日常生活中經(jīng)常可以看見某些特殊用途的車輛，這些車輛通過交叉路口時，往往是通過交警臨時操作交通信號控 制機改變信號燈的顏色或是通過相關(guān)人員直接上路指揮等方式以獲得在交叉路口的優(yōu)先通行權(quán)。這樣的做法實時性和安全性都不是很好。射頻識別是一種非接觸式的 自動識別技術(shù)，它通過射頻信號自動識別目標對象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，在無須人工干預(yù)的前提下工作，并可識別高速運動物體且操作快捷方便，同時可工作于各種惡劣 環(huán)境。本系統(tǒng)可以針對特種車輛發(fā)出的申請，對其進行有效地識別，通過位于路口的交通信號控制機或遠程監(jiān)控中心的控制，決定其是否獲得路口的優(yōu)先通行權(quán)。監(jiān)控中心也可以根據(jù)車輛反饋的信息獲得特定路口及其周邊一定范圍內(nèi)的道路交通通行狀況，從而為道路交通的區(qū)域協(xié)調(diào)控制和決策提供有力依據(jù)。

　　1. 系統(tǒng)設(shè)計要求及總體設(shè)計

　 　本系統(tǒng)的硬件平臺主體主要包括射頻識別(RFID)電子標簽?zāi)K和射頻識別讀卡器模塊兩部分。電子標簽?zāi)K安裝于車輛上，一般位于方便駕駛員操作的適當 位置?？紤]到性價比和開發(fā)周期的因素，電子標簽部分的微控制器采用美國ATMEL公司的基于51核的單片機AT89C51[1]。RFID標簽按供電方式 可以分為有源和無源兩種，有源是指標簽內(nèi)有電池提供電源，其作用距離較遠，但壽命有限、體積較大、成本高，且不適合在惡劣環(huán)境下工作;無源標簽內(nèi)無電池， 利用波束供電技術(shù)將接收到的射頻能量轉(zhuǎn)化為直流電源為卡內(nèi)電路供電，其作用距離相對有源卡短，但壽命長且對工作環(huán)境要求不高[2]?？紤]到標簽的工作環(huán)境 為車內(nèi)，且為了提高信號質(zhì)量和作用距離，本系統(tǒng)的電子標簽?zāi)K采用有源標簽。電子標簽?zāi)K由車載電源供電。讀卡器模塊位于路口，采用韓國SAMSUNG公 司的基于ARM7TDMI-S核的32位微處理器S3C44B0X，將識別的信息通過RS-485總線傳給位于路口的交通信號控制機，或是通過網(wǎng)口將信息直接傳給監(jiān)控中心的上位計算機，再由交通信號控制機或監(jiān)控中心決定是否改變信號燈的狀態(tài)。每一個十字路口安裝四臺讀卡器，均位于道路右側(cè)，為了防止出現(xiàn)讀卡器誤讀，將四臺讀卡器放置于彼此距離較遠的安全位置上。

　　2. 硬件設(shè)計

　 　電子標簽采用nrf2401+AT89C51架構(gòu)。nrf2401是NORDIC sEMIconductor的RFID芯片，采用全球開放的 2.4GHz頻段，有125個頻道，可滿足多頻及跳頻需要，具有較高的數(shù)據(jù)吞吐量，速率可達1Mbps，外圍元件較少，只需一個晶振和一個電阻即可設(shè)計射 頻電路，發(fā)射功率和工作頻率等所有工作參數(shù)可全部通過軟件設(shè)置，電源電壓范圍為1.9V～3.6V，功耗很低，電流消耗很小，-5dBm輸出功率時典型峰 值電流為10.5mA，芯片內(nèi)部設(shè)置有專門的穩(wěn)壓電路，因此，使用任何電源(包括DC/DC開關(guān)電源)均有良好的通信效果，每個芯片均可以通過軟件設(shè)置最 多40bit地址，而且只有收到本機地址時才會輸出數(shù)據(jù)，內(nèi)置CRC糾檢錯硬件電路和協(xié)議。AT89C51是一種低功耗高性能的8位單片機，片內(nèi)帶有一個 4K字節(jié)的Flash可編擦除只讀存儲器，它采用了CMOS工蟻和高密度非易失性存儲器技術(shù)，其中央處理器由ALU，專用寄存器組，定時控制部件等組成， 具有較強的調(diào)用、跳轉(zhuǎn)、判斷、豐富的數(shù)據(jù)傳輸功能，以及提供存放中間結(jié)果、常用參數(shù)寄存器等功能。電子標簽安裝于車輛上，操作面板由5個按鍵組成，分別是 開關(guān)，復(fù)位，左轉(zhuǎn)請求，右轉(zhuǎn)請求和直行請求。其中請求鍵采用中斷方式，用于在車輛接近路口需要優(yōu)先通過時向讀卡器發(fā)送優(yōu)先通行請求。標簽中還存儲有關(guān)于該 車輛的信息數(shù)據(jù)，如車種，車牌，型號和用途等。

