基于物聯(lián)網(wǎng)的智能交通控制系統(tǒng)

王 超, 張廣宇, 馬 健

(1.長春光華學(xué)院， 吉林 長春 130031;2.中國聯(lián)通長春分公司， 吉林 長春 130012；3.吉林省水利水電工程局， 吉林 長春 130012)

基于物聯(lián)網(wǎng)的智能交通控制系統(tǒng)

王 超1, 張廣宇2, 馬 健3

(1.長春光華學(xué)院， 吉林 長春 130031;2.中國聯(lián)通長春分公司， 吉林 長春 130012；3.吉林省水利水電工程局， 吉林 長春 130012)

智能交通信號控制系統(tǒng)采用嵌入式設(shè)備、高清攝像頭、無線射頻單片機(jī),利用攝像頭獲取圖像信息，通過嵌入式主控設(shè)備進(jìn)行分析和處理,將控制命令無線發(fā)送給終端節(jié)點(diǎn)，根據(jù)具體路況智能化控制交通信號燈，實(shí)現(xiàn)采集、傳輸、處理一體化的交通最優(yōu)控制。

Cortex-A8; zigbee; 智能交通

0 引 言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展及城市化進(jìn)程的加快，交通擁擠和阻塞已經(jīng)成為一個(gè)世界性問題。為更好地調(diào)整城市交通，改善交通基礎(chǔ)設(shè)施迫在眉睫。因此，人們將電子技術(shù)應(yīng)用于交通領(lǐng)域，形成了一門嶄新的研究方向，即智能交通系統(tǒng)(Intelligent Traffic System， ITS)[1]。傳統(tǒng)的交通控制設(shè)備僅是“模式化”地控制信號燈來指導(dǎo)交通，缺乏靈活性，效率較低，更不具備“智能化”，無法滿足現(xiàn)代交通發(fā)展的需要。為改善這種情況，將嵌入式物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)引入智能交通控制系統(tǒng)，即彌補(bǔ)了人力因素缺陷,又提高交通的“智能化”控制能力[2]。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

智能交通信號控制系統(tǒng)的搭建和實(shí)現(xiàn)，以及高效的交通控制理論是智能交通中的重要環(huán)節(jié)。設(shè)計(jì)中采用嵌入式系統(tǒng)、高清攝像頭、RFID設(shè)備、zigbee無線傳輸模塊等進(jìn)行硬件的搭建，通過無線傳輸技術(shù)實(shí)現(xiàn)交通的智能化控制[3]。在路口中央安裝4個(gè)高清攝像頭采集各方向路口車輛信息，以嵌入式設(shè)備作為交通信號的主控系統(tǒng)。主控系統(tǒng)通過zigbee協(xié)調(diào)器發(fā)送命令至4路口的終端節(jié)點(diǎn)調(diào)整交通信號燈的控制方案。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)主要包括2個(gè)部分：主控系統(tǒng)、從控制系統(tǒng)及協(xié)調(diào)器。

2.1主控系統(tǒng)

主控系統(tǒng)的硬件核心是嵌入式設(shè)備，并通過無線方式進(jìn)行通信。嵌入式主控設(shè)備采用Cortex-A8體系下的S5PV210，又名“蜂鳥”，主頻達(dá)到1 GHz，32/32 KB的數(shù)據(jù)/指令一級緩存，512 KB的二級緩存，運(yùn)行速度可達(dá)每秒2億條指令，適用于手持式便攜設(shè)備，如平板、手機(jī)等設(shè)備。內(nèi)存512 M，flash為512 M的nand flash，完美運(yùn)行Linux，Android等操作系統(tǒng)[4]。 Cortex-A8作為該系統(tǒng)的主控設(shè)備，主要用于車流量圖像采集、分析、處理，以及為主從控制設(shè)備之間的信息傳遞做好準(zhǔn)備。硬件設(shè)計(jì)中主控系統(tǒng)與協(xié)調(diào)器及主控系統(tǒng)與攝像頭間分別采用串口和USB口有線連接，保證主控系統(tǒng)穩(wěn)定性。為便于查詢、調(diào)取車流量的視頻及圖片信息，可將其存儲(chǔ)于U盤或SD卡內(nèi)[5]。硬件設(shè)計(jì)原理如圖1所示。

