0. 引言

日常生活中經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人員直接上路指揮等方式以獲得在交叉路口的優先通行權。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，它通過射頻信號自動識別目標對象并獲取相關數據，在無須人工干預的前提下工作，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境。本系統可以針對特種車輛發出的申請，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控中心的控制，決定其是否獲得路口的優先通行權。監控中心也可以根據車輛反饋的信息獲得特定路口及其周邊一定范圍內的道路交通通行狀況，從而為道路交通的區域協調控制和決策提供有力依據。

1. 系統設計要求及總體設計

圖1 系統示意圖

本系統的硬件平臺主體主要包括射頻識別（RFID）電子標簽模塊和射頻識別讀卡器模塊兩部分。電子標簽模塊安裝于車輛上，一般位于方便駕駛員操作的適當位置。考慮到性價比和開發周期的因素，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，且不適合在惡劣環境下工作;無源標簽內無電池，利用波束供電技術將接收到的射頻能量轉化為直流電源為卡內電路供電，其作用距離相對有源卡短，但壽命長且對工作環境要求不高［2］。考慮到標簽的工作環境為車內，且為了提高信號質量和作用距離，本系統的電子標簽模塊采用有源標簽。電子標簽模塊由車載電源供電。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，或是通過網口將信息直接傳給監控中心的上位計算機，再由交通信號控制機或監控中心決定是否改變信號燈的狀態。每一個十字路口安裝四臺讀卡器，均位于道路右側，為了防止出現讀卡器誤讀，將四臺讀卡器放置于彼此距離較遠的安全位置上。

2. 硬件設計

圖2 電子標簽結構框圖

電子標簽采用nrf2401+AT89C51架構。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，具有較高的數據吞吐量，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計射頻電路，發射功率和工作頻率等所有工作參數可全部通過軟件設置，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，芯片內部設置有專門的穩壓電路，因此，使用任何電源（包括DC/DC開關電源）均有良好的通信效果，每個芯片均可以通過軟件設置最多40bit地址，而且只有收到本機地址時才會輸出數據，內置CRC糾檢錯硬件電路和協議。AT89C51是一種低功耗高性能的8位單片機，片內帶有一個4K字節的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，其中央處理器由ALU，專用寄存器組，定時控制部件等組成，具有較強的調用、跳轉、判斷、豐富的數據傳輸功能，以及提供存放中間結果、常用參數寄存器等功能。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，復位，左轉請求，右轉請求和直行請求。其中請求鍵采用中斷方式，用于在車輛接近路口需要優先通過時向讀卡器發送優先通行請求。標簽中還存儲有關于該車輛的信息數據，如車種，車牌，型號和用途等。

圖3 讀卡器系統框圖

讀卡器系統仍然采用nrf2401作為接收節點。讀卡器部分主要實現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，FLASH，內置的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。本系統中擴展了10Mbps以太網接口芯片Realtek公司的RTL8019，該芯片具有16位數據線接口和20位的地址線接口，可以在發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總線傳輸到現場的交通信號控制機上，直接改變交通燈狀態，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口送到監控中心仲裁，然后由監控中心直接向信號機發送指令［5］。

