基于多傳感器的惡劣天氣行人預(yù)警信號燈設(shè)計(jì)★

湯 敏 鄒常豐 李玉英

(東北林業(yè)大學(xué)交通學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150040)

隨著我國城市道路的迅猛發(fā)展以及機(jī)動車保有量的日益增加，交通安全問題已成為人民十分關(guān)注的問題[1]。大雪大霧等惡劣氣象會降低能見度，極易出現(xiàn)嚴(yán)重的交通事故[2]，對行人以及車輛造成不可估量的損失，我國是一個(gè)人口大國，道路交通設(shè)施以及管理設(shè)施雖然有了很大的改進(jìn)，但是大多數(shù)城市的交通系統(tǒng)不夠完善更不提先進(jìn)了，盡管建立了交通控制中心，只是起到了監(jiān)視的作用，與管理，控制沒有太大關(guān)系[3]。無論是霧還是霾，一旦形成就會給外出活動帶來極大的不便，尤其對道路交通造成嚴(yán)重阻礙。霧霾中行車，駕駛員看不清前面的路，信號燈辨識度很差，行人看不清信號燈或者低頭玩手機(jī)，導(dǎo)致闖紅燈過公路，由于是霧霾天氣，駕駛員很難看清是否有行人在過公路，極容易造成追尾等事故。

本文設(shè)計(jì)了一種基于多傳感器的惡劣天氣行人預(yù)警信號燈，該信號燈通過PM2.5傳感器GP2Y1010AU0F、溫濕度傳感器DHT11以及紅外光柵傳感器DQY-4004-NB-NK-PB-PK-J；并以嵌入式智能硬件Arduino為核心控制單元，將智能溫濕度數(shù)據(jù)、PM2.5數(shù)據(jù)以及行人過街信息進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，通過單片機(jī)軟件編程開發(fā)一種具有環(huán)境數(shù)據(jù)檢測與行人預(yù)警功能的智能交通信號燈，可在惡劣天氣環(huán)境下極大程度的避免交通事故的發(fā)生。

1 系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

基于多傳感器的惡劣天氣行人預(yù)警信號燈如圖1所示。該裝置由紅色信號燈、黃色信號燈、綠色信號燈、報(bào)警指示燈、單片機(jī)、PM2.5傳感器、溫濕度傳感器、紅外光柵傳感器、顯示屏組成。其中單片機(jī)型號為ATmega328；PM2.5傳感器的型號為GP2Y1010AU0F；溫濕度傳感器的型號為DHT11；紅外光柵傳感器的型號為DQY-4004-NB-NK-PB-PK-J；顯示屏的型號為LCD2004。

系統(tǒng)的核心是ATmega328控制器，它與PM2.5傳感器、溫濕度傳感器以及紅外光柵傳感器通過單片機(jī)內(nèi)部集成的串口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的通訊，以此獲取溫濕度數(shù)據(jù)、PM2.5數(shù)據(jù)以及行人過街信息，并對信號燈進(jìn)行控制，降低交通事故發(fā)生概率，提高交通安全性。

2 硬件設(shè)計(jì)

基于多傳感器的惡劣天氣行人預(yù)警信號燈中的數(shù)據(jù)采集傳感器包括以下三種元件：選擇DHT-11作為溫濕度傳感器，GP2Y1010AU0F作為PM2.5傳感器獲取空氣中霧霾濃度，DQY-4004-NB-NK-PB-PK-J紅外光柵傳感器獲取行人通過人行道信號燈等候區(qū)信息。

DHT-11數(shù)字溫濕度傳感器是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號輸出的溫濕度復(fù)合傳感器[4]。DHT-11典型應(yīng)用電路如圖2所示。它應(yīng)用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，確保產(chǎn)品具有極高的可靠性與卓越的長期穩(wěn)定性。該產(chǎn)品具有品質(zhì)卓越、超快響應(yīng)、抗干擾能力強(qiáng)、性價(jià)比極高等優(yōu)點(diǎn)[5]。每個(gè)DHT-11傳感器都在極為精確的濕度校驗(yàn)室中進(jìn)行校準(zhǔn)。校準(zhǔn)系數(shù)以程序的形式儲存在OTP內(nèi)存中，傳感器內(nèi)部在檢測信號的處理過程中要調(diào)用這些校準(zhǔn)系數(shù)。單線制串行接口，使系統(tǒng)集成變得簡易快捷。超小的體積、極低的功耗，信號傳輸距離可達(dá)20 m以上，使其成為各類應(yīng)用甚至最為苛刻的應(yīng)用場合的最佳選擇。

