通数据是分析掌握交通规律、优化交通体系的关键，如何获取实时可靠的交通数据一直是智能交通系统发展的重要问题。无线传感器网络技术所具有的优良特性[2]是智能交通系统采集信息的一种非常有效手段，作为现有有线技术的补充，无线传感器网络的建立和维护方便，非常适合于部署在有线传输不能覆盖的路段[3]，极大地降低整个交通系统部署维护成本。目前，分布式无线传感器网络技术在交通信息采集领域的研究已经引起了国内外许多企业和研究机构的高度关注[3-4],无线传感器网络在智能交通方面的应用已经成为热点研究领域。

智能交通系统发展已有十多年[5]，然而，传统的智能交通信息采集系统主要采用光纤或以太网传输，致使整个交通系统部署维护成本极高，而且系统接口有限，查询监测数据不够方便。本文设计了一种智能交通环境监测系统，该系统既可以采集存储交通数据，还可以实现对交通信息实时有效的监测和分析，具有安装维护容易、查询监测灵活等优点。

1系统方案设计

多接口智能终端采用嵌入式ARM微处理器S3C6410作为系统硬件平台，采用嵌入式Linux作为操作系统软件平台。设计了以 ZigBee 无线通信技术为基础的交通监测网的网关， ZigBee 无线传感器网络技术解决分散的智能采集节点集中管理以及查询维护困难问题，采集点通过ZigBee无线网与ARM网关交换数据。智能节点对节点数据进行采集如温度、湿度和二氧化碳含量等，通过ARM网关对这些数据进行打包处理，然后通过以太网或WiFi无线网络向服务器发送数据，或通过手机进行交通数据的实时查询。系统总体设计如图1所示。

图1　系统总体结构

智能交通环境监测系统主要包括3部分：系统前端由环境监测传感器模块和ZigBee无线收发模块构成系统数据采集模块；系统中端是ARM嵌入式网关模块；系统后端由以太网模块、WiFi模块及服务器系统构成。

2系统硬件设计

2.1　网关硬件结构

网关硬件结构如图2所示,因ARM微处理器具有体积小、低功耗、低成本及高性能等优点[6]，嵌入式网关采用广州友善之臂生产的Tiny6410开发板，系统主控芯片采用ARM11处理器S3C6410，它是一款低功率、高性价比、高性能的用于手持、移动等终端设备的通用处理器。S3C6410具有丰富的硬件功能外设，如摄像头接口，TFT 24 bit真彩色LCD控制器，系统管理单元(电源时钟等)，4通道的UART，4通道定时器，通用I/O口，32通道的DMA，I2S总线，I2C总线，USB Host，高速USB OTG，SDIO接口及内部的PLL时钟发生器，降低整个系统的成本和提升总体功能。

图2　嵌入式网关系统结构

ZigBee无线收发模块采用德州仪器(TI)的CC2530芯片，该芯片它结合了高性能的射频收发器和一个高性能低功耗的8051微控制器，适合用于搭建功能健全价格低廉的网络节点。CC2530在单个芯片上集成了IEEE802.15.4 标准2.4 GHz频段的RF 无线电收发机，具有优良的无线接收灵敏度和抗干扰性[7]。

嵌入式WiFI模块采用WM-G-MR-09型号的SDIO接口模块，可以实现开发板数据通过SDIO口到无线网络之间的转换。SDIO具有较快的传输速率，可以有效并快速的传输数据，满足系统要求。

2.2　ZigBee无线收发模块硬件设计

ZigBee无线传感器网络系统由数个ZigBee终端节点和一个ZigBee中心节点(协调器)搭建而成，是一个星形网络拓扑结构。分散的终端节点上的温湿度等传感器将采集环境温湿度信息，并由终端节点将这些信息通过ZigBee无线芯片发送到中心节点。中心节点将收到的信息及时传送的ARM嵌入式网关。

3系统软件设计

3.1　网关主程序设计

嵌入式网关程序是软件系统的核心部分，连接系统前端数据采集模块和系统后端服务器模块。本小节主要介绍网关主程序、串口通信程序及UDP通信程序设计流程图。

网关主程序主要通过串口读取系统前端采集道的数据，再通过UDP通信程序发送到服务器。首先打开串口，当成功后开始设置并初始化串口，准备读取串口数据。然后创建套接字，准备将数据发送到服务器。系统就绪后，主程序开始读取串口数据，打包缓存后发送到服务器。网关主程序流程如图3所示。客户端程序流程如图4所示。

图3　网关主程序流程

图4　客户端程序流程

3.2　串口通信程序设计

Linux下串口驱动程序在内核角度看是以设备存在，在用户层看来是以文件存在，所以要对串口进行操作，就是直接找到相应设备文件，调用驱动提供的接口函数直接完成对串口的操作。本设计串口驱动设备位于“/dev/ttySAC2”,可以通过访问该设备来完成对串口读写操作。

串口通信程序首先打开串口，接着配置串口相关参数，然后就是对串口进行读写操作[8]。打开串口成功后，会返回一个文件标识符fd，用write函数向该标识符里写东西来发送，在接收端里用read函数将接受到的字符保存buff里并进行显示。

3.3　UDP通信程序设计

首先，服务器创建一个UDP数据报类型的套接字，接着调用bind()函数，将UDP套接字绑定到指定端口。因为UDP通信无需像TCP通信那样建立连接[9]，所以服务器直接通过recvfrom()函数在指定的服务器端口等待接收来自客户端的UDP数据报。同样，在客户端也是先通过Socket()函数创建一个数据报套接字，绑定端口后，客户端通过sendto()函数向指定的地址发送UDP数据报[10]。服务器端对接收到的数据报进行处理后，通过sendo()函数将结果发送到客户端。

