斑馬線智能控制系統(tǒng)的研究

貴州商學(xué)院 蔣元敬 蘇 藏 任亞哥 胡燦婷 劉 衛(wèi)

隨著物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)在各個領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，使得信息感知及采集技術(shù)的即時性成為可能，交通系統(tǒng)的感知能力得到空前提升，大幅緩解了交通擁堵現(xiàn)狀，提升城市交通路網(wǎng)的效能與出行質(zhì)量。本文設(shè)計(jì)了一個模型基于AT89C51單片機(jī)智能斑馬線，每個功能模塊設(shè)計(jì)主要是連接到主控制系統(tǒng)，通過將收集的信息將被發(fā)送到主控制模塊，各個模塊主控制模塊接收到相應(yīng)的信號和相應(yīng)的控制機(jī)構(gòu)給各個模塊，從而協(xié)調(diào)斑馬線的正常運(yùn)行。當(dāng)行人通過斑馬線時，斑馬線將會通過系統(tǒng)阻止車輛通行，以減少車禍發(fā)生頻次。

1 智慧線系統(tǒng)背景

1.1 斑馬線交通的現(xiàn)狀及背景

目前，隨著科技的進(jìn)步和人們生活水平的提高，私家車已經(jīng)成為許多家庭不可缺少的交通工具。然而，它也帶來了很多交通問題，如交通擁堵，行人過馬路，事故頻發(fā)，早晚高峰時段交通擁堵。這種矛盾容易加劇，已成為亟待解決的交通問題。根據(jù)國家統(tǒng)計(jì)局提供的數(shù)據(jù)，全球每年約有125萬人死于道路交通事故，相當(dāng)于每天有3500人死于交通事故。世界衛(wèi)生組織表示，道路交通死亡和受傷的主要風(fēng)險是超速駕駛。因此，目前交通事故也是世界面臨的一個重大問題。

根據(jù)近幾年的汽車擁有量及其年份的數(shù)據(jù)分析，通過數(shù)據(jù)擬合方式，預(yù)估以后車輛多少的走向。

通過對民用汽車擁有量和私人汽車擁有量進(jìn)行數(shù)據(jù)匯總得到總汽車擁有量數(shù)據(jù)，總汽車擁有量和年份通過EXCEL建立簡單一元線性回歸，總體趨勢為隨年份的增長，總汽車擁有量不斷增多。簡單線性回歸方程的R方為0.955，接近于1，說明方程擬合程度良好。2014-2020年上半年中國機(jī)動車和汽車保有量如圖1所示。2010-2021年分析總汽車量隨著年份變化的關(guān)系如圖2所示。

圖1 2014-2020年上半年中國機(jī)動車和汽車保有量

圖2 2010-2021年分析總汽車量隨著年份變化的關(guān)系

1.2 交通事故數(shù)據(jù)分析及其痛點(diǎn)

通過交通事故數(shù)據(jù)進(jìn)行圖形分析。柱形圖的交通事故總計(jì)數(shù)是呈現(xiàn)一個波動的變化趨勢，其中2018年達(dá)到了近十年事故總計(jì)的頂峰。其中死亡人數(shù)呈現(xiàn)波動小的趨勢的上升情況，直接財產(chǎn)損失也是逐步上升的趨勢。如圖3所示。

圖3 交通事故柱狀圖

2 智慧線硬件設(shè)計(jì)

2.1 智慧線總體模塊設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)是主要是通過AT89C51單片機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)，根據(jù)其接受到的信號控制交通燈的循環(huán)顯示、電機(jī)驅(qū)動模塊驅(qū)動電機(jī)工作、紅外人體檢測模塊的工作狀態(tài)和語音模塊提示違規(guī)行人。整個系統(tǒng)運(yùn)行的啟動與停止將通過按鍵模塊進(jìn)行相應(yīng)控制，系統(tǒng)總體的電路設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)框圖

設(shè)計(jì)智能識別系統(tǒng)的功能，將強(qiáng)行闖紅燈的行人記錄并上傳存入交管部門，當(dāng)達(dá)到一定次數(shù)后通知其提交相應(yīng)的處罰。最后一個功能則是在裝置50m遠(yuǎn)處放有車輛檢測裝置，在顯示屏幕提示，即將過馬路的行人將有車輛到來注意觀察周圍情況。以免不必要的事故發(fā)生。整個系統(tǒng)運(yùn)行的啟動與停止將通過按鍵模塊進(jìn)行相應(yīng)自動控制。

