快速發展的城市交通和日益增加的機動車保有量對城市交通執法和管理提出了更高的要求。為了保證交通執法證據的準確性、科學性和有效性，實現24小時不間斷的交通監督、管理和控制，需要引入無人值守的自動化監控設備和系統[1]——智能交通系統。

    智能交通系統ITS(Intelligent Transportation Systems)，是當前世界上交通運輸科技的前沿，它在較完善的道路設施基礎上將信息技術、數據通信技術、電子傳感技術、全球定位技術、地理信息系統技術、計算機處理技術以及系統工程技術等，有機地集成并運用于整個地面交通管理體系，從而建立一種在大范圍內、全方位發揮作用的，實時、準確、高效、智能的交通運輸管理系統[2]。
    當前，國內城市交通監控系統通常采用通用PC機，存在成本較高、可靠性差，設備分散運行等問題，尚未形成一個完整的、信息共享的智能交通管理監控系統[3]。由于ITS的前端設備不能正常工作，導致發生路口車輛信息無法捕捉、交通事故現場無法恢復等問題從而造成嚴重后果。ITS嵌入式控制主機是針對智能交通前端卡口設計的，解決了現有設備存在的諸多問題，實現了復雜環境下設備的可靠運行。
1 ITS嵌入式控制主機總體設計
    ITS嵌入式控制主機是一臺集多種功能于一體的智能前端卡口設備，能夠實現復雜環境下的車流量監測、過車抓拍、逆行抓拍、超速抓拍、壓黃線抓拍、車輛測速等功能。同時，系統還加入電源保護、主機狀態管理、故障檢測、故障分析和前端存儲等可靠和人性化的設計方案。ITS嵌入式控制主機的層次結構如圖1所示。

    (1)硬件層：ITS嵌入式控制主機系統的硬件層由電源保護模塊、車檢器模塊、主機狀態管理模塊、交換機模塊、嵌入式檢測主板模塊及相機組成。
    (2)核心層：采用嵌入式檢測主板，內置Windows XPE操作系統。用于統一硬件層與上層軟件界面通信透明，統一數據處理流式。
    (3) 業務層：其中包括數據捕捉(圖象、錄像實時顯示并保存等)；設備狀態管理(設備狀態報警、主機狀態管理、車檢器管理、檢測主機系統管理、相機狀態查詢等)；設備控制設置；日志管理；軟件管理(軟件升級部署、軟件狀態監視、軟件運行維護等)。
2 ITS嵌入式控制主機主要硬件設計
2.1 嵌入式檢測模塊
    采用Intel Atom N450高性能嵌入式處理器，主頻1.66 GHz，1 GB DDR2板載內存。嵌入式檢測模塊采用Windows XPE操作系統，主板通過3個串口分別與電源保護模塊、車檢器模塊和主機狀態管理模塊連接，接收各個模塊的狀態信息數據包，處理器對數據進行解析并執行相應操作，同時將解析后的數據包存儲在Flash或是硬盤中，并通過以太網將解析后的數據發送給遠程客戶，遠程客戶也可以通過以太網訪問數據信息、控制前端設備。
    嵌入式檢測模塊與高清智能IP相機通過交換機連接。高清智能IP相機作為服務器，嵌入式檢測主板內的應用程序作為客戶端，當服務器處于監聽狀態，當有車輛經過時，車檢器將車輛信息通過串口發送給檢測主板，服務器通過交換機觸發相機執行抓怕，相機再將抓拍的數據回傳給檢測主板。檢測主板將數據通過光纖發送給后臺，若后臺未能成功接收到數據，則檢測模塊將數據存入前端硬盤。
2.2 電源保護模塊
    電源保護模塊實現復雜環境下的漏電保護、過壓欠壓保護及過流保護，采用中斷方式實現自動重合功能，并可通過串口與上位機通信實現配置漏電、過壓欠壓、過流默認值和故障信息回傳等功能。保護板主要由主控單元、驅動單元、信號采集處理單元和通信單元組成。電源保護模塊結構如圖2所示。

