基于RFID的智能信號燈解決方案

2 系統硬件設計

2.1 信號機主控端模塊

主控制機采用處理器AT91RM9200，它是基于ARM的ARM920T內核，集成了豐富的外圍功能模塊，非常適合于實時控制，且支持實時操作系統，運算速度高。

信號機采用12/5V電源供電，AT91RM9200工作于3.3V和2.5V，系統內其它器件選擇工作電壓為3.3V和5V。

信號機在系統內部通訊和區(qū)域協調控制中需要時間同步，因此設計RTC（實時時鐘）用來對時。AT91RM9200內部集成RTC單元，只需要外接晶振就能工作，十分方便。

信號機主控端需要存放引導程序、嵌入式操作系統及其文件系統和應用程序，還有其它在運行過程中需要保存的數據，所以要通過外存儲單元來擴展存儲空間，包括SDRAM、NorFlash和NandFlash。NorFlash主要用于存放引導程序Bootloader和操作系統linux內核鏡像，系統上電或復位后從FlashROM中運行Bootloader，由Bootloader初始化硬件并將linux拷貝到SDRAM中運行。

NandFlash主要用于存放應用程序和數據。

為方便人機界面的操作，AT91RM9200內置LCD（液晶顯示器）驅動控制器，能自動產生LCD驅動控制信號，可以與LCD直接連接。鍵盤模塊通過ZLG7290B擴展一個4×4的鍵盤矩陣，ZLG7290B通過IIC串行總線與處理器進行連接。

考慮到信號機的體積，也為了方便設備的升級、擴展，從信號機控制板引出數據總線、地址總線和必要的控制信號，設計統一的系統總線，通過總線來調度控制各個功能板塊，如車流信息采集板塊、信號燈控制器板塊、紅外線接收板塊、故障檢測板塊等。這些板塊與相應的功能模塊一一對應，以插槽接口與信號機控制板相連。

2.2 車流量信息采集模塊

射頻識別，即RFID（Radio Frequency IDentification ），俗稱電子標簽，它是一種非接觸式的自動識別技術，通過射頻信號自動識別目標對象并獲取相關數據，工作過程無需人工干預，可應用于各種惡劣環(huán)境。一套RFID設備包括射頻標簽，天線和讀寫器三個部分。天線和讀寫器安置在路邊，當帶有射頻標簽的車輛通過該路段時，讀寫器會通過天線接收返回載有RFID信息的射頻調制信號，經處理后傳給信號機主控端，完成路況數據的信息采集。有關數據也經由本地信號機向上位機－－地區(qū)信號燈系統控制端發(fā)送。車流信息在信號機主控端內經過建模計算，可以獲得當前信號燈所需的周期時間。

2.3 緊急干預模塊

在系統中加載遙控電路，以支持用紅外遙控器作緊急干預。采用8通道紅外發(fā)射/接收專用集成電路BA5104/BA5204，它能發(fā)射6個持續(xù)信號2個單次信號，串行口接入方便，且價格低，穩(wěn)定性強。紅外接收端與信號機控制板總線相連，可以將遙控器按鍵信號傳遞至信號機主控端進行中斷處理，且優(yōu)先級最高。

2.4 故障檢測模塊

交通信號燈工作環(huán)境較為復雜，可能存在各種難以預測的電源、電磁干擾及信號機自身的隨機性障礙。為了保證系統的可靠運行，除了采用軟件對策外，專門引入了硬件看門狗復位電路MAX708CPA ,該器件具有μP復位、掉電監(jiān)測、手動復位等功能，可以起到較好的保護作用。此外，利用含有電壓檢測與電流檢測的故障檢測電路，對信號燈控制器和信號燈作出實時檢測，將返回的TTL電平信號傳遞至信號機主控板，信號機系統可以根據不同的結果選擇繼續(xù)執(zhí)行，或者向上報警，甚至自行關機。

2.5 信號燈控制器模塊

信號燈控制器是信號機與信號燈之間必需的硬件連接。路口信號燈的各種燈色狀態(tài)是由信號燈控制器對信號機數據進行處理轉化而成的。

2.6 地區(qū)聯動模塊

本地信號燈系統與地區(qū)信號燈系統管理端采用局域網絡（LAN）進行雙向通訊。本地信號機控制端將待處理的數據信息通過Web Service應用程序接口封裝好發(fā)給地區(qū)信號燈系統控制端，處理工作由后者完成，再把最終結果返回給本地信號機。Web Service技術充分利用地區(qū)信號燈系統控制單元的計算能力，減輕了本地信號機的處理器開銷，使得信號燈系統更加穩(wěn)定和易于維護。

3 軟件實現

主程序流程圖如圖3所示。



圖3 主程序流程圖

交通信號燈系統程序可分為以下幾個模塊：

信號機主程序模塊是整個系統的主要模塊，它按優(yōu)先級利用其它模塊的執(zhí)行結果，生成當前信號燈周期。

定時控制程序模塊支持通過鍵盤輸入固定的時間數值，改變當前所執(zhí)行的信號燈周期，以人工經驗與系統相結合，體現出人機交互能力。

車流調節(jié)程序模塊是利用RFID技術識別交通路口附近的車流量，經由GA（遺傳算法）并引入模糊邏輯理論[6]，對路口交通情況進行實時分析計算，依據結果對信號燈周期進行調整。本系統中，此模塊也是最能體現智能化的部分。此外，通過RFID技術的擴展技術，即車輛自動識別管理（AVIM） 系統，把車流信息與車輛信息監(jiān)控管理中心連接起來，就可構成車輛信息管理平臺。

定時調節(jié)程序模塊是針對已經形成一定路況規(guī)律的路段而設置的?？梢砸淮涡灶A先設定每天不同時段對應不同的信號燈周期。比如，晚上車流量較少，可做定時調節(jié)將紅綠燈改成閃爍的黃燈，當第二天指定時刻到來時，自動恢復紅綠燈。

黃閃警告程序模塊可以立刻中斷所有的紅綠燈，全部改成閃爍黃燈。主要是在車流量很小的時段使用，可以提高通行效率。

遙控強置程序模塊是為交警現場指揮交通而設計的，只需用遙控器對紅外接收端按下特定的按鈕，就可以對現場的信號燈相位全部強制重置，特別適用于單向塞車車流的調節(jié)和像救護車救火車這樣需要無障礙通行的交通工具快速通過路口。

聯動處理程序模塊是用來處理上位機（交警聯動中心控制機）所發(fā)來的指令。信號燈聯網以后，整個區(qū)域的交通路口就可以進行協調聯動控制，如果一個路口發(fā)生擁堵，聯動中心可以發(fā)來指令，適當延長相鄰路口信號燈來車方向的通行時間，有效疏導交通。

“看門狗”程序模塊在主程序運行異常時可產生的一個溢出信號，并通過引腳向處理器發(fā)送復位信號，使主程序重新開始運行。

系統檢測及報警程序模塊是應對信號燈故障而設置的，它根據返回的TTL電平信號作出判斷，一旦發(fā)現問題，將把出錯信息實時向上反映，為進一步的系統維護提供依據。

4 結論

研制智能型交通信號燈系統，可以有效改善交通現狀，提高現有道路資源的利用率，節(jié)約社會成本。本系統基于AT91RM9200處理器，以應用為中心，采用嵌入式操作系統，設計上具有成本低，操作簡易，擴展方便，信息共享度高，靈活性強等特點，有很好的參考價值和較高的實用價值。