基于壓力傳感器的信號燈自動控制系統(tǒng)

李承遠(yuǎn)

摘 要：目前常用的人行橫道信號燈無法對實(shí)際的交通進(jìn)行自動調(diào)控，因此會耗費(fèi)行人和車輛大量的等待時(shí)間。在此基礎(chǔ)上，本文提出基于壓力傳感器的信號燈控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)將該裝置放置于人行橫道的等待區(qū)域地面上，當(dāng)有行人經(jīng)過時(shí)，壓力傳感器會檢測到壓力并輸出相應(yīng)的信號，從而判斷是否有行人在等待紅綠燈。該裝置實(shí)現(xiàn)了對信號燈的自動調(diào)控，根據(jù)行人狀態(tài)控制信號燈的變換，一定程度上緩解了交通擁堵問題。

關(guān)鍵詞：壓力傳感器；人行橫道；信號燈控制

中圖分類號：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）04-0043-02

當(dāng)今，隨著社會發(fā)展，交通日益繁忙，許多地方出現(xiàn)交通擁堵現(xiàn)象，給行人及車輛的出行帶來極大的不便。為了緩解這一問題，智能交通系統(tǒng)[1]受到國內(nèi)外的重視。其中，紅綠燈的控制是重要的組成部分。目前，絕大多數(shù)的紅綠燈無法根據(jù)實(shí)際交通狀況進(jìn)行動態(tài)調(diào)整。因此，如果沒有行人通過人行橫道時(shí)，也會因?yàn)榈燃t燈而耽誤路口車輛的通行。按鈕式紅綠燈的出現(xiàn)能在一定程度上緩解交通擁堵情況的發(fā)生，使行人的出行更加便利。當(dāng)行人按下紅綠燈控制按鈕，人行橫道的綠燈變亮，行人可以通過人行橫道；當(dāng)按鈕沒有被按下時(shí)，人行橫道對應(yīng)的信號燈保持在紅燈的狀態(tài)，使車輛始終能夠通行。但該紅綠燈需要更多的人了解并正確使用，目前還未廣泛普及。針對以上問題，本文提出了基于壓力傳感器的信號燈自動控制系統(tǒng)。

1 壓力傳感器

傳感器是能夠直接進(jìn)行信息檢測，并且將得到的信息轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電信號或者其他形式的信號，最終進(jìn)行輸出的一種檢測器件。通過傳感器可以快速且準(zhǔn)確的獲得需要的信息，從而進(jìn)行下一步處理。因此，傳感器技術(shù)[2]在自動控制中中扮演著極其重要的角色。目前，傳感器技術(shù)已經(jīng)普遍應(yīng)用在人們的生活中。例如，聲控?zé)艟褪抢昧寺曇魝鞲衅?，?dāng)檢測到聲音時(shí)，燈光變亮，否則燈光關(guān)閉；恒溫空調(diào)則利用了溫度傳感器，當(dāng)室內(nèi)的溫度高于空調(diào)設(shè)置的溫度時(shí)，空調(diào)不再加熱，否則繼續(xù)加熱；而體重計(jì)則是利用了壓力傳感器，將人的壓力信號以體重的形式進(jìn)行顯示。

本文提出的信號燈控制系統(tǒng)首先需要利用壓力傳感器將行人經(jīng)過的信息進(jìn)行檢測，并根據(jù)檢測到的信號進(jìn)行紅、綠燈的交替變換控制，所以本文接下來對壓力傳感器的相關(guān)知識進(jìn)行具體介紹。

壓力傳感器[3]是目前在工業(yè)控制及日常生活中極其常用的一種傳感器，它的工作原理是將壓力信號轉(zhuǎn)化成電信號，從而利用采集電路進(jìn)行壓力信號的采集。壓力傳感器有多種不同的類型，這些不同類型的傳感器能夠根據(jù)其特性的不同應(yīng)用在特定領(lǐng)域，接下來對其中的一些類型進(jìn)行介紹。

壓電式壓力傳感器是基于壓電效應(yīng)進(jìn)行壓力測量。壓電效應(yīng)指的是壓力與電場之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，其中正壓電效應(yīng)指的是當(dāng)敏感元件受到外力作用時(shí)，兩個(gè)表面會產(chǎn)生電荷，從而表現(xiàn)出電場的形式；而負(fù)壓電則表示當(dāng)敏感元件在電場的作用下，會產(chǎn)生相應(yīng)的機(jī)械變形，從而表現(xiàn)出壓力存在的形式。壓電式壓力傳感器進(jìn)行壓力測量利用的就是正壓電效應(yīng)。當(dāng)傳感器感受到外界壓力時(shí)，傳感器內(nèi)部的敏感元件會產(chǎn)生能夠測量的電量，通過檢測電量大小能夠感知到外界壓力大小。

電容式壓力傳感器能夠通過電容敏感元件將壓力轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電量進(jìn)行輸出。電容式壓力傳感器將金屬薄膜作為電容器的一極，當(dāng)電容器受到外界壓力作用時(shí)，金屬薄膜產(chǎn)生變形，從而造成電容器兩極之間的距離發(fā)生變化，從而改變其電容量。隨著壓力的不同，薄膜的變形程度也不相同，因此會造成電容值不同。電容式壓力傳感器可以通過檢測該電容值的大小進(jìn)行壓力的測量。

