具有車流量檢測(cè)功能的智能交通燈控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)?

宋嘉煒 張程譽(yù) 何思卓

（海軍工程大學(xué)電子工程學(xué)院 武漢 430033）

1 引言

隨著社會(huì)的不斷發(fā)展進(jìn)步，“智能城市”的建設(shè)少不了有智能的交通燈控制系統(tǒng)，在車流量日益增大的趨勢(shì)下，城市對(duì)車輛管理的重要性也顯得尤為重要，這就考驗(yàn)著交通燈控制系統(tǒng)的邏輯功能，它時(shí)刻關(guān)系著人們出行的效率［1］。在這些要求下，交通燈的性能面臨巨大挑戰(zhàn)；早上七點(diǎn)到八點(diǎn)期間和晚上六點(diǎn)到七點(diǎn)之間都是這流量會(huì)明顯攀升的高峰期，事故隱患也成倍的增加；而在零點(diǎn)以后，車輛較少，加上我國(guó)目前開始采用光電系統(tǒng)，夜晚持續(xù)照明不僅會(huì)浪費(fèi)電能，同時(shí)容易損壞電池，導(dǎo)致路燈使用壽命縮短；一旦失效，帶來的便是混亂的交通甚至事故，給人們出行帶來嚴(yán)重不便。因此，急需研究一種具有車流量監(jiān)測(cè)功能的交通燈。

隨著現(xiàn)代科技的不斷進(jìn)步和發(fā)展，設(shè)計(jì)了一種采用交通監(jiān)控和交通信號(hào)燈控制算法，以替代傳統(tǒng)的交通自適應(yīng)控制算法［2］。分為三個(gè)模塊進(jìn)行介紹：首先是設(shè)計(jì)具有常規(guī)控制系統(tǒng)功能的路燈控制系統(tǒng)模塊，它可以完成基本的路燈控制和完備的計(jì)時(shí)器功能；其次在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)具有判斷功能的系統(tǒng)模塊，通過傳感器來獲取晝夜情況和天氣情況，從而判斷燈的亮滅，若亮則繼續(xù)判斷用何種方式來確定準(zhǔn)確的綠燈時(shí)間，從而減少了平均延遲時(shí)間，一改以往時(shí)間固定的模式；最后是上傳功能的優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊，利用以往和現(xiàn)采集的數(shù)據(jù)對(duì)路況進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，給綠燈時(shí)間提供數(shù)據(jù)支持，并且能夠及時(shí)上報(bào)路況和交通燈受損情況，以便相關(guān)部門及時(shí)處理［3］。

2 常規(guī)交通燈控制器的設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)要求

各路口均設(shè)紅，綠，黃三色信號(hào)燈，任意時(shí)刻三色燈中只能有一個(gè)亮，綠燈亮允許通行，紅燈亮禁止通行，黃燈亮適用于等待，各路口均設(shè)2 位數(shù)碼管，顯示放行時(shí)間和黃燈亮的時(shí)間。要求每次綠燈綠燈變紅燈時(shí)，黃燈先亮5s；各路口要有數(shù)字顯示，時(shí)間均以秒為單位作減技術(shù)［4］；主干道通行時(shí)間可在0s～99s 之間待定。通過分析可以得到常規(guī)交通燈的初步結(jié)構(gòu)框圖如圖所示。它主要由時(shí)鐘單元電路，狀態(tài)控制器，狀態(tài)譯碼器，減計(jì)數(shù)器及顯示電路組成。狀態(tài)控制器為核心部分，由它來控制交通燈四個(gè)路口的燈光亮暗情況，通過狀態(tài)譯碼器點(diǎn)亮當(dāng)前狀態(tài)下的信號(hào)燈；時(shí)鐘單元是該系統(tǒng)中控制器的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘信號(hào)源；減計(jì)數(shù)器通過對(duì)秒脈沖計(jì)數(shù)來控制系統(tǒng)每一種狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間；狀態(tài)譯碼器根據(jù)系統(tǒng)即將處于的狀態(tài)決定計(jì)數(shù)器下一次減計(jì)數(shù)從何初值開始更有利于道路交通［5］。

