信号机主控系统设计（Linux+ARM）

摘要

　　交通是现代城市生活的命脉，是衡量一个城市文明进步的一个重要标志。城市交叉口是组成城市路网的基本单元，是城市交通的瓶颈地带。交叉口的通行能力直接影响着城市路网的通行能力。但是，在我国的具体国情和复杂的城市交通状况限制下，现有的信号机并不能充分发挥其作用，道路拥堵情况尤为严重。针对这些问题，本文深入研究了基于 Linux嵌入式操作系统、ARM11 微处理器 S3C6410、ActiveMQ 消息服务器和 Xml 通信协议的信号机主控系统，并在此基础上提出了软、硬件设计以及实现方案。

　　本文首先分析了信号机主控系统的工作原理并确定了系统的功能需求，主要包括交通信号控制方案的存储及实施、基于Xml协议的ActiveMQ 消息服务器网络通信、自动校时等。根据实际需要以及我国交通部的相关规定，确定了信号机主控系统的网络通信技术及通信协议，以此为基础完成了系统的总体设计；在此之后根据功能需求，完成了信号机主控系统的硬件总体设计和详细设计，其中主要包括微处理器和存储设备的选型、以太网等外围电路设计等；在硬件设计的基础上，为信号机主控系统移植了嵌入式Linux操作系统、各硬件模块驱动和第三方动态库等；最后，根据软件模块化设计思想为信号机主控系统设计了各功能软件，包括消息服务软件、控制模块软件、附加模块软件等，并采用非阻塞和多线程技术实现各模块的协同工作，最终实现了信号机主控系统的全部功能。

　　通过对信号机主控系统进行的系统集成、模块测试和整体测试表明，本文实现的信号机主控系统能够稳定的运行各信号灯控制方案并可根据不同的时段进行相应的控制方案切换、能够与 ActiveMQ 消息服务器进行 Internet 通信、能长久保存信号机各控制方案等，系统具有较高的实用价值，是对城市交叉口信号灯控制的一次有价值的深入探索与研究。

　　关键词：计算机应用，信号机，Linux，嵌入式系统，ActiveMQ，Xml

Abstract

　　Traffic is significant to the people who live in the modern city, which is also the important mark when measuring the progress of the urban civilization. The intersection in the city is fundamental unit of the urban road network, and the bottleneck to the urban traffic as well. The traffic capacity of the intersection produces a direct effect on that of the urban road network. However, under the limitations brought by the specific situation of our country and the complex urban traffic, the currently available signal machines haven’t fully functioned, which leads to the serious traffic congestion. In order to solve the problems above, the paper lucubrated the embedded OS based on Linux, the ARM11 microprocessor S3C6410, ActiveMQ message server and the signal machine main control system based on the Xml communication protocol, then proposed the design and implementation schemes of the software and the hardware.

　　The paper firstly analyzed the operating principle of the signal machine main control system, and then confirmed the functional requirements of it, including the storage and the implementation of the traffic signal control scheme, the network communication of the ActiveMQ message server based on the Xml protocol,the automatic time adjustment and so on. According to the practical needs and the related provisions of the Ministry of Communications, the paper selected the network communication technology and the communication protocol of the signal machine main control system.Then on the basis of the functional requirements, the paper completed the overall design and the detail design for the hardware of the signal machine main control system, mainly including type selection of the microprocessor and the storage device, the design of the peripheral circuit for the Ethernet and so on. On the basis of the hardware design, the embedded Linux OS, hardware device modules and the third-party libraries were transplanted into the system.Finally, the paper designed the functional software for the system based on the module design thoughts, including the message service software, the control module software, the additional modules software and so on, realized the cooperative work among modules using the non-blocking and multithreading, and finally realized all the functions of the system.

　　The SI, module testing and the integration testing on the signal machine system indicated that the signal lights controlling scheme can be operated steadily on it, and the system can switch the control schemes according to the different time sections, carry out the Internet communication with the ActiveMQ message server, store the signal machine control schemes in a long term and so on. The system possesses a higher practical value, which is also a worthy deep exploration to the signals light controlling in the city intersections.