壓阻式壓力傳感器是基于半導(dǎo)體的壓阻效應(yīng)進(jìn)行壓力測量。當(dāng)半導(dǎo)體受到作用力時(shí)，其電阻率發(fā)生變化，從而導(dǎo)致電阻變化，因此可以用來進(jìn)行壓力檢測。電阻式壓力傳感器常用四個(gè)不同方向上的電阻組成惠斯通電橋，其示意圖如圖1所示。當(dāng)傳感器感受到壓力時(shí)，四個(gè)電阻的阻值發(fā)生變化，從而導(dǎo)致其輸出的電壓發(fā)生相應(yīng)變化。當(dāng)傳感器感受到的壓力值不同時(shí)，電阻的阻值也會隨之發(fā)生相應(yīng)的變化，因此可以通過測量輸出的電壓值進(jìn)行壓力大小的檢測。

除了上述詳細(xì)介紹的壓力傳感器外，壓力傳感器還包含其他多種類型。其中，壓阻式壓力傳感器由于價(jià)格低、結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠等優(yōu)點(diǎn)，成為在日常生活中應(yīng)用最多的一種壓力傳感器，它對于壓力的測量上限可達(dá)60MPa[4]。

壓力傳感器作為常見的傳感器，已經(jīng)得到了充分的研究，它在檢測行人狀態(tài)方面也已經(jīng)有了一些應(yīng)用。文獻(xiàn)[5]利用壓力傳感器進(jìn)行燈具的控制。當(dāng)檢測到人出現(xiàn)時(shí)，相應(yīng)的燈具才會變亮，否則燈具保持在關(guān)閉的狀態(tài)，該系統(tǒng)能夠在一定程度上解決燈具的耗電問題。文獻(xiàn)[6]采用壓力傳感器進(jìn)行老人的摔倒檢測，對于正常行走以及跌倒后的狀態(tài)進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)，得到足夠多的樣本，以進(jìn)行老人摔倒的判斷。由上述分析可知，壓力傳感器能夠用于行人的檢測。

2 信號燈控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文將從傳感器的布置方式及算法設(shè)計(jì)這兩部分來進(jìn)行介紹。

首先是傳感器布置方面。本文提出的信號燈自動控制系統(tǒng)是將壓力傳感器布置在人行橫道的路口，即行人在通過人行橫道前所在的等待紅綠燈通行處。為了擴(kuò)大行人等待的范圍，在路口放置多個(gè)壓力傳感器，其布置示意圖如圖2所示。其中，壓力傳感器的數(shù)目由路口的大小及傳感器的感知區(qū)域范圍來共同確定，因此具體數(shù)目可在實(shí)際應(yīng)用中進(jìn)行調(diào)節(jié)以適應(yīng)不同情況。這種傳感器的布置方式通過多個(gè)傳感器的協(xié)調(diào)配合，增大了對于壓力的感知范圍。當(dāng)有行人進(jìn)入等待區(qū)域時(shí)，其中的某些壓力傳感器就會輸出相應(yīng)的信號，從而進(jìn)行行人的判斷。當(dāng)某個(gè)傳感器檢測到行人時(shí)，輸出為1，否則輸出為0。

接下來進(jìn)行信號燈控制系統(tǒng)的算法設(shè)計(jì)。由于本系統(tǒng)采用了多個(gè)傳感器進(jìn)行壓力感知，因此需要將所有壓力傳感器的輸出信號進(jìn)行綜合考慮。若所有傳感器均輸出為0，則認(rèn)為等待區(qū)域范圍內(nèi)均不存在行人。當(dāng)所有傳感器中有一個(gè)輸出為1，則認(rèn)為有行人經(jīng)過該等待區(qū)域，但此時(shí)傳感器的輸出僅僅代表著等待區(qū)域內(nèi)只有該時(shí)刻存在行人，前幾秒及后幾秒的狀態(tài)均是未知。因此，可能發(fā)生的情況有兩種，分別為：（1）該行人在路口待綠燈燈，進(jìn)而通過該人行橫道；（2）該行人僅僅是路過該檢測區(qū)域，不需要通過人行橫道。此時(shí)需要進(jìn)行進(jìn)一步判斷。

對此，本文提出的解決方案是：輸出為1，則代表該行人在等待區(qū)域內(nèi)已經(jīng)持續(xù)等待10s，則認(rèn)為行人在等待信號燈，此時(shí)，信號燈變綠，并保持綠燈狀態(tài)15s，隨后，信號燈變紅。循環(huán)檢測。

該算法綜合考慮了等待區(qū)域內(nèi)所有傳感器的輸出信號，在行人等待信號燈的識別過程中，不僅考慮了某一時(shí)刻的檢測信息，更是將某一時(shí)段內(nèi)的信息全部考慮在內(nèi)，因此更加可靠。

3 結(jié)語

本文通過對壓力傳感器的介紹和信號燈控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，為未來壓力傳感交通信號燈的設(shè)計(jì)提供了可能。本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，操作可行，具有自動控制，對優(yōu)化城市交通有重要意義。本文提出的基于壓力傳感器的信號燈控制系統(tǒng)為初步研究階段，存在的不足將在未來研究中進(jìn)行進(jìn)一步修改和完善。

參考文獻(xiàn)

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