圖1 主系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理框圖

2.2從控制器及協(xié)調(diào)器

目前用于設(shè)計(jì)無線傳感網(wǎng)絡(luò)的主流網(wǎng)絡(luò)協(xié)議有藍(lán)牙，Zigbee 等，為滿足無線穩(wěn)定傳輸、降低功耗、多元化控制等需求，本設(shè)計(jì)在從控制器和協(xié)調(diào)器硬件設(shè)計(jì)中采用zigbee cc2530作為核心主控芯片[6]。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)監(jiān)控4路車流量情況，采用星形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)組網(wǎng)簡單，既降低成本又滿足基本無線網(wǎng)絡(luò)傳輸性能需求。從控制器(終端節(jié)點(diǎn))作為信號燈直接控制端，通過無線與協(xié)調(diào)器通信，協(xié)調(diào)器作為主控制器與從控制器之間的橋梁傳遞指導(dǎo)交通的命令信息。系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理如圖2所示。

圖2 從系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理框圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括2個(gè)部分：主控圖形界面設(shè)計(jì)、系統(tǒng)主從控制策略。

3.1主控圖形界面設(shè)計(jì)

在嵌入式主控系統(tǒng)中運(yùn)行ubuntu版本的linux操作系統(tǒng)，該系統(tǒng)具備開源、功能齊全、可裁剪等優(yōu)勢[7]。設(shè)計(jì)控制界面時(shí)采用GTK+圖形界面工具，GTK+是一種圖形用戶界面(GUI)工具包，該工具包涵蓋了若干個(gè)基于GUI的應(yīng)用庫，支持多種不同類型的操作系統(tǒng)，如Windows,Linux等[8]。

軟件設(shè)計(jì)流程包括：

1)初始化GTK界面，創(chuàng)建Windows主窗口,table,button,entry,label等控件；

2)啟動(dòng)USB接口攝像頭并定時(shí)截取圖片或錄制視頻，存儲(chǔ)于SD卡或USB存儲(chǔ)設(shè)備；

3)創(chuàng)建線程1實(shí)時(shí)刷新控制界面，線程2負(fù)責(zé)通過串口與協(xié)調(diào)器進(jìn)行信息交換；

4)顯示控制狀態(tài)及控制信息。

嵌入式主控設(shè)備界面開發(fā)流程如圖3所示。

圖3 嵌入式主控設(shè)備界面開發(fā)流程

3.2系統(tǒng)主從控制策略

截取的車流圖片經(jīng)過主控設(shè)備分析處理，提取車流數(shù)量。定義南北方向車流量為(N-S)，東西方向車流量為(E-W)，交通情況比較系數(shù)K，A,B,C,D表示南北西東各路口車流數(shù)量。比較(N-S)和(E-W)并根據(jù)結(jié)果來決定交通燈的控制狀態(tài)，系數(shù)K的調(diào)節(jié)適用于不同路況。

當(dāng)(N-S)擁緊，設(shè)置為南北方向?yàn)榫G燈通行，而東西方向?yàn)榧t燈停止，南北綠燈秒數(shù)顯示方案t1,t2,t3和東西紅燈秒數(shù)顯示方案t4,t5,t6，當(dāng)?shù)褂?jì)時(shí)完成后需要Δt1秒(黃燈秒數(shù)顯示時(shí)間)進(jìn)行路口通行狀態(tài)轉(zhuǎn)換，南北紅燈秒數(shù)顯示方案t7,t8,t9，東西綠燈秒數(shù)顯示方案t10,t11,t12，再經(jīng)過Δt1秒(黃燈秒數(shù)顯示時(shí)間)黃燈顯示，完成單次通停過程。

如(E-W)擁緊，交通控制則跟上述情況正好相反。在Δt1黃燈顯示時(shí)間起始時(shí),主控系統(tǒng)將再次詢問各個(gè)路口的車流量情況，根據(jù)情況決定下次路口交通的通斷及顯示時(shí)間，因此Δt1設(shè)置時(shí)應(yīng)注意在該時(shí)間內(nèi)完成主控系統(tǒng)的信息處理及控制設(shè)備之間的信息傳遞,設(shè)置為3～5 s較為合理。

