智能交通仿真平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

駱珍儀

摘要：智能交通系統(tǒng)仿真可以再現(xiàn)交通流運(yùn)行規(guī)律，為智能交通管理提供科學(xué)依據(jù)。該文敘述智能交通仿真沙盤平臺(tái)韶關(guān)學(xué)院南區(qū)為背景，構(gòu)建交通路面環(huán)境，利用沙盤等比例模擬實(shí)際交通道路及附屬設(shè)施，使用智能小車等比例模擬實(shí)際車輛，進(jìn)行各種新型智能交通方法實(shí)驗(yàn)研究與仿真展示。

關(guān)鍵詞：智能交通系統(tǒng)；交通仿真；智能小車

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2017）33-0270-03

為了緩解日益增加的交通擁堵對(duì)城市路網(wǎng)造成的壓力，智能交通概念得到廣泛的關(guān)注，它是將先進(jìn)的通信網(wǎng)絡(luò)方法、傳感方法、計(jì)算機(jī)方法和控制方法等有機(jī)地結(jié)合在一起的交通管理辦法。由于直接將新型的智能交通方法運(yùn)用到實(shí)際交通中存在安全風(fēng)險(xiǎn)，基于道路沙盤與智能小車的仿真平臺(tái)具有十分重要的意義。利用沙盤等比例模擬實(shí)際交通道路及附屬設(shè)施，使用智能小車等比例模擬實(shí)際車輛，進(jìn)行各種新型智能交通方法實(shí)驗(yàn)研究與仿真展示。

整個(gè)智能交通仿真沙盤平臺(tái)以韶關(guān)學(xué)院南區(qū)為背景，構(gòu)建交通路面環(huán)境，有十字路口、丁字路口、交通燈、交通誘導(dǎo)告示牌、停車場(chǎng)，居民區(qū)、商業(yè)區(qū)，交通繁忙地段、城市邊緣地段等，基本涵蓋了城市路面交通系統(tǒng)的特點(diǎn)。為城市交通特點(diǎn)的研究，提供了一個(gè)可以實(shí)時(shí)推演的環(huán)境。

1 設(shè)計(jì)思路

整個(gè)智能交通是由以太網(wǎng)客戶端、移動(dòng)終端客戶端、中轉(zhuǎn)服務(wù)器、嵌入式控制終端、交通燈控制模塊、智能小車模塊、停車場(chǎng)管理模塊七大系統(tǒng)組成。上位機(jī)客戶端接收中轉(zhuǎn)服務(wù)器上行數(shù)據(jù)，并將下行數(shù)據(jù)發(fā)出；中轉(zhuǎn)服務(wù)器接收包括嵌入式終端的設(shè)備列表信息、交通燈總控的交通燈狀態(tài)信息、智能小車的定位信息等上行數(shù)據(jù)，并將下行數(shù)據(jù)的控制命令發(fā)出；嵌入式終端接收除上位機(jī)以外其他模塊的心跳包數(shù)據(jù)，并將控制命令與設(shè)備信息發(fā)送給智能小車；交通燈總控系統(tǒng)通過(guò)節(jié)點(diǎn)對(duì)交通燈狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)廣播；智能小車接收下行數(shù)據(jù)的控制命令，以及交通燈狀態(tài)信息，當(dāng)小車出入車庫(kù)時(shí)，還需發(fā)送出入場(chǎng)請(qǐng)求以及停車信息，并接收停車場(chǎng)終端的引導(dǎo)指令。

2 智能小車

智能小車分別為主控模塊STM32、電源模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、循跡模塊、避障模塊、RFID射頻識(shí)別模塊、zigbee局域網(wǎng)模塊以及串口調(diào)試模塊組成。整個(gè)系統(tǒng)以STM32單片機(jī)為控制核心，STM32在小車系統(tǒng)中起到總控和協(xié)調(diào)各模塊之間工作的作用。電源模塊用來(lái)為整個(gè)硬件設(shè)備供電，循跡模塊實(shí)現(xiàn)小車的循跡行駛功能，避障模塊實(shí)現(xiàn)小車檢測(cè)到障礙物停車功能，RFID射頻識(shí)別模塊實(shí)現(xiàn)小車的定位功能，zigbee局域網(wǎng)模塊實(shí)現(xiàn)小車與其他系統(tǒng)之間的信息傳遞功能，串口調(diào)試模塊用來(lái)調(diào)試。

在整個(gè)智能小車系統(tǒng)中，各模塊均需與主控芯片STM32進(jìn)行相關(guān)的通信，為了保證運(yùn)作效率及穩(wěn)定性等相關(guān)指標(biāo)，考慮用RFID模塊與主芯片采用串口傳輸方式，zigbee模塊與主芯片采用串口傳輸方式，串口調(diào)試模塊采用串口傳輸方式。

智能小車將實(shí)現(xiàn)行進(jìn)、左右轉(zhuǎn)彎、循跡、避障等功能；實(shí)現(xiàn)無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸功能，包括上位機(jī)以及嵌入式終端與小車的通信；實(shí)現(xiàn)RFID射頻識(shí)別功能，包括出庫(kù)、入庫(kù)以及路口位置定位等。