3. 軟件設計

為了實現TCP/IP通信，同時使系統盡可能地輕量和簡潔，本系統通過在uC/OS-II操作系統上移植LwIP協議棧加以實現。lwIP是瑞士計算機科學院的一個開源的TCP/IP協議棧實現，它是一套專門為嵌入式系統設計的源碼開放的輕型協議棧。LwIP在保持TCP/IP協議基本要求的前提下，通過層與層之間共享內存，避免了許多繁瑣的復制處理，這樣做大幅度地節省了代碼和數據存儲空間，因此非常適合嵌入式應用。與其他輕型協議棧不同的是，LwIP不僅支持一般的網絡協議，比如UDP協議、DHCP協議、PPP協議等，而且還支持多網絡接口、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和編譯器有關的定義，包括數據結構和大小端存儲方式等。為了增強移植性，LwIP專門把和操作系統有關的數據結構和函數放在一起組成操作系統封裝層，為諸如定時、進程同步和消息傳遞等操作系統服務提供統一的接口，移植時需針對不同的操作系統來實現特定的操作系統封裝層，這些是由sys_arch.h和sys_arch.c實現的。其中sys_arch.h主要定義與操作系統相關的數據結構——信號量、郵箱和進程號，這些在uC/OS-II中都有對應的實體，LwIP中的郵箱對應于uC/OS-II中的消息隊列。sys_arch.c中要實現和操作系統有關函數的定義，包括系統的初始化以及信號和郵箱的操作——創建、刪除、投遞和等待，這些功能需要用uC/OS-II中相應的函數進行重新封裝。另外，TCP/IP協議棧中需要許多定時器的功能，在LwIP中是用sys_timeout結構體隊列和相應的函數實現的。每個sys_timeout結構體包括本線程的timeout時間長度，以及超時后的回調處理函數sys_arch.c中sys_arch_timeouts（）函數的功能就是返回當前進程所對應的sys_timeout結構體隊列的頭指針。本系統用的方法是在系統初始化的時候根據最大的LwIP進程數創建一個sys_timeout結構體指針的數組，以后每創建一個LwIP進程其優先級都從一個連續的已知區間進行分配，sys_arch_timeouts（）函數通過調用OSTaskQuery（）函數獲得進程的優先級進而獲得對應的sys_timeout結構體隊列的頭指針。

3.2 RTL8019驅動程序的編寫

RTL8019驅動程序做的工作主要是8019的初始化、發送和接收以太網數據包。初始化函數rtl8019_iNIt（）是在添加以太網絡接口時由netif_add（）函數調用，調用過程中首先初始化此接口對應的全局網絡接口結構體，然后設置8019的各功能寄存器。初始化完8019之后調用arp_init（）函數啟動ARP功能，然后用sys_timeout（）函數啟動ARP緩沖列表生命周期的定時器。數據包的發送首先從ARP緩沖隊列中查找目的MAC地址，然后構造以太網數據幀的頭部，最后調用底層的發送函數low_level_output（）將數據幀發送出去。如果找不到對應的IP/MAC項，發送ARP請求數據幀。數據包的接收由中斷［7］處理函數rtl8019_ISR（）調用，它的執行過程是先調用最底層的接收函數low_level_input（）從8019中接收數據幀，如果接收的是IP數據包，則更新ARP緩沖隊列并把數據包傳給網絡接口結構指定的函數進行處理。如果接收的是ARP數據包，則調用etharp_arp_input（）函數處理。最底層的接收發送函數采用的都是8019的遠程DMA工作方式以提高性能［8］。

3.3 軟件框圖

圖4 讀卡器系統軟件框圖

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

4. 實驗結果

監控中心的上位機軟件由Mircosoft Visual C++.NET 2003開發。

該系統應用于某市政務區的繁華大道與錦繡大道的交口。由于事先設定由監控中心控制，所以當標簽發送通行請求時，讀卡器將向監控中心發送請求，監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信息，由監控中心決定是否處理其請求，監控中心操作人員可以點擊“忽略”以不響應該車輛本次的申請。

圖6 上位機軟件控制界面

在圖5對話框中點擊“同意受控”后，將會出現圖6所示的設置窗口，左上角的為科學城區域內的主要道路列表，左下角顯示了與道路相應的各交口信號機的當前狀態，未聯機的信號機不顯示。右上角為當前發送申請的車輛所在的繁華大道與錦繡大道交口的示意圖，通過右下角的列表設定當前路口信號機的執行方案。當前的執行方案如列表中所示，該路口信號機當前執行四個相位的方案，每個相位的燈組號如圖示。當前執行的為1號時段方案，對應到本信號機，1號方案表明將一天分為7：00～21：00，22：00～6：00兩個時段，每個時段的相位配時不同。后面的時間即為當前時段每個相位的時間長度。通過改變時間長度可以設定放行的時間。

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