　　Key words: Computer Application, signal machine, Linux, Embedded OS, ActiveMQ, Xml

　　我国机动车保有量的迅速增长，使我国城市路网建设面临严峻的挑战，这也直接导致城市交通拥堵问题的日益加剧，且在经济发达的城市这一问题尤为突出。它在不断制约我国城市经济发展进程的同时，也给城市居民的生活带来极大的不便，严重阻碍城市居民的生活品质和工作环境的提升。城市交通的拥堵问题是当今最为普遍的、也是亟待解决的重要问题之一，无论是在发达国家还是在发展中国家，都不容忽视。而针对城市交通拥堵问题，最为普遍和常用的解决方法就是增加城市交通基础服务设施的建设。但是，由于城市土地资源的有限性，已经不能单一靠增加交通设施（如增建城市道路等方法）来解决城市交通拥堵问题，除此之外道路维护等后续的服务也需要较高的代价，因此该方法已经不能作为当前解决城市交通拥堵问题的着力点。目前，其研究方向和热点为如何在现有路网条件的基础上，最大限度的利用现有交通设施并完善交通信号控制方法，从而改善交通管理服务水平。因此，智能交通系统应运而生。

　　智能交通系统（Intelligent Traffic System，简称 ITS）又称智能运输系统（IntelligentTransportation System），它结合了包括运筹学、信息技术等学科领域中目前最为先进的技术，再将其运用于交通运输领域，在这种促进下，车辆、道路以及交通参与者之间的关系更为紧密，进而使得运输系统的安全性和效率更高，同时又能为节能减排做出不小的贡献[1,2]。

　　城市交通信号智能控制系统(Intelligent Transportation Signal Control System, 简称ITSCS)是 ITS 中最为核心的部分，其主要完成的工作有：将隶属于交通系统主干线上的所有交通信号控制机连接到交通控制系统网络，并实现了基于层次化管理的大范围区域交通的优化以及控制。交叉口信号控制机的目标为实时自适应控制以实现路口平均车辆延误最小化，在多种交通控制模式并存的基础上能够灵活调整，实现单点交通优化。区域控制中心通过实时采集各交叉口车流量以及各主干线交通状态信息等数据，来调整各交叉口信号控制机的相位差和信号周期时长，这样便可以在最大化受控区域通行量的基础上，进一步保证主干线车流畅通；受控区域内的实时交通信息均可以被控制中心获取，基于这些信息，控制中心便可以对受控区域进行全局性的管理，并且对各子区域的交控策略实现动态调整，同时，通过信息化发布平台（如多媒体、广播电台等）实时发布交通诱导信息来引导人们的出行，实现交通畅通；在对以前所积累下来的历史交通数据进行分析挖掘之后，系统可以提高交通流量的预测范围，并在此基础上总结出受控区域交通流量的规律特性，最终对交控策略进行合理优化。ITSCS 在实现时具有如下特点：

　　（1）将物联网中先进的“感知层—传输层—控制层”理念应用于 ITSCS 中。将交通流量检测及数据采集设备（例如车辆检测器、摄像头等）作为感知层；以网络设备（如有线以太网、3G 网络、GPRS 等）作为交通物联网的传输层；以城市交通控制中心作为控制层。

　　（2）采用云计算技术中的“中央协调—区域智能—单点优化控制”分布式控制架构。其中，交叉口信号控制机的主要功能为：路口交通流数据的采集和传输、控制方案参数的自适应优化，以及单点最优信号控制的实现；以某一路口为中心，建立区域智能控制体系，协调控制该区域内各干线的信号控制机，在保证绿波带宽最大化的基础上，动态调整各相位相关参数，以实现多相位下的区域协调控制。

　　（3）采用“数据库主机群—应用服务器群—客户机”组成的三层体系结构，这种体系结构可以很好的完善包括可扩展性、开放性以及安全性在内的一系列系统特性。此外，在对交通信号进行优化控制、为交通诱导系统和公交服务系统提供数据等方面，三层体系结构也有着很大的优势，同时，基于这种结构，系统可以共享交通状态参数。

　　（4）采用基于决策层、战略层和战术层相结合的优化原则。为保证城市交控系统在车流随机性和波动性较大时，依然能够对信号控制策略进行合理的调整，并且可以在系统层面做出优化，这里要求系统必须具有动态统筹协调以及灵活调整控制策略的能力。

　　人们日常出行时直接面对的交通信号灯就与该系统中的信号机相连。因此，交通信号控制机（信号机）是 ITSCS中最直接的现场交通控制设备。

　　近几年，国家为解决交通拥堵、交通事故等问题，加大了对交通控制管理基础设施的建设，从而对交通信号控制机的需求也不断增加，这为我国交通信号控制机的发展创造了良好的环境和契机。因此，不断提高和改善我国交通信号控制技术，对于城市交通通行能力的提高，城市交通拥堵的缓解，城市通行安全的保证来说都极为必要，此外，对我国和谐、节约型社会建设进程也有极大帮助。