　　讀卡器系統(tǒng)仍然采用nrf2401作 為接收節(jié)點。讀卡器部分主要實現(xiàn)信息識別和通信功能。采用SAMSUNG公司的基于ARM7TDMI-S核的高性能32位微處理器 S3C44B0X[3]。它的工作電壓僅為2.5V，大大降低了芯片的功耗，可以外擴SDRAM，F(xiàn)LASH，內(nèi)置的LCD控制器最大可以支持256色 STN的LCD[4]，71個通用I/O，包括8個外部中斷源。本系統(tǒng)中擴展了10Mbps以太網(wǎng)接口芯片ReaLTEk公司的RTL8019，該芯片具 有16位數(shù)據(jù)線接口和20位的地址線接口，可以在發(fā)送的物理幀上自動添加幀頭，幀起始定界符和校驗和。讀卡器將接收到的信息通過RS-485總線傳輸?shù)浆F(xiàn) 場的交通信號控制機上，直接改變交通燈狀態(tài)，如果路口中有相同或更高的申請級別，則將請求信息通過網(wǎng)口送到監(jiān)控中心仲裁，然后由監(jiān)控中心直接向信號機發(fā)送指令[5]。

　　3. 軟件設(shè)計

　 　為了實現(xiàn)TCP/IP通信，同時使系統(tǒng)盡可能地輕量和簡潔，本系統(tǒng)通過在uC/OS-II操作系統(tǒng)上移植LwIP協(xié)議棧加以實現(xiàn)。lwIP是瑞士計算機 科學院的一個開源的TCP/IP協(xié)議棧實現(xiàn)，它是一套專門為嵌入式系統(tǒng)設(shè)計的源碼開放的輕型協(xié)議棧。LwIP在保持TCP/IP協(xié)議基本要求的前提下，通 過層與層之間共享內(nèi)存，避免了許多繁瑣的復(fù)制處理，這樣做大幅度地節(jié)省了代碼和數(shù)據(jù)存儲空間，因此非常適合嵌入式應(yīng)用。與其他輕型協(xié)議棧不同的 是，LwIP不僅支持一般的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，比如UDP協(xié)議、DHCP協(xié)議、PPP協(xié)議等，而且還支持多網(wǎng)絡(luò)接口、IPv6和標準API。

　　3.1 LwIP在uC/OS-II上的移植

　 　針對uC/OS-II[6]和ARM的ADS編譯器，LwIP的移植只需要編寫arch文件夾下的3個文件——CC.h、sys_arch.h和 sys_arch.c。其中cc.h中有與CPU和編譯器有關(guān)的定義，包括數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和大小端存儲方式等。為了增強移植性，LwIP專門把和操作系統(tǒng)有關(guān)的 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和函數(shù)放在一起組成操作系統(tǒng)封裝層，為諸如定時、進程同步和消息傳遞等操作系統(tǒng)服務(wù)提供統(tǒng)一的接口，移植時需針對不同的操作系統(tǒng)來實現(xiàn)特定的操作 系統(tǒng)封裝層，這些是由sys_arch.h和sys_arch.c實現(xiàn)的。其中sys_arch.h主要定義與操作系統(tǒng)相關(guān)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)——信號量、郵箱和 進程號，這些在uC/OS-II中都有對應(yīng)的實體，LwIP中的郵箱對應(yīng)于uC/OS-II中的消息隊列。sys_arch.c中要實現(xiàn)和操作系統(tǒng)有關(guān)函 數(shù)的定義，包括系統(tǒng)的初始化以及信號和郵箱的操作——創(chuàng)建、刪除、投遞和等待，這些功能需要用uC/OS-II中相應(yīng)的函數(shù)進行重新封裝。另外，TCP /IP協(xié)議棧中需要許多定時器的功能，在LwIP中是用sys_timeout結(jié)構(gòu)體隊列和相應(yīng)的函數(shù)實現(xiàn)的。每個sys_timeout結(jié)構(gòu)體包括本線 程的timeout時間長度，以及超時后的回調(diào)處理函數(shù)sys_arch.c中sys_arch_timeouts()函數(shù)的功能就是返回當前進程所對應(yīng) 的sys_timeout結(jié)構(gòu)體隊列的頭指針。本系統(tǒng)用的方法是在系統(tǒng)初始化的時候根據(jù)最大的LwIP進程數(shù)創(chuàng)建一個sys_timeout結(jié)構(gòu)體指針的 數(shù)組，以后每創(chuàng)建一個LwIP進程其優(yōu)先級都從一個連續(xù)的已知區(qū)間進行分配，sys_arch_timeouts()函數(shù)通過調(diào)用 OSTaskQuery()函數(shù)獲得進程的優(yōu)先級進而獲得對應(yīng)的sys_timeout結(jié)構(gòu)體隊列的頭指針。