2.2 智慧線各個功能模塊的選擇

2.2.1 主控制器模塊

主控制模塊主要選用AT89C51單片機(jī)，主要是因?yàn)樗亲罨A(chǔ)的控制器，支持掉電模式和低功耗模式，當(dāng)系統(tǒng)自動掉電后，單片機(jī)控制器中的數(shù)據(jù)不會隨著掉電而丟失。并且是一款4K字節(jié)可編程flash存儲器的高性能8位嵌入式高效微處理器，在閑置模式下，CPU保持睡眠狀態(tài)，較為節(jié)能，比較好的是單片機(jī)中RAM、串口、計(jì)數(shù)器、計(jì)時器及中斷系統(tǒng)始終保持激活狀態(tài)。

2.2.2 電機(jī)模塊

主要采用L298電機(jī)驅(qū)動器，來控制斑馬線屏障欄裝置的升降，將步進(jìn)電機(jī)以及電機(jī)的驅(qū)動模塊相結(jié)合對斑馬線屏障欄裝置進(jìn)行升降控制，優(yōu)點(diǎn)在于這款電機(jī)能夠耐高壓，且是由L298電機(jī)驅(qū)動器制作而成，該電機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)反轉(zhuǎn)和正轉(zhuǎn)等功能。具有高電壓、高電流、帶負(fù)載能力強(qiáng)和抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)

2.2.3 智能斑馬線屏障欄模塊

考慮到駕駛員因駕駛速度過快不能及時減速，可能導(dǎo)致和斑馬線屏障欄碰撞的情況，故將斑馬線屏障欄裝置制作材料改成物理心態(tài)為硬膠的合成橡膠，避免此類情況。該合成橡膠具有耐高溫、耐腐蝕和較強(qiáng)可逆形變的彈性。當(dāng)駕駛員剎車失靈或闖紅燈時，斑馬線屏障欄會被壓縮至地面，當(dāng)車間經(jīng)過后，會自動復(fù)原，就避免了因意外導(dǎo)致的事故，使得行人安全通行和駕駛員安全駕駛。

2.2.4 紅外檢測模塊

紅外模塊主要采用的是HC-SR501傳感器，這是一款能夠通過對人體感應(yīng)的傳感器，主要通過感應(yīng)人體來進(jìn)行數(shù)據(jù)收集，具有連續(xù)和單次兩種檢測模式，本文設(shè)計(jì)主要采用的是連續(xù)檢測模式進(jìn)行檢測。主要的工作電壓位于4.5V-20V之間，檢測的范圍在7m或14m以內(nèi)，根據(jù)實(shí)際可調(diào)節(jié)，并且具備高靈敏度，自動感應(yīng)和低消耗模式的優(yōu)點(diǎn)。

2.3 智慧線系統(tǒng)模塊主要功能實(shí)現(xiàn)步驟

2.3.1 電機(jī)模塊的功能原理

整個系統(tǒng)設(shè)計(jì)，需要有較大的的驅(qū)動裝置，需要選擇具有較大驅(qū)動電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)來提供動力，由于本文選用的是L298電機(jī)驅(qū)動模塊，該模塊主要的原理如圖5所示，通過電機(jī)控制的原理，輸出引腳主要作用是控制電機(jī)的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)。IN1、IN2及ENA控制電機(jī)D1的轉(zhuǎn)動，IN3、IN4及ENB控制電機(jī)D2的轉(zhuǎn)動，為整個設(shè)計(jì)提供驅(qū)動力。

圖5 電機(jī)驅(qū)動模塊電路圖

2.3.2 交通燈模塊的功能原理

該交通燈主要采用LED燈來表示紅綠燈，主要采用單向發(fā)光二極管。在本系統(tǒng)中，分別將三個LED正極連接到電源上，作為交通燈，LED的負(fù)極通過電阻串聯(lián)到主芯片的I/O管腳上，進(jìn)行電路保護(hù)。當(dāng)主芯片向其發(fā)送低電平信號時，LED導(dǎo)通顯示光態(tài)。因?yàn)?1單片機(jī)的工作電壓為5v，并且發(fā)光二極管的正常使用電壓在5v以下，在線路中接入電阻R，目的是為了保護(hù)發(fā)光二極管，預(yù)防發(fā)光二極管損壞。交通燈模塊如圖6所示。

圖6 交通燈模塊

2.4 智慧線總體原理圖實(shí)現(xiàn)