    電源保護板通過變壓器采集過壓欠壓信息，通過互感線圈采集過流、漏電信息，經過由單片機AD處理分析后，控制雙向繼電器驅動集成芯片，從而驅動安放在火線和零線上的磁保持繼電器的通斷，實現輸出交流電源的通斷控制，從而保護設備的用電安全，同時顯示當前狀態信息。
    為了實現復雜環境下與嵌入式控制主板的信息交換。采用+5 V供電、半雙工,并與具有±16.5 kV ESD保護的RS-485收發器ISL3152E進行串口通信,同時將電源與其他單元采用光耦隔離，增加通信穩定性。
2.3 車檢器模塊
    車檢器由高穩定性的四通道線圈車輛檢測卡和埋設在地下的環形電感線圈構成的振蕩器兩部分組成。車輛通過后，電感線圈的電感量發生變化從而引起振蕩器頻率變化，CPU通過檢測振蕩器頻率變化，實現車輛相關信息的檢測[4]。
     車檢器內部采用高速STC12C5A60S2單片機，具有2路外部中斷和2個外部計數器。埋在地下的環形電感線圈經瞬態電壓抑制器連接，再經磁罐變壓器與后級電容形成震蕩回路，經放大處理輸出當前頻率信號。單片機采用外部管腳中斷以及定時器中斷相配合，定時采集數據得出當前頻率，并根據當前設定的靈敏度與工作方式要求，再與基準頻率比較，從而判斷是否有車輛到來，最后根據設定的輸出方式向外輸出信號。為了使該系統具備多車道檢測功能，系統最大可支持4路車檢器同時工作。
2.4 主機狀態管理模塊
    主機狀態管理模塊為各個模塊提供可控制、可監控的隔離DC電源，支持環境溫度監測和溫度控制，同時加入前端設備門禁管理。上位機通過串口接收主機狀態管理板供電、環境溫度和門禁信息。遠程客戶可以通過網絡在后臺監測系統供電安全，當前環境溫度以及前端安全門是否被打開等信息，同時可遠程控制各個模塊的電源重啟、關閉及溫度范圍設置等。主機狀態管理模塊結構示意圖如圖3所示。

3 ITS嵌入式控制主機主要軟件設計
3.1 嵌入式檢測主機網關
    網關采用嵌入式XPE平臺實現了對相機、電源保護板、車檢器控制底板、電源管理板和交換機的控制和大量數據的存儲。通過C/S結構和B/S結構實現了與用戶交互數據，使用戶分別通過客戶端軟件和瀏覽器實現遠程監控目標區域的卡口信息。
3.2 電源保護板程序
    電源保護板為了實現復雜環境下的電源保護，在程序設計時采用3路A/D分別采集漏電信息、過壓欠壓信息、過流信息。當采樣值不在默認閾值范圍內時，對應計數標志加1，將當前數據存入EEPROM，并發送給檢測主板，最后通過繼電器關閉負載電源。隨后判斷計數標志的值，計數標志每隔24 h自動清零，若計數標志大于3，則說明一天內自動重合4次已經失敗，將關閉負載電源并退出循環。當計數標志小于等于3時，系統將延時：

3.3 主機狀態管理模塊程序
    主機狀態管理模塊為一個實時系統，采用輪詢的思想，對各個功能模塊輪流查詢，分時處理。實現電壓監測、溫度控制和門禁管理。其中指令的接收通過串口接收中斷服務程序實現，以實時響應上位機的請求。主機狀態管理模塊流程圖如圖5所示。

4 設備測試結果分析
    在前端設備數據進入業務層之前，為了方便觀察設備工作情況，為系統編寫了串口上位機測試軟件，包括電源保護模塊測試、主機狀態管理模塊測試和多路車檢器測試，測試結果如圖6所示。

    ITS嵌入式控制主機在設計完成后經過高低溫測試，能夠在-20 °C~80 °C溫度的范圍下正常工作，實現了多車道的車流量監測、過車抓拍、逆行抓拍、超速抓拍、壓黃線抓拍、車輛測速功能，同時具有智能交通前端設備的自我保護、自我檢測和遠程監控功能。設備在多個路口進行了實際測試，在測試過程中進一步對系統的穩定性及準確性做了調整和校正。
參考文獻
[1] 尹航.基于DSP的嵌入式智能交通監控系統前端設備設計與實現[D]. 哈爾濱: 哈爾濱工程大學,2011.
[2] 高健, 沈慶宏，高敦堂. ITS中車輛檢測器設備的研究與實現[J]. 交通與計算機,2002,20(5):15-17.
[3] 陸惠豐.交通事件自動檢測和監視功能的設計和實現[D].上海:上海海事大學, 2005.
[4] 臧利林,賈磊,秦偉剛,等.基于環形線圈車輛檢測系統的研究與設計[J]. 儀器儀表學報,2004,25(Z1):29-31.
[5] 楊東,張應龍,林叢,等. 漏電保護器設計技術[M]. 北京:化學工業出版社, 2010.