　　在此背景下，本文研究并设计了一种基于 CAN 总线的信号机主控系统，信号机主控系统通过 CAN 总线与其它副板连接，并对其进行统一管理与控制。虽然，我国已经存在了许多信号机系统，但基于 CAN 总线的信号机并不多见，因此基于 CAN 总线的内部数据传输方式也可被视为本文的一大特点。

信号机主控系统设计（Linux+ARM）：

信号机主控系统实物图

系统上电后程序自动运行

信号机自动 IP 地址

系统获取 GPS 时间

信号机主控系统数据发送

ActiveMQ 消息接收

内存资源占用

CPU 使用情况

目 录

　　第一章 绪论
　　　　1.1 研究目的及意义
　　　　1.2 国内外研究状况
　　　　1.3 研究的内容和主要工作
　　第二章 交通信号控制基本理论及 ARM-Linux技术简介
　　　　2.1 交通信号控制基本概念
　　　　　　2.1.1 交通信号灯控制参数
　　　　　　2.1.2 交通信号灯控制类型
　　　　2.2 ARM-Linux 技术
　　　　　　2.2.1 ARM 及 ARM 内核
　　　　　　2.2.2 嵌入式 Linux 系统
　　第三章 信号机主控系统总体设计
　　　　3.1 交通信号机系统体系结构
　　　　3.2 信号机主控系统分析
　　　　　　3.2.1 工作原理
　　　　　　3.2.2 功能需求
　　　　3.3 信号机主控系统通信技术
　　　　　　3.3.1 ActiveMQ 消息服务器
　　　　　　3.3.2 交通控制系统中的 Xml 协议
　　　　3.4 信号机主控系统总体设计
　　第四章 信号机主控系统硬件设计
　　　　4.1 硬件总体设计
　　　　4.2 微处理器选型
　　　　4.3 存储器选型
　　　　　　4.3.1 NAND Flash 选型
　　　　　　4.3.2 SDRAM 选型
　　　　4.4 以太网电路
　　　　4.5 3G 模块电路
　　　　4.6 GPS 校时电路
　　第五章 信号机主控系统操作系统及驱动移植
　　　　5.1 Linux 操作系统移植
　　　　　　5.1.1 建立交叉编译环境
　　　　　　5.1.2 BootLoader 移植
　　　　　　5.1.3 Linux 内核移植
　　　　　　5.1.4 Yaffs2 文件系统移植
　　　　5.2 设备驱动移植
　　　　　　5.2.1 NAND Flash 驱动
　　　　　　5.2.2 SDRAM 驱动
　　　　　　5.2.3 UART 串口驱动
　　　　　　5.2.4 以太网卡驱动
　　　　　　5.2.5 CAN 总线驱动
　　　　5.3 ARM-Linux 开机启动设置与第三方库移植
　　　　　　5.3.1 第三方动态库编译与移植
　　　　　　5.3.2 ARM-Linux 开机启动设置
　　　　5.4 SQLite 嵌入式数据库
　　　　　　5.4.1 SQLite 数据库介绍
　　　　　　5.4.2 SQLite 数据库移植
　　第六章 信号机主控系统应用软件设计及实现
　　　　6.1 应用软件总体设计
　　　　6.2 通信模块软件设计
　　　　　　6.2.1 ActiveMQ 消息服务器软件设计
　　　　　　6.2.2 Xml 通信协议软件设计
　　　　6.3 控制模块软件设计
　　　　　　6.3.1 单点定周期控制
　　　　　　6.3.2 绿波控制
　　　　　　6.3.3 BRT 控制
　　　　　　6.3.4 全感应/半感应控制
　　　　　　6.3.5 手动控制/实时演示
　　　　6.4 附加模块软件设计
　　第七章 信号机主控系统集成与测试
　　　　7.1 集成
　　　　7.2 测试
　　　　　　7.2.1 Linux 系统配置及自动获取 IP 测试
　　　　　　7.2.2 GPS 信号接收测试
　　　　　　7.2.3 ActiveMQ 消息服务器通信测试
　　　　　　7.2.4 总体测试
　　总结与展望
　　总结
　　展望
　　参考文献
　　致谢