為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的正常運(yùn)行，首先需要根據(jù)系統(tǒng)的功能和各個模塊的工作原理，使用Altium Designer軟件繪制出相應(yīng)的原理圖。根據(jù)原理圖完成系統(tǒng)設(shè)計(jì)后，將運(yùn)行程序下載到系統(tǒng)的主芯片上，檢查系統(tǒng)是否可以正常運(yùn)行。本設(shè)計(jì)采用基于C語言的KEIL4軟件編寫系統(tǒng)運(yùn)行程序。在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，單片機(jī)運(yùn)行相應(yīng)的系統(tǒng)程序，控制交通燈的流通和電機(jī)正反向功能模塊的協(xié)調(diào)，防止駕駛員和行人闖紅燈，造成交通事故。當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境出現(xiàn)緊急情況或需要進(jìn)行相應(yīng)的維護(hù)時，可通過按下系統(tǒng)設(shè)置的按鈕停止系統(tǒng)。Altium Designer繪制原理圖如圖7所示。

圖7 Altium Designer繪制原理圖

3 智慧線軟件設(shè)計(jì)

3.1 智慧線系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

在整個系統(tǒng)運(yùn)行中，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要是采用上電復(fù)位方式來進(jìn)行復(fù)位，將連接整個電路后恢復(fù)到初始狀態(tài)，程序進(jìn)行初始化之后，系統(tǒng)開始運(yùn)行系統(tǒng)程序，在系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)中主要是判斷按鍵key1是否按下，若key1按鍵按下，則系統(tǒng)處于運(yùn)行狀態(tài)，反之終止運(yùn)行，各個模塊將不參與任何工作。在整個系統(tǒng)執(zhí)行中。key2按鍵被按下同樣終止運(yùn)行。

3.2 交通燈模塊的程序設(shè)計(jì)

該模塊程序設(shè)計(jì)為交通燈紅燈點(diǎn)亮一段時間之后黃燈亮起，黃燈點(diǎn)亮一段時間之后綠燈亮起，綠燈亮起一段時間之后紅燈又會再次點(diǎn)亮。若該模塊沒有收到主控模塊發(fā)出的相應(yīng)指令就會一直循環(huán)此過程，直到收到主控模塊發(fā)出的停止指令才會結(jié)束其運(yùn)行狀態(tài)，如圖8所示。

圖8 交通燈流程

3.3 智慧斑馬線屏障欄模塊程序設(shè)計(jì)

該模塊的程序設(shè)計(jì)為首先判斷系統(tǒng)中的紅燈是否為點(diǎn)亮狀態(tài)，若是則使司機(jī)端斑馬線屏障欄下降，行人端斑馬線屏障欄升高。完成此操作之后再判斷綠燈是否點(diǎn)亮，當(dāng)綠燈被點(diǎn)亮?xí)r司機(jī)端的斑馬線屏障欄升高，同時行人端的斑馬線屏障欄下降。若該模塊收到主控模塊發(fā)出的結(jié)束指令，整個模塊將停止運(yùn)行。如圖9所示。

圖9 斑馬線屏障欄模塊流程

3.4 語音提示及紅外人體檢測模塊的程序設(shè)計(jì)

該模塊的程序設(shè)計(jì)為首先判斷紅燈是否亮起，紅燈亮起時紅外人體檢測模塊將進(jìn)入工作狀態(tài)，若檢測到斑馬線上有行人主控模塊將啟動語音提示模塊對其發(fā)出相應(yīng)的語音提示。之后會判斷綠燈是否被點(diǎn)亮，若綠燈亮起則該模塊停止工作，如圖10所示。

圖10 紅外人體及語音提示功能流程

4 智慧線系統(tǒng)仿真及運(yùn)行

本文系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要實(shí)現(xiàn)功能主要以虛擬仿真的方式，對系統(tǒng)進(jìn)行模擬，主要采用的工具是Proteus，這是對電路仿真的一種快捷方式，在該軟件中繪制主控制原理圖，將各個元器件及其控制芯片找到并連接好原理圖，同時將編寫好的代碼在keil4中運(yùn)行，生成.hex文檔，Proteus中點(diǎn)擊單片機(jī)，將.hex文檔下載到單片機(jī)中，并查看各個電路模塊是否能正常工作。本設(shè)計(jì)主要用蜂鳴器來代表語音模塊。在仿真系統(tǒng)中，LED4、LED5和報警電路模擬紅外人體檢測和語音提示模塊。LED4的開關(guān)狀態(tài)模擬了紅外人體檢測模塊的工作狀態(tài)，LED5的閃爍狀態(tài)主要模擬了紅外人體檢測模塊對非法行人的檢測。仿真結(jié)果如圖11所示。

圖11 智能斑馬線屏障欄系統(tǒng)仿真圖