GP2Y1010AU0F與ATmega328控制器的連接圖如圖3所示。GP2Y1010AU0F是一種可以感知空氣中塵埃粒子濃度的光學(xué)空氣質(zhì)量傳感器[6]，其內(nèi)部包括光電晶體管和紅外發(fā)光二極管，通過探測空氣中細(xì)小顆粒的反射光實(shí)現(xiàn)對空氣中塵埃粒子濃度的檢測。

將上述選擇的傳感器連于單片機(jī)，單片機(jī)的作用是接收紅外傳感器傳回的數(shù)據(jù),并對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理再傳輸?shù)缴衔粰C(jī)中[7],實(shí)現(xiàn)從傳感器到上位機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸及數(shù)據(jù)處理，通過單片機(jī)引腳自動分壓后可提供上述傳感器所需的工作電壓。傳感器含發(fā)射紅外線的二極管以及檢測紅外線的PSD(位置敏感檢測器)[8],紅外測距傳感器有三根引線，從左到右依次為黃色，功能為連接電源線VCC；黑色，功能為接地線GND；紅色，功能為傳輸數(shù)據(jù)[9]，連接于單片機(jī)的模擬信號輸入ANALOG IN。

3 系統(tǒng)工作流程

基于多傳感器的惡劣天氣行人預(yù)警信號燈工作流程如圖4所示。環(huán)境數(shù)據(jù)檢測與行人預(yù)警交通信號燈，按照下述步驟進(jìn)行：首先進(jìn)行初始參數(shù)設(shè)置，包括每個(gè)相位的紅綠黃燈的周期時(shí)長；將PM2.5傳感器的數(shù)據(jù)輸出端與單片機(jī)的串口讀取端相連，實(shí)時(shí)檢測信號燈周圍空氣中PM2.5含量；將溫濕度傳感器的數(shù)據(jù)輸出端與單片機(jī)的數(shù)字量讀取端相連，實(shí)時(shí)檢測信號燈周圍空氣中溫濕度數(shù)據(jù)；通過單片機(jī)外圍電路中的模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器將紅外光柵傳感器輸出端輸出的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，再將模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器的數(shù)字量輸出端與單片機(jī)的數(shù)字量輸入端相連，通過單片機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)測紅外光柵傳感器的狀態(tài)信息，檢測是否有行人通過；通過單片機(jī)中的定時(shí)器進(jìn)行計(jì)時(shí)，根據(jù)各相位中紅綠黃燈的周期時(shí)長控制紅色信號燈LED1、黃色信號燈LED2、綠色信號燈LED3的亮滅；顯示屏與單片機(jī)的數(shù)字量輸入端連接，顯示當(dāng)前信號燈剩余時(shí)間、PM2.5含量以及溫濕度數(shù)據(jù)；系統(tǒng)判斷當(dāng)前被點(diǎn)亮的信號燈的顏色狀態(tài)，若紅色信號燈或黃色信號燈被點(diǎn)亮，則報(bào)警指示燈LED4一直處于關(guān)閉狀態(tài)，若綠色信號燈被點(diǎn)亮，則系統(tǒng)根據(jù)步驟四判斷是否行人通過，若無行人通過，則報(bào)警指示燈LED4處于關(guān)閉狀態(tài)；若有行人通過，則報(bào)警指示燈LED4發(fā)出報(bào)警信號。

4 結(jié)語

隨著我國城市道路的迅猛發(fā)展以及機(jī)動車保有量的日益增加，交通安全問題已成為人民十分關(guān)注的問題，針對惡劣天氣下，駕駛員看不清前面道路情況，信號燈辨識度很差，行人看不清信號燈或低頭玩手機(jī)，導(dǎo)致闖紅燈過公路，極容易造成追尾等事故的發(fā)生。本文通過PM2.5傳感器GP2Y1010AU0F、溫濕度傳感器DHT11以及紅外光柵傳感器DQY-4004-NB-NK-PB-PK-J；并以嵌入式智能硬件Arduino為核心控制單元，將智能溫濕度數(shù)據(jù)、PM2.5數(shù)據(jù)以及行人過街信息進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，通過單片機(jī)軟件編程開發(fā)一種具有環(huán)境數(shù)據(jù)檢測與行人預(yù)警功能的智能交通信號燈?？蓪?shí)現(xiàn)對信號燈周圍空氣中的溫濕度數(shù)據(jù)以及PM2.5值進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測，為環(huán)保局等有關(guān)部門以及相關(guān)領(lǐng)域的科研人員提供大數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)的科學(xué)研究，并在霧天等能見度較差的天氣下，當(dāng)信號燈處于紅燈相位并通過光柵傳感器檢測出來人行道有行人通過時(shí)，系統(tǒng)可將檢測信號傳給信號燈，通過信號燈上的報(bào)警指示燈為對應(yīng)車道的司機(jī)提出預(yù)警，避免交通事故的發(fā)生。