2.2 時(shí)鐘單元電路

該時(shí)鐘單元電路是由555 定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器，該控制系統(tǒng)的單位是秒，因此為秒脈沖發(fā)生器，且其對(duì)信號(hào)的精度要求不高。555 定時(shí)器構(gòu)成的秒脈沖CP1的周期為

取T=1s，令C=10uF，R1=50kΩ，取一個(gè)固定電阻47kΩ與一個(gè)5kΩ的電位器串聯(lián)代替電阻R2。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，脈沖發(fā)生器設(shè)計(jì)如圖1。

圖1 秒脈沖信號(hào)發(fā)生電路

它向計(jì)數(shù)電路提供的秒計(jì)時(shí)CP脈沖。

2.3 狀態(tài)控制器

狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如圖所示，各狀態(tài)說明如下：

狀態(tài)1：主干道綠燈亮，允許通行；支干道紅燈亮，禁止通行。

狀態(tài)2：主干道黃燈亮，停車；支干道紅燈亮，禁止通行。

狀態(tài)3：主干道紅燈亮，禁止通行；支干道綠燈亮，允許通行。

狀態(tài)4：主干道紅燈亮，禁止通行；支干道黃燈亮，停車。

首先把這4 中狀態(tài)以數(shù)字的形式表示出來?？捎? 位二進(jìn)制數(shù)表示所需狀態(tài)，循環(huán)狀態(tài)（00—01—11—10—00），再利用74LS112（雙下降沿JK觸發(fā)器）設(shè)計(jì)模4 計(jì)數(shù)器作為主控部分電路。狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如圖2所示。

圖2 狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖

2.4 狀態(tài)譯碼器

狀態(tài)譯碼器主要是將狀態(tài)控制器輸出信號(hào)譯碼后驅(qū)動(dòng)相應(yīng)信號(hào)燈，利用門電路即可實(shí)現(xiàn)，信號(hào)真值表如表1所示。

表1 信號(hào)真值表

2.5 減計(jì)數(shù)器

用兩片74LS192構(gòu)成2位十進(jìn)制可預(yù)置數(shù)的減計(jì)數(shù)器，用三片8 路三態(tài)緩沖門74LS245 實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)器分時(shí)置數(shù)控制，分別設(shè)置主支干道的通行時(shí)間和黃燈亮的時(shí)間，減計(jì)數(shù)器回零瞬間，狀態(tài)控制器翻轉(zhuǎn)為下一個(gè)新狀態(tài)，狀態(tài)譯碼器完成換燈同時(shí)選通下一片74LS245，計(jì)數(shù)器置入新的定時(shí)值，開始新狀態(tài)下的減計(jì)數(shù)。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在常規(guī)交通燈設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化后的系統(tǒng)整體的工作方式為，該智能燈控制系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)中心服務(wù)器對(duì)整個(gè)路燈控制系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一管理，

首先會(huì)通過光傳感器采集數(shù)據(jù)判斷晝夜情況，若光傳感器判斷此刻為夜晚，并且有足夠的電能保證工作，則進(jìn)入下一個(gè)數(shù)值選擇器，該選擇器旨在判斷由采集數(shù)據(jù)計(jì)算出來的實(shí)時(shí)車流量數(shù)值是否大于基于道路寬窄等固定參數(shù)計(jì)算出來的擁擠和疏通的臨界值，其次若沒有大于臨界值，則進(jìn)入空氣質(zhì)量采集單元，此傳感器集合濕度采集模塊，霧霾采集模塊等，通過或非門判斷天氣情況，判斷結(jié)果若為空氣質(zhì)量良好，則關(guān)閉交通燈已達(dá)到節(jié)約和保護(hù)作用，若空氣質(zhì)量達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)，則保持交通燈的正常運(yùn)行，防止事故的發(fā)生；若大于臨界值，則省略上面的步驟，直接保持交通燈的正常運(yùn)行。若一開始判斷為白天，則交通燈在正常運(yùn)行的同時(shí)啟動(dòng)充電功能。