圖2為智能小車正面俯視圖，圖3為智能小車背面俯視圖。

3 交通燈控制系統(tǒng)

智能交通沙盤系統(tǒng)中，交通燈系統(tǒng)負(fù)責(zé)控制道路車輛行駛工作，以增強(qiáng)沙盤對(duì)現(xiàn)實(shí)路況的模擬，提高智能交通沙盤系統(tǒng)的真實(shí)性。沙盤共有8個(gè)路口，分別為2個(gè)十字路口與6個(gè)丁字路口，每個(gè)路口均有路口控制板對(duì)交通燈進(jìn)行控制。

為了增強(qiáng)系統(tǒng)整合度，降低zigbee網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜性與數(shù)據(jù)傳輸壓力，系統(tǒng)中加入了一個(gè)交通燈控制板，控制板通過(guò)zigbee網(wǎng)絡(luò)收發(fā)控制命令與狀態(tài)信息，通過(guò)RS485通行總線接收交通燈節(jié)點(diǎn)板的狀態(tài)數(shù)據(jù)與下達(dá)控制命令。

在整個(gè)交通燈系統(tǒng)中，交通燈節(jié)點(diǎn)通過(guò)RS485傳輸命令幀方式實(shí)現(xiàn)與交通燈主控板的信息傳輸，交通燈主控板可將交通燈狀態(tài)信息進(jìn)行廣播，可向嵌入式終端發(fā)送交通燈心跳包功能，可對(duì)服務(wù)器控制命令進(jìn)行接收。

交通燈控制系統(tǒng)完成了與中轉(zhuǎn)服務(wù)器系統(tǒng)，嵌入式終端系統(tǒng)，小車系統(tǒng)之間的通信；實(shí)現(xiàn)了路口交通燈紅、綠、黃三種顏色的燈光切換功能；并通過(guò)將多個(gè)路燈節(jié)點(diǎn)串聯(lián)在交通燈控制板上實(shí)現(xiàn)了路燈的統(tǒng)一管理。與此同時(shí)，交通燈控制板完成了燈光狀態(tài)信息的實(shí)時(shí)廣播。

4 嵌入式終端車輛控制模塊

嵌入式終端車輛控制模塊中，用戶端按下觸摸屏上某一按鍵，觸摸屏發(fā)送相應(yīng)命令給主控芯片STM32，主控芯片通過(guò)zigbee發(fā)送端，將命令發(fā)送給小車zigbee接收端。小車收到命令后，主控芯片按照命令執(zhí)行相應(yīng)控制命令。

1） 界面實(shí)現(xiàn)-網(wǎng)絡(luò)信息界面

網(wǎng)絡(luò)信息界面如圖5所示。硬件初始化完成后，將顯示設(shè)備名稱、設(shè)備ID、設(shè)備短地址、設(shè)備心跳包以及設(shè)備狀態(tài)。如果對(duì)應(yīng)設(shè)備定時(shí)向嵌入式終端發(fā)送心跳包，則此設(shè)備狀態(tài)顯示在線，否則顯示掉線。右側(cè)下方為界面切換欄，點(diǎn)擊控制按鈕可切換到小車控制界面。

2） 界面實(shí)現(xiàn)-小車控制界面

小車控制界面如圖6所示。左邊小車1-6為小車選型，當(dāng)需要控制小車實(shí)現(xiàn)某一功能時(shí)，可以選擇其中任意一輛車去完成控制命令。命令的清除與發(fā)送主要針對(duì)控制命令隊(duì)列的清除與發(fā)送，小車控制命令有左右轉(zhuǎn)彎、前進(jìn)、默認(rèn)路徑等，當(dāng)點(diǎn)擊對(duì)應(yīng)按鈕時(shí)，小車將執(zhí)行相應(yīng)功能。右下方為界面切換欄，點(diǎn)擊狀態(tài)按鈕可切換到小車狀態(tài)界面。

5 智能交通停車場(chǎng)管理系統(tǒng)

在整個(gè)智能交通停車管理系統(tǒng)中，小車進(jìn)入管理區(qū)域內(nèi)之后，首先會(huì)掃描到進(jìn)場(chǎng)標(biāo)簽，通過(guò)進(jìn)場(chǎng)標(biāo)簽，判斷車庫(kù)入口。車輛到達(dá)入口后，在入口處設(shè)有公告車位信息欄，以顯示車位標(biāo)號(hào)以及車位狀態(tài)。車輛可以根據(jù)具體情況，判斷車輛能否進(jìn)入，如果允許進(jìn)入，閘機(jī)開啟，車輛入庫(kù)，入庫(kù)后小車通過(guò)導(dǎo)向標(biāo)簽駛?cè)肟臻e車位。車位狀態(tài)檢測(cè)模塊實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)車位是否有車，當(dāng)小車停下后，檢測(cè)模塊監(jiān)測(cè)到小車，證明車位被占用，檢測(cè)模塊就會(huì)記錄下被占用的車位信息，并將占用信息發(fā)送到入口公告牌進(jìn)行顯示。與此同時(shí)，車輛計(jì)費(fèi)開始，當(dāng)小車要駛出車庫(kù)時(shí)，根據(jù)出場(chǎng)標(biāo)簽行駛到出口處，這時(shí)出口公告欄將顯示計(jì)費(fèi)信息，交取費(fèi)用后，出口閘機(jī)打開允許車輛駛出。