　　3.2 RTL8019驅(qū)動程序的編寫

　 　RTL8019驅(qū)動程序做的工作主要是8019的初始化、發(fā)送和接收以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包。初始化函數(shù)rtl8019_init()是在添加以太網(wǎng)絡(luò)接口時由 netif_add()函數(shù)調(diào)用，調(diào)用過程中首先初始化此接口對應(yīng)的全局網(wǎng)絡(luò)接口結(jié)構(gòu)體，然后設(shè)置8019的各功能寄存器。初始化完8019之后調(diào)用 arp_init()函數(shù)啟動ARP功能，然后用sys_timeout()函數(shù)啟動ARP緩沖列表生命周期的定時器。數(shù)據(jù)包的發(fā)送首先從ARP緩沖隊列 中查找目的MAC地址，然后構(gòu)造以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀的頭部，最后調(diào)用底層的發(fā)送函數(shù)low_level_output()將數(shù)據(jù)幀發(fā)送出去。如果找不到對應(yīng)的 IP/MAC項，發(fā)送ARP請求數(shù)據(jù)幀。數(shù)據(jù)包的接收由中斷[7]處理函數(shù)rtl8019_ISR()調(diào)用，它的執(zhí)行過程是先調(diào)用最底層的接收函數(shù) low_level_input()從8019中接收數(shù)據(jù)幀，如果接收的是IP數(shù)據(jù)包，則更新ARP緩沖隊列并把數(shù)據(jù)包傳給網(wǎng)絡(luò)接口結(jié)構(gòu)指定的函數(shù)進行處 理。如果接收的是ARP數(shù)據(jù)包，則調(diào)用etharp_arp_input()函數(shù)處理。最底層的接收發(fā)送函數(shù)采用的都是8019的遠程DMA工作方式以提 高性能[8]。

　　3.3 軟件框圖

　 　信號機的響應(yīng)級由監(jiān)控中心的上位機設(shè)定，信號機可以在事先獲得授權(quán)的情況下自主改變燈色，如果事先未獲授權(quán)，或是同時收到多個不同標簽的請求，則信息必 須送到監(jiān)控中心處理，由監(jiān)控中心的上位機判定優(yōu)先級后發(fā)指令控制信號機的動作。監(jiān)控中心還可以隨時獲得特定車輛的位置以及所在區(qū)域的路況等信息，通過合理 改變區(qū)域內(nèi)信號機的綠信比，達到區(qū)域協(xié)調(diào)控制的目的。

　　4. 實驗結(jié)果

　　監(jiān)控中心的上位機軟件由MircoSOFt Visual C++.NET 2003開發(fā)。

　 　該系統(tǒng)應(yīng)用于某市政務(wù)區(qū)的繁華大道與錦繡大道的交口。由于事先設(shè)定由監(jiān)控中心控制，所以當標簽發(fā)送通行請求時，讀卡器將向監(jiān)控中心發(fā)送請求，監(jiān)控中心的 上位機彈出圖5所示的對話框，該對話框顯示了車輛所在的路口，車號，車型，車種，請求通行的類型以及請求時間等相關(guān)信息，由監(jiān)控中心決定是否處理其請求， 監(jiān)控中心操作人員可以點擊“忽略”以不響應(yīng)該車輛本次的申請。

　　5. 總結(jié)

　　本系統(tǒng)應(yīng)用于實際的路口，使得特種車輛的通行更加迅速便捷，同時極大降低了人力消耗。作為智能交通系統(tǒng)的一部分，本系統(tǒng)對實現(xiàn)區(qū)域協(xié)調(diào)控制也具有一定的現(xiàn)實意義。