最后進(jìn)入空氣質(zhì)量采集單元，若空氣質(zhì)量良好，則利用俯瞰攝像的方式利用軟件分析此刻車流量的大小，并用計(jì)算出的數(shù)據(jù)來進(jìn)一步確定綠燈時(shí)間，舒緩交通壓力；若空氣質(zhì)量未達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，則利用估算系統(tǒng)對(duì)車流量進(jìn)行實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的估算來確定綠燈時(shí)間，進(jìn)而達(dá)到預(yù)定的目的。系統(tǒng)框圖如圖3 所示。

圖3 系統(tǒng)工作流程框圖

3.1 空氣質(zhì)量采集單元

如圖4 為空氣質(zhì)量采集單元框圖，主要負(fù)責(zé)路口周邊的環(huán)境參數(shù)，采集的參數(shù)包括濕度采集單元，霧霾采集單元和光照采集單元，該模塊是一個(gè)模塊化裝置，可以實(shí)時(shí)將參數(shù)傳達(dá)至控制總線進(jìn)行進(jìn)一步處理便于管理和拓展。空氣質(zhì)量采集單元集合濕度傳感器HM1500LF 采集周圍路口的濕度參數(shù)，霧霾傳感器DSM510 采集當(dāng)天的實(shí)時(shí)霧霾參數(shù)和光傳感器BH1750FVI 判斷晝夜情況。同時(shí)將光傳感器，濕度傳感器和霧霾傳感器通過或非門連接，若有一個(gè)未達(dá)到預(yù)定質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，都會(huì)導(dǎo)致交通燈進(jìn)入自動(dòng)控制系統(tǒng)而正常工作，只有都達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)才會(huì)輸出0來關(guān)閉交通燈。

圖4 空氣質(zhì)量采集單元

3.2 俯瞰攝影單元

如今，攝像頭基本覆蓋每個(gè)街道的各個(gè)路口，設(shè)計(jì)攝像頭的初衷在于防止道路交通紊亂，進(jìn)行違章拍照等。若將攝像頭的功能進(jìn)一步改進(jìn)，在白天且空氣質(zhì)量良好的情況下啟動(dòng)實(shí)時(shí)攝像并將畫面導(dǎo)入軟件中，將攝影中的車輛量化，量化包含單位時(shí)間的車流量和車型大小，利用車型查找車輛長(zhǎng)寬和質(zhì)量等數(shù)據(jù)，結(jié)合汽車的數(shù)量，計(jì)算出該時(shí)刻的相對(duì)車流量大小，利用此數(shù)值便可進(jìn)一步確定綠燈的時(shí)間，減緩交通壓力。

3.3 估算單元

對(duì)于交通燈控制器來說，最重要的信息是每個(gè)信號(hào)組的隊(duì)列長(zhǎng)度。因此，提出了改進(jìn)隊(duì)列測(cè)量的三種算法。第一次使用GPS 數(shù)據(jù)，是以為車載GPS是未來的趨勢(shì)，同時(shí)結(jié)合同路口歷史車輛行駛方向百分比來確定車輛是否排隊(duì)向右轉(zhuǎn)、向左或向右行駛。此設(shè)計(jì)好處在于隨著時(shí)間的推移，沒有積累錯(cuò)誤的優(yōu)勢(shì)。第二種算法還使用了交通燈狀態(tài)的信息，并利用加速車輛的波浪速度模型確定了綠色開始時(shí)的排隊(duì)長(zhǎng)度，車輛僅在交叉口上游檢測(cè)一次，其到達(dá)時(shí)間以平均速度為模型。第三種算法是低滲透，結(jié)合傳統(tǒng)的停止線檢測(cè)與合作檢測(cè)來估計(jì)隊(duì)列長(zhǎng)度。將前兩種算法與傳統(tǒng)的隊(duì)列估計(jì)算法進(jìn)行了比較，并將平均隊(duì)列估計(jì)誤差從5.6 個(gè)提高到2.6，而對(duì)GPS 算法和波速算法的平均隊(duì)列估計(jì)誤差為1.7，該算法不考慮將百分比轉(zhuǎn)化為考慮因素，模擬對(duì)比了不同的場(chǎng)景［6］。這些算法隨后應(yīng)用到交通控制中，利用改進(jìn)的隊(duì)列估計(jì)可以更好地規(guī)劃放行多久后斷開綠燈。

