以云計算為基礎(chǔ)的智能交通信號燈控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)探討

鹽城師范學(xué)院信息工程學(xué)院 盧東祥

以云計算為基礎(chǔ)的智能交通信號燈控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)探討

鹽城師范學(xué)院信息工程學(xué)院 盧東祥

控制好公路交通信號燈是確保交通快速、安全及有序運行的首要前提、重要環(huán)節(jié)與基礎(chǔ)保障，但基于當前普遍采用的交通信號燈控制系統(tǒng)而言，以單一的固定時序控制居多，往往無法結(jié)合現(xiàn)實需要與交通實況進行控制與調(diào)節(jié)。對此，本文首先簡要剖析了交通燈控制的基本需求，基于云計算，探討了交通信號燈控制系統(tǒng)的設(shè)計思路與實現(xiàn)路徑，即運用地感線圈對車流量進行檢測，通過GPRS實現(xiàn)交通量數(shù)據(jù)的實時上傳，利用云計算機、STM32F103芯片等技術(shù)，實現(xiàn)交通流量與流向的實時反饋，另對信號燈配時即時調(diào)整，最終達到智能控制交通信號燈的目的。

云計算；智能交通信號燈；控制系統(tǒng)；設(shè)計；實現(xiàn)

伴隨社會經(jīng)濟的持續(xù)發(fā)展，城市交通在此大背景下同樣呈現(xiàn)出快速發(fā)展勢頭。位于各條道路交叉口處的交通信號燈是管理與控制城市道路的基本形式與重要手段，需運用最佳控制方法，實現(xiàn)道路網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中車輛行駛通暢度的提升及通行時間的減少。但針對當前的交通燈控制系統(tǒng)而言，較多采用的是定時控制方式，無法依據(jù)車流量變化自動完成紅綠燈時間的調(diào)節(jié)，這樣勢必會出現(xiàn)諸如交通堵塞、車輛延遲等狀況。所以，依據(jù)道路交叉口處的車流量，對紅綠燈時間加以控制，實現(xiàn)交通資源的合理、高效分配，規(guī)避或減少可能出現(xiàn)的交通擁堵，提升道路使用效率。

1.交通燈控制需求分析

可編程序控制器（PLC）是一種基于微電腦技術(shù)的綜合自動控制裝置，現(xiàn)今，已在能源、冶金、機械制造及化工等行業(yè)得到成功應(yīng)用。本文依據(jù)城市交通控制的實際需求，深入剖析了基于PLC的兩種控制方式，即急車強通與正常時序，利用PLC與傳感器，智能判別與處理交通異常狀況。

1.1 正常時序的控制

系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)由一啟動開關(guān)控制，若開關(guān)啟動，此時的系統(tǒng)便開始運作；若斷開啟動開關(guān)，信號燈便處于熄滅狀態(tài)。當系統(tǒng)處于工作狀態(tài)時，南北方向的紅燈先亮，與此同時，東西方向亮綠燈。南北方向的紅燈持續(xù)亮25s，東西方向綠燈持續(xù)亮20s，到20s時，東西方向的綠燈便開始閃爍，綠燈亮0.5s，熄0.5s，閃爍周期為2s，當綠燈的閃爍時間達到3s后，便熄滅，此時東西方向的黃燈便開始亮，持續(xù)2s，待2s時，東西方向的黃燈熄滅，同時紅燈亮，在此同時，南北方向的綠燈亮。當東西方向的紅燈持續(xù)亮30s，南北方向的綠燈持續(xù)亮25s，且到25s時，東西方向的紅燈便連續(xù)閃亮3s，然后熄滅，南北方向的黃燈亮，且持續(xù)2s，2s時，南北方向的黃燈熄滅，同時紅燈亮，而東西方向的紅燈則熄滅，而綠燈亮，開始下一周期的動作運轉(zhuǎn)。各周期持續(xù)循環(huán)。

1.2 急車強通的控制

急車強通開關(guān)控制著急車強通信號。若沒有急車時，則信號燈便會依據(jù)正常時序來進行控制，如果有急車時，接通急車強通開關(guān)，無論原先信號燈處于怎樣的狀態(tài)，均以強制性方式使急車駛來方向相對的信號燈呈綠燈，以便急車通行，直到急車通行完畢后方可恢復(fù)正常。當急車通過后，斷開急車強通開關(guān)，此時的信號燈狀態(tài)便會發(fā)生改變，即轉(zhuǎn)變?yōu)榧避噥碥嚪较虻木G燈閃亮3次，然后依照正常時序來控制。針對急車強通信號來講，如果處于同一時間，則僅能對一路方向的急車予以響應(yīng)，如果急車分別來自兩個方向且先后駛來，那么會依據(jù)先后次序逐一響應(yīng)；如果急車來自兩個方向且同時駛來，那么依據(jù)南北或東西次序逐一響應(yīng)。