3.4　ZigBee收发模块程序设计

ZigBee收发模块的程序是基于Z-Stack协议栈开发的，该协议栈是由TI公司发布的，可以免费下载使用。在创建协调器器和终端节点程序时，可以使用提供的Z-Stack 模板，通过修改APP 程序来完成所需要的功能。

3.4.1协调器的程序设计

协调器的程序设计大致流程图如5所示。协调器上电后，首先完成节点硬件和协议栈的初始化。然后开始扫描信道，ZigBee协调器建立网络，等待终端的节点的加入。当收到终端节点入网请求时，协调器检查地址空间是否已满，未满时则终端节点入网成功，协调器开始接收终端传来的节点数据，并发送到嵌入式网关。若地址空间已满，则终端节点入网失败，进入休眠状态[11]。

图5　协调器节点程序流程

3.4.2终端节点的程序设计

终端节点的程序大致流程图如图6所示。

图6　终端节点程序流程

终端节点能够自动加入网络，节点上电完成初始化后，发送入网请求，当收到协调器入网响应时，发出绑定请求(函数为zb_BindDevice())。当协调器节点绑定成功响应后，完成绑定操作。ZigBee终端节点开始读取监测模块的数据，并将数据发送给协调器。

4系统测试分析

基于ZigBee无线传感网络的智能交通环境监测系统网关主要测试系统运行正确性及系统传输数据的准确性与稳定性。在测试中，使用了2种测试软件：常用的SecureCRT超级终端和编好的PC服务器监控软件。

4.1　系统前端测试

系统前端测试主要测试监测传感模块、ZigBee收发模块及ARM网关应用程序。实验测试环境在实验室，使用ZigBee收发模块、监测传感模块、ARM网关和SecureCRT超级终端软件。

从串口输出数据可以看到，温湿度通过对比当时温湿度测试仪的结果，采集的温湿度数据与实际温湿度基本吻合，说明监测传感模块，ZigBee无线收发模块，及ARM网关应用程序功能正常，系统前端运行良好。

4.2　系统后端测试

系统后端测试主要测试ARM网关应用程序与PC服务器软件通信能否正常，及嵌入式WiFi模块能否正常使用。实验测试环境在实验室，使用ZigBee收发模块、监测传感模块、SDIO-WiFi模块、ARM网关和PC服务器软件。

实验结果如图7所示。

图7　系统后端测试温湿度趋势

从图7可以看到，PC服务器监测软件成功显示出当时温湿度信息，说明ARM网关与PC服务器通信正常，PC监控程序可以正确显示监控数据，运行无误。图中数据前半段是通过网线传输的，后半段是通过WiFi模块传输的，经过对比发现，前后数据基本相同，说明嵌入式WiFi模块运行正常，数据传输无误。

5结束语

随着智慧城市建设的迅速发展，智能交通系统的需求越来越紧迫。传统的智能交通信息采集系统主要采用光纤或以太网传输，致使整个交通系统部署维护成本极高。以ZigBee无线通信技术和嵌入式技术为基础，设计了一种基于嵌入式技术的智能交通环境监测系统，该系统具有安装维护容易、查询监测方便等优点，经测试，多接口智能终端运行准确可靠，可以将采集到的环境数据通过有线或无线发送到服务器，系统整体测试效果良好。

参考文献

[1]乔宏章,付长军. “智慧城市”发展现状与思考[J]. 无线电通信技术，2014，40(6):1-5.

[2]VIVEK K，PRASHANT K，NAROTTAM C.An Intelligent Transportation Systems Architecture using Wireless Sensor Networks[J].International Journal of Computer Applications,2011，14(2):22-23.

[3]张足生，王志奇.基于无线传感器网络的智能交通系统[J].先进技术研究通报，2010，4(5):37-38.

[4]王伟.基于无线传感器网络车辆信息采集技术研究[D].合肥：合肥工业大学硕士学位论文， 2012.

[5]YAN Xin-ping. Research and Development of Intelligent Transportation Systems[R].Guilin：Distributed Computing and Applications to Business，Engineering & Science (DCABES)，2012.

[6]周立功.ARM嵌入式系统基础教程[M].北京：北京航天航空大学出版社，2008.

[7]Texas Instrument.CC2530 User’s Guide[M].Dallas:Texas Instrument Corporation，2009.

[8]周立功.ARM嵌入式系统软件开发实例[M]. 北京：北京航天航空大学出版社，2005.

[9]苑晓芳,刘志广.Linux下基于TCP传输组件的实现[J].无线电通信技术，2014,40(4):46-49.

[10]弓雷. ARM嵌入式Linux系统开发详解[M].北京：清华大学出版社，2010.

[11]章伟聪. 基于CC2530及Ziee协议栈设计无线网络传感器节点[J].计算机系统应用，2011，20(7):186-187.

吕东方男，(1991—)，硕士研究生。主要研究方向：嵌入式系统。

张正华男，(1965—)，副教授,硕士。主要研究方向：视频图像处理及编解码、实时信号处理等。

作者简介

基金项目：江苏省产学研联合创新资金(前瞻性联合研究)项目(BY2013063-10)；扬州市2012年产学研合作专项(2012038-8)。

收稿日期：2015-05-22

中图分类号TN919

文献标识码A

文章编号1003-3106(2015)08-0087-04

doi:10.3969/j.issn.1003-3106.2015.08.24

引用格式：吕东方，张正华，刘平，等. 智能交通多接口智能终端研究与实现[J].无线电工程，2015，45(8)：87-90.