4 優(yōu)化設(shè)計(jì)

4.1 設(shè)計(jì)目的

此設(shè)計(jì)旨在為整個(gè)控制系統(tǒng)提供技術(shù)保障，設(shè)計(jì)目的包括三大點(diǎn)：第一點(diǎn)是交通燈的自動(dòng)控制系統(tǒng)，這是一個(gè)交通燈的最基本要求，利用普通的單片機(jī)即可完成；第二點(diǎn)是無線傳輸?shù)谋ＷC，這是為了讓車載GPS信號(hào)能及時(shí)傳輸?shù)浇K端，為進(jìn)一步的互聯(lián)網(wǎng)+和大數(shù)據(jù)的總結(jié)分析提供堅(jiān)強(qiáng)有力的保障，同時(shí)還可以為一些輔助功能提供技術(shù)支持，包括交通燈的損壞情況的及時(shí)上報(bào)等。同時(shí)保證路燈之間的通信，此功能是為了保證監(jiān)測(cè)單元工作的準(zhǔn)確性，比如同一個(gè)路口對(duì)同一個(gè)方向進(jìn)行監(jiān)測(cè)，若東邊的檢測(cè)單元傳輸?shù)臄?shù)據(jù)和西邊上傳的數(shù)據(jù)不同，在實(shí)現(xiàn)路燈通信的情況下可以迅速地判斷錯(cuò)誤并對(duì)檢測(cè)單元下重新監(jiān)測(cè)的指令，保證交通安全通暢［7］。第三種是路燈控制器，此單元可以及時(shí)分析無論檢測(cè)單元還是大數(shù)據(jù)的各種數(shù)據(jù)，并且控制各個(gè)單元工作。

4.2 路燈控制器

該控制器相當(dāng)于交通燈的心臟，是主控單元，本單元可以基于門電路來實(shí)現(xiàn)，此方法簡(jiǎn)單方便，但是需要的數(shù)目太多，導(dǎo)致工作量太大。另一種是基于ARM7結(jié)構(gòu)的STM32F103芯片為控制器，用到可以通用的4 個(gè)定時(shí)器，2 個(gè)HC 接口，1 個(gè)FSMC 接口和112 個(gè)通用I/O 口［8］。該單元主要負(fù)責(zé)處理空氣質(zhì)量和相對(duì)車流量的數(shù)據(jù)，結(jié)合大數(shù)據(jù)判斷，并對(duì)各類情況進(jìn)行分析，判斷下一步進(jìn)入和指令。

4.3 無線傳輸

無線傳輸主要采用GPRS 和ZigBee 傳輸數(shù)據(jù)，之所以采用GPRS，是因?yàn)槠淇沙浞掷矛F(xiàn)有資源，方便，快捷；并且能實(shí)時(shí)的提供在線功能“alwaysonline”，這為用戶始終處于連線和在線狀態(tài)做了保證［9］；GPRS 傳輸速率高，最高可以達(dá)到115Kbps～170Kbs，下一代GPRS 預(yù)計(jì)可以達(dá)到384Kbit/s，其接入等待時(shí)間也較短，可以快速建立連接，一般在兩秒左右。其基于TPC/IP 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議并且控制GPRS網(wǎng)絡(luò)連接，利用的方式為透明傳輸，結(jié)合TPC協(xié)議實(shí)現(xiàn)從控制器到服務(wù)器的可靠連接。