根據(jù)我國交通規(guī)則和具體情況，設(shè)計(jì)中將右路和中路的交通信號燈設(shè)置為相同的命令，即中路和右路的交通燈顯示情況相同。經(jīng)過對多個(gè)實(shí)際十字路口現(xiàn)場情況的分析，多數(shù)大型十字路口的紅綠燈顯示時(shí)間和秒數(shù)倒計(jì)時(shí)時(shí)間并不相同，這樣可以更為方便地疏導(dǎo)交通，緩解交通緊張，提高路面的有效利用率。以南北綠，東西紅情況為例，如以下公式所示:

式中:t1，t2，t3----3種南北綠燈秒數(shù)顯示時(shí)間方案；

t4，t5，t6----3種東西紅燈秒數(shù)顯示時(shí)間方案；

T11，T21,T31----南北右中兩路綠燈亮起時(shí)間；

T12，T22,T32----南北左路綠燈亮起時(shí)間。

具體信號燈控制策略流程如圖4所示。

圖4 信號燈控制策略流程圖

4 系統(tǒng)調(diào)試

該系統(tǒng)的無線網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器體積小、功耗低、可移動(dòng)，只需一次性搭建并可長期監(jiān)控。主控系統(tǒng)接口豐富、處理速度快、運(yùn)行穩(wěn)定，有能力分析處理采集的圖像信息，主控策略得當(dāng)，可較好地控制交通信號。協(xié)調(diào)器本身設(shè)置一套“模式化”控制程序，在移除主控系統(tǒng)或主控系統(tǒng)故障的情況下依然可指揮交通。因此，該系統(tǒng)在交通的智能化控制領(lǐng)域具備一定的價(jià)值和意義。

[1] 王超.嵌入式智能交通信號控制系統(tǒng)研究[D]：[碩士學(xué)位論文].長春：長春理工大學(xué)，2010.

[2] 何文德，楊鳳年，劉光燦.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在文物保護(hù)中的應(yīng)用[J].計(jì)算技術(shù)與自動(dòng)化，2007，26(2):99-101，106.

[3] 鄒觀鵠.溫室環(huán)境的無線傳感網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測系統(tǒng)研制[D]：[碩士學(xué)位論文].南京：南京航空航天大學(xué)電子信息工程學(xué)院，2012.

[4] 高峰，俞立，盧尚瓊，等.國外設(shè)施農(nóng)業(yè)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].浙江林學(xué)院學(xué)報(bào)，2009，26(2):279-285.

[5] 柴干,趙倩,蔣珉.城市智能交通信號控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)[J].浙江大學(xué)學(xué)報(bào):工學(xué)版,2010,44(7)1241-1246.

[6] 高永,溫慧敏.交通信息廣播頻道技術(shù)內(nèi)涵及標(biāo)準(zhǔn)化研究[J].交通運(yùn)輸系統(tǒng)工程與信息,2007(3):50-55.

[7] 劉必健,廖彬.城市道路單路口交通信號實(shí)時(shí)控制仿真設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)時(shí)代,2010(6):22-25.

[8] 蔡軍,曹慧英.智能交通燈控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].重慶郵電學(xué)院學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2004(3):129-132.

Intelligent traffic control system based on Internet of things technology

WANG Chao1, ZHANG Guang-yu2， MA Jian3

(1.Changchun Guanghua University, Changchun 130031， China;2.Changchun Branch of China Unicom Company, Changchun 130012, China；3.Jilin Province Water Resources and hydroelectric Enginerring Bureau, Changchun 130012, China)

Embedded device, camera, and wireless radio MCU are used in the Internet of things based intelligent traffic signal control system, in which images get from CCD are dealt and analyzed in MCU and then sent to the terminals for controlling the traffic signals according to the traffic information in site. The optimal traffic control system integrates the sampling, transmission and processing functions in real time.

Cortex-A8; zigbee; intelligent traffic.

2014-05-28

吉林省教育廳“十二五”科學(xué)技術(shù)研究基金資助項(xiàng)目(2013574， 2011450)

王 超(1981-)，男，漢族，吉林長春人，長春光華學(xué)院助教,碩士，主要從事電子測控領(lǐng)域及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)方向研究,E-mail:71128221@qq.com.

TP 391

A

1674-1374(2014)05-0534-04