1.3 交通異常判別及處理系統(tǒng)分析

在道路交叉口處，經(jīng)常會發(fā)生一種交通異常情況，即交通燈控制信號處于正常運轉(zhuǎn)狀態(tài)，但現(xiàn)實交通狀態(tài)卻正好與之相反。比如在實際生活的道路交通中，會遇到南北方向上車輛較少，但東西方向卻有著過多車輛，而造成堵塞的情況。此時，如若仍為正常的信號燈時序，那么會加重交通擁擠，造成四方向均無法正常通行。對于此部分的處理方式而言，即依據(jù)外界實況，由傳感器來控制信號燈。若某一方向路段的傳感器感知到南北（或者東西）方向的車輛在50s內(nèi)未移動，而在東西（或者南北）方向卻有著正常的交通狀態(tài)，此時PLC將會以自動的方式啟動處理交通異常狀況的方式，對南北（或東西）方向上綠燈點亮?xí)r間進行強制性延長，使其到50s，直到此方向上的傳感器不返對應(yīng)信號。

2.智能交通信號燈控制系統(tǒng)概述

基于上述論點，文章以云計算為基礎(chǔ)，探討更為智能化的交通信號燈控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)由三部分構(gòu)成，即云計算系統(tǒng)、GPRS數(shù)據(jù)接收與傳輸終端、車流量檢測等現(xiàn)場設(shè)備。利用信號控制終端、車流量檢測等現(xiàn)場設(shè)備，能夠?qū)崟r、準確采集現(xiàn)場交通信息；通過GPRS實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸與接收，還能上傳車流量信息以及下發(fā)控制命令；而通過對STM32F103芯片、云計算技術(shù)等的運用，能夠系統(tǒng)化、實時性處理各道路車流量信息，最終達到控制城市交通監(jiān)控系統(tǒng)的目的，使其更加協(xié)調(diào)與統(tǒng)一。

3.智能交通信號燈控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

3.1 車流量檢測及數(shù)據(jù)采集

U1表示輸入信號的有效值；C2表示濾波電容，即鎖相環(huán)電路的捕獲帶寬。

圖1 LM567應(yīng)用電路圖

圖2 交通流量發(fā)射終端設(shè)計電路流程圖

若交叉口處于空閑狀態(tài)（無車輛通過），此時系統(tǒng)的耦合電路振蕩頻率會保持不變，若車輛經(jīng)過地感線圈，線圈會感知到車體重量及車型、大小等，另依據(jù)這些內(nèi)容的變化，使耦合電路振蕩頻率發(fā)生對應(yīng)性變化與波動。由于LM567需要捕獲一定的寬帶值，因此，當路口沒有車輛通過時，輸入信號頻率盡管會有比較小的波動，但針對此時的耦合電路而言，其振蕩頻率的浮動卻仍保持通頻狀態(tài)，8腳輸出低電平，LM56鎖定；若路口通過有車輛時，那么此時的耦合電路振蕩頻率的便會使比較劇烈的，因振蕩頻率并沒有處于通頻帶內(nèi)，所以，8腳便會有高電平輸出。