ZigBee技術(shù)是一種低功耗，低成本的雙向無線通訊技術(shù)，是一種局域網(wǎng)協(xié)議，這很適合應(yīng)用于城市交通燈之間的通信，事實(shí)證明近距離更適合應(yīng)用ZigBee 技術(shù)，同時(shí)，一個(gè)星型結(jié)構(gòu)的ZigBee 網(wǎng)絡(luò)最多可以容納254 個(gè)從設(shè)備和一個(gè)主設(shè)備，且ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)還具有自動(dòng)接收別的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)傳輸過來的數(shù)據(jù)資訊的特點(diǎn)［10］，并且結(jié)合自己信號(hào)覆蓋的范圍內(nèi)，和多個(gè)不承擔(dān)網(wǎng)絡(luò)信息中轉(zhuǎn)任務(wù)的孤立子節(jié)點(diǎn)無線連接［11］，這不僅提高了工作效率，也更大程度地保證了整個(gè)系統(tǒng)工作時(shí)的可靠性。ZigBee 路由算法是在網(wǎng)絡(luò)層定義的，MAC 層的數(shù)據(jù)傳輸模式為完全確認(rèn)模式，每個(gè)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)資料都必須得到接收方的確認(rèn)信息，避免了沖突，同時(shí)還提供專用時(shí)隙為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)，避開了發(fā)送數(shù)據(jù)的競(jìng)爭(zhēng)和沖突。ZigBee 模塊可采用2.4GHz 的CC2530，與單片機(jī)連接較為方便。

在現(xiàn)代城市中工作，難免會(huì)收到隨機(jī)信號(hào)的干擾使數(shù)據(jù)發(fā)生連接中斷情況，GPRS 能主動(dòng)提供心跳包，檢測(cè)中心模塊會(huì)及時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)連接進(jìn)行診斷，對(duì)重要數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)效性，完備性和優(yōu)先級(jí)的控制做出保障，同時(shí)有所有節(jié)點(diǎn)在局域網(wǎng)中連接在一起的特點(diǎn)，即任意兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間會(huì)通過多種方式連接，并且表現(xiàn)出清晰的去中心化態(tài)勢(shì)［12］。綜合以上要求，Mash 網(wǎng)絡(luò)便脫穎而出，其部署速度快，安裝簡(jiǎn)單［13］，通常只需要連接電源并進(jìn)入配置頁面即可，再協(xié)調(diào)器選擇合適的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行建立，同時(shí)為自己分派一個(gè)0X0000 的短地址，其它網(wǎng)絡(luò)地址由協(xié)調(diào)器隨機(jī)分派，路由器節(jié)點(diǎn)按照一定的規(guī)則接入網(wǎng)絡(luò)，組成一個(gè)擁有協(xié)調(diào)器功能的系統(tǒng)，整個(gè)工作過程如圖5所示［14］。

圖5 事件傳輸處理流程圖

5 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了一種基于環(huán)境參數(shù)檢測(cè)單元，實(shí)時(shí)車流量檢測(cè)估算，GPRS，ZigBee 的具有車流量檢測(cè)功能的智能交通燈控制系統(tǒng)。系統(tǒng)可以判斷晝夜情況，完成對(duì)周邊壞境的采集，并且按照不同實(shí)際情況通過俯瞰或估算的方法確定綠燈時(shí)間，信息來自監(jiān)測(cè)單元，大數(shù)據(jù)等，利用自組網(wǎng)互相分享并通過GPRS 發(fā)送至檢測(cè)中心［15］。與傳統(tǒng)交通燈相比提高了出行效率，進(jìn)行了實(shí)時(shí)監(jiān)控，幫助市民規(guī)劃出行道路和方式，同時(shí)可以判斷晝夜，在一定情況下能節(jié)約能源，延長(zhǎng)路燈壽命；系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)報(bào)修故障情況，減少了后期大量人力的投入；環(huán)境檢測(cè)單元還可以為環(huán)境部門提供精確到街道的環(huán)境信息，進(jìn)一步提高了預(yù)報(bào)水平和實(shí)時(shí)性。