摘要：
近年来，随着我国城市化程度的进一步加深，各种各样的城市问题逐渐显露出来，交通拥堵就是其中很重要的一个方面。将最新的无线传感器网技术和数字信号处理技术应用到交通控制中，可以在一定程度上缓解这个问题，提高整个交通系统承载能力。基于这一点出发，本项目提出，使用多个车辆检测器构成传感器网络，结合XILINX公司的SPARTAN系列FPGA强大的信号处理能力，设计一个交通流量实时监测系统。通过对表征交通流量的特征参数的提取，为交通管理部门进行红绿灯控制、警力部署、道路规划提供有力的数据基础。
1.研究背景及研究意义
随着国民经济的快速发展，各种机动车尤其是私家车拥有量急剧增加，这使得交通拥挤问题在许多大城市显得十分紧张。尤其对于早晚交通高峰时段，一些主要交叉路口处的阻车长度可能长达上千米，甚至有的阻车车长从一个交叉路口延伸到另一个交叉路口，一辆车通过一个交叉路口，可能耗时半小时以上，交通拥挤带来时间的浪费，给市民的正常生活造成严重的负面影响，同时给对国民经济的发展带来了严重的影响。而对于这种情况，应该采用交通信号与交通流量相适应的方法，以代替固定周期控制的方法，也就是说在交通网络中车流、人流的变化是随机的，不同的流量对绿灯时间有着不同的要求，因此本项目提出一种根据各个路口的交通流量来控制交通信号的方法。
本项目计划以BQ-VD22 车辆检测器为前端数据采集器，以Xilinx公司的SPARTAN系列FPGA为信号处理和控制中心，设计一款实时交通流量监测系统，并将交通流量信息发送到交通控制中心，来实现对交通信号的控制，通过对主要道路截面的实时车速、单位时间内进入和离开某一路段的车辆数目等信息的分析和处理，获得该路段的实时交通拥挤程度，然后通过一对3G上网卡，将结果传送给控制中心，处理结果以2D平面图的形式显示出来，用颜色的深浅表示各个路段的拥堵程度，这样控制中心就可以根据当前各个路口的交通流量来控制交通信号，若是情况紧急，交警也可到道路上实现交通调度，这样便可以实现交通拥堵问题的解决。在本项目中，以机动车的平均行驶速度、单位时间内各个车道平均通过的车辆数等具体参数作为衡量该路段拥堵程度的特征参量。整个系统分为三个部分：数据采集部分、信号处理部分、终端显示部分。原始数据来自多个BQ-VD22 车辆检测器组成的传感器网络，信号处理部分对其进行一定的分析和处理，提取出终端需要的信息（拥堵程度的特征参量）。终端显示部分是将前端获得的结果在显示屏上以2D平面图的形式实时显示出来，这样控制中心就可以很直观的了解当前的交通状况，以便合理控制交通信号。信号处理部分和控制中心的连接通过无线传输来实现，采用一对3G上网卡是一个很好的选择，可以降低开发的难度，提高效率。
2.具体实施方案
本项目拟采用XILINX公司的Spartan-6开发板进行设计。Spartan-6系列可提供的密度从 3,840 个逻辑单元到 147,443 个逻辑单元不等，完全可以满足一般设计任务的需要。在提供全新且更高效的双寄存器 6 输入查找表 (LUT) 逻辑的同时，它还能提供一系列丰富的内置系统级模块，其中包括 18Kb (2 x 9Kb) Block RAM、第二代 DSP48A1 Slice等。这些都将极大地提高项目设计的效率，使得研究人员可以将主要精力集中在算法创新上。例如，在本项目中需要有大量的FIFO模块来实现控制中心与各传感器之间的数据传输，而Spartan-6开发板最多可以提供268个双口Block RAM（存储容量为18Kb），可以很容易的实现FIFO模块的配置。下面将分别从硬件结构设计和软件流程两个方面对本项目进行介绍。
2.1硬件结构框图
本项目的硬件结构框图如图1所示，硬件平台采用XILINX公司的Spartan-6开发板进行设计。整个系统包括三个部分：前端数据采集传感器网络、数据处理中心和城市交通指挥控制中心。
数据采集传感器网络采用BQ-VD22 车辆检测器为基本单元，将多个检测器埋设在关键路段和主要路口，就可以实时测量出路面上各个点的车辆行驶速度和行车方向。各个检测器之间通过地址码来进行区别，通过有线或者是无线的方式构成网络。传感器网络与数据处理中心之间通过串口通信实现数据的交换。
数据处理中心的主要任务是读取前端传感器采集的数据，按照预定的算法进行处理，提取出可以表示交通流量的特征参数，然后通过无线收发设备传给指挥控制中心，以便其进行红绿灯控制和交警的现场指挥。这些数据处理任务均由Spartan-6开发板来完成，丰富的接口资源使得系统可以很容易与前后模块之间进行数据通信。Spartan-6 FPGA 系列开发板拥有众多定制低功耗专用的 DSP Slice，可以用来完成本项目设计的一些数字信号处理过程，在保证系统设计的灵活性的同时还具有高速度与小尺寸等优异特性。
数据处理中心的另一个任务是负责与城市交通指挥控制中心的信息传输，即将处理得到的结果传送给指挥中心，以便于指挥中心进行各个路段的交通灯控制和调整交警的警力部署。为了使用户能够非常直观明了的获得监测结果，在控制中心以平面图的形式将结果显示很有必要，这可以由自制的液晶显示电路或者是PC机来完成。两者之间的数据传输可以采用3G无线收发模块来实现，这样就可以使用现有的3G网络，有效性和可靠性均可得到保障。
图1 系统的整体硬件结构框图 2.2软件流程图
本项目的软件流程图如图2所示。为了系统实现的方便，我们将整个系统的工作流程分为两个部分——数据采集处理主程序和数据传输子程序。其中，数据采集处理主程序需要实现的功能是将前端传感器采集的数据读入片内，然后根据相应的算法进行处理，最后将结果保存在制定的存储地址内。数据传输子程序的功能是将实时处理的结果通过无线模块发送给移送终端。考虑到应尽量减少需要传输的数据量，同时兼顾到实际路段上的交通流的变化速率，此处我们设置为每两秒向终端发送一次更新。
图2 数据处理部分的软件流程图
3.创新点
1. 通过对多个传感器测量结果进行数据融合获得主要道路交通流量的特征参量，其结果与实际情况比较符合，可靠性较高。
2. 数据处理部分与控制中心之间的连接采用一对3G上网卡来实现，可以保证信息传输的实时性。而且，由于采用的是现有的3G网络，不需要考虑信道分配、频谱资源等问题，设计效率较高。
3. 在控制中心，处理结果以2D平面图的形式显示出来，用颜色的深浅来表示各个路段的交通流量的大小，非常的直观明了，易于用户操作。
4. 平台具有一定的通用性，对终端程序稍作修改就用来能实现一些其它的应用，例如流量监测、OD调查等。
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