3.2 以GPRS為基礎(chǔ)的接收終端與數(shù)據(jù)傳輸設(shè)計

（1）交通流量發(fā)射終端。在控制交通信號方面，選用的是GTM900通訊模塊以及STC80C52單片機為基礎(chǔ)的交通流量的發(fā)射。利用單片機的外部中斷口INT1，來系統(tǒng)化檢測車流量脈沖信號，然后對統(tǒng)計時段相應(yīng)車流量進行檢測，而利用GTM900模塊，可以向數(shù)據(jù)接收終端發(fā)送統(tǒng)計結(jié)果。另外，對于GTM900通訊模塊與STC80C52單片機而言，二者間采用的是串口的數(shù)據(jù)傳輸方式；沒間隔一段時間，單片機便會向各個區(qū)域交通中心發(fā)送數(shù)據(jù)，這些交通中心的信號接收終端便會完成這些數(shù)據(jù)的采集、計算與分析，最后想控制交通燈的終端傳送最終的數(shù)據(jù)處理結(jié)果。此外，每次數(shù)據(jù)發(fā)送都需要經(jīng)過RING信號控制信號燈，而此信號燈每當接收一次信號便會閃爍一次。針對整個交通流量發(fā)射終端來講，選用的是看門狗軟件，以此來避免諸如環(huán)境等因素所導(dǎo)致的程序跑飛。（2）交通信號控制與接收終端。以STM32F103芯片為基礎(chǔ)，實現(xiàn)交通信號接收與控制的智能化嵌入式操作系統(tǒng)。當終端利用GTM900完成控制中心所發(fā)信號的接收工作后，便會將信號傳送至STM32F103芯片，然后對數(shù)據(jù)進行分析與解釋，利用各種I/O接口（東西-YELLOW、南北-RED、東西-GREEN等），實時控制道路交叉口的交通燈?？梢罁?jù)各路段的實際車流量，對紅、綠燈閃亮?xí)r間給予延長，以此來有效緩解所面臨的交通壓力。由于各路口交通信號接收機均配置有SIM卡，因此，能夠?qū)Ω髀房谶M行實時控制。而對于所采用的交通信號接收機而言，選用的是華為公司所生產(chǎn)的GTM900通訊模塊，此模塊通過GPRS通信技術(shù)，將檢測并收集到的車流量信息，實施傳輸至監(jiān)控中心，另外，還運用MAX813L看門狗軟件，對STM32F103的工作狀態(tài)進行監(jiān)控。若STM32F103出現(xiàn)工作異常，則看門狗電路于特定時段無法刷新復(fù)位，便能輸出信號進行強制復(fù)位，重啟工作，以此來確保終端始終處于正常工作狀態(tài)。在整個系統(tǒng)當中，MAX813L電路能夠?qū)崿F(xiàn)瞬時掉電，因此，當程序運行出現(xiàn)“死機”狀況時，可以自動復(fù)位或手動復(fù)位，還能對電源故障進行實時性監(jiān)控，所得數(shù)據(jù)還可予以保存。

3.3 基于云計算

針對城市數(shù)據(jù)交通應(yīng)用而言，其主要有如下特點：穩(wěn)定性要求高、數(shù)據(jù)共享需求高、應(yīng)用負載脈動大、使用性要求高、信息實時處理要求性高以及數(shù)據(jù)量大等。本系統(tǒng)以云計算技術(shù)為基礎(chǔ)，通過采集一個城市各個區(qū)域的交通信息，然后將其向終端傳送，把所采集的信息以上傳的方式輸送至各個區(qū)域的服務(wù)中心，最后收集、處理并系統(tǒng)化分析全部區(qū)域的信息，傳送至各個區(qū)域的交通中心，以此達到實時控制各路口交通信號燈時間的目的。利用虛擬性、先進性的云計算技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)諸如服務(wù)器、存儲器、網(wǎng)絡(luò)資源等硬件資源的系統(tǒng)化整合，然后依據(jù)實際需要，對系統(tǒng)資源開展全面、深層的優(yōu)化配置，以此達到提升資源綜合利用率的效果，除此之外，通過上述操作，還能實現(xiàn)靈活化應(yīng)用，最大程度降低運維成本與總能耗。虛擬化的云計算技術(shù)主要有如下特點：通過整合交通信息資源，各種軟硬件數(shù)據(jù)可以較好的滿足ITS當中各個應(yīng)用系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)需求，而且滿足內(nèi)容具有較強的針對性，除了能夠較為全面的滿足交通行業(yè)的增值服務(wù)以及交通信息的發(fā)布方面的需求外，還能滿足交通仿真的模擬、基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)等領(lǐng)域的需求，能為交通指揮系統(tǒng)制定決策與方案，提供全面數(shù)據(jù)支撐，還能切實保障系統(tǒng)資源平臺的全面開發(fā)，以最快的速度反應(yīng)系統(tǒng)可能出現(xiàn)的突發(fā)事件，有著不錯的擴展功能與應(yīng)變能力，能夠較好的適用于交通行業(yè)的未來發(fā)展需要。

4.結(jié)語

綜上，該系統(tǒng)融合有系統(tǒng)工程技術(shù)、通信技術(shù)及信息技術(shù)等先進技術(shù)，通過對道路交通系統(tǒng)開展系統(tǒng)化改造，從中構(gòu)建起一種集信息化、智能化于一身的新型交通系統(tǒng)，能夠在不額外增加道路基礎(chǔ)設(shè)施的前提下，大幅改善現(xiàn)有交通狀況，因此，有助于交通擁堵狀況的減輕，使交通資源得到更佳合理的分配，提升道路的綜合利用率。

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