智能交通停車管理系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)了智能車的定點(diǎn)停放。為了方便管理，在車庫(kù)出入口處設(shè)置了閘機(jī)以及公告牌，閘機(jī)用來(lái)控制車輛通行，公告牌用來(lái)提示車庫(kù)內(nèi)車位的實(shí)時(shí)狀態(tài)。進(jìn)出停車場(chǎng)時(shí)，通過(guò)進(jìn)（出）場(chǎng)光電開關(guān)確認(rèn)小車是否成功進(jìn)（出）場(chǎng)，車輛進(jìn)入車庫(kù)后通過(guò)接收的引導(dǎo)指令，進(jìn)入停車車位，這時(shí)車位監(jiān)測(cè)光電開關(guān)監(jiān)測(cè)到車位有車，證明車位已被占用，則發(fā)送占位信息并刷新入口公告牌。

6 中轉(zhuǎn)服務(wù)器系統(tǒng)

中轉(zhuǎn)服務(wù)器系統(tǒng)的主要功能就是對(duì)數(shù)據(jù)的接收和轉(zhuǎn)發(fā)，在網(wǎng)絡(luò)傳輸層采用TCP協(xié)議，是因?yàn)閿?shù)據(jù)量小且對(duì)可靠性有要求，在網(wǎng)絡(luò)層用的是自己設(shè)計(jì)的協(xié)議。底層數(shù)據(jù)通過(guò)串口和網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給服務(wù)器，而客戶端和服務(wù)器的數(shù)據(jù)交互則完全使用網(wǎng)絡(luò)。服務(wù)器的用戶管理功能是通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)，由服務(wù)器設(shè)置一個(gè)超級(jí)用戶，超級(jí)用戶登錄后可添加或刪除用戶。

中轉(zhuǎn)服務(wù)器系統(tǒng)使用跨平臺(tái)的QT作為開發(fā)框架，以模塊化的設(shè)計(jì)方法和面向?qū)ο蟮木幊趟枷?，通過(guò)設(shè)計(jì)合理的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)中轉(zhuǎn)服務(wù)器的功能。中轉(zhuǎn)服務(wù)器實(shí)現(xiàn)了串口數(shù)據(jù)的讀取，串口數(shù)據(jù)包括：組網(wǎng)數(shù)據(jù)、定位數(shù)據(jù)和路口數(shù)據(jù)；串口設(shè)置，設(shè)置串口號(hào)、波特率、數(shù)據(jù)位和停止位；處理客戶端的連接請(qǐng)求；讀取來(lái)自客戶端的數(shù)據(jù)請(qǐng)求和命令請(qǐng)求；用戶管理功能，增加用戶、刪除用戶、查看用戶、查看日志等功能。

7 客戶端系統(tǒng)

主界面的顯示包括位置信息、設(shè)備狀態(tài)信息、和操作信息等。位置信息即地圖的顯示，可以直接點(diǎn)擊地圖上的位置設(shè)計(jì)路線；設(shè)備狀態(tài)信息部分顯示設(shè)備的設(shè)備名、設(shè)備ID、段地址和狀態(tài)，狀態(tài)即是否在線；操作信息部分可以選擇操作車輛設(shè)備、操作路燈設(shè)備、直接產(chǎn)生命令。選擇操作車輛設(shè)備后，就可選擇操作的小車號(hào)，共有8輛小車。小車能直行、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、停車等。這時(shí)小車必須從車庫(kù)開始走，并根據(jù)地圖嚴(yán)格糾正小車路線，小車的下一個(gè)位置只能是地圖中提示的地方。設(shè)計(jì)好路線，點(diǎn)擊清空就回到初始界面，設(shè)計(jì)好的路線清空；點(diǎn)擊發(fā)送后，客戶端先將指令數(shù)據(jù)打包成底層設(shè)備能識(shí)別的數(shù)據(jù)，再將數(shù)據(jù)打包成網(wǎng)絡(luò)格式發(fā)送給服務(wù)器。服務(wù)器解析后再轉(zhuǎn)發(fā)給對(duì)應(yīng)設(shè)備，執(zhí)行命令，執(zhí)行完后將此時(shí)的狀態(tài)發(fā)送給服務(wù)器，服務(wù)器打包成網(wǎng)絡(luò)格式轉(zhuǎn)發(fā)給客戶端，由客戶端解析后把設(shè)備的狀態(tài)顯示到地圖上，完成一次指令的發(fā)送。選擇操作路燈設(shè)備后，切換到操作路燈的界面，設(shè)置控制的路口、方向和時(shí)長(zhǎng)。點(diǎn)擊設(shè)置后，打包發(fā)送指令，過(guò)程與發(fā)送小車控制命令相同。選擇直接產(chǎn)生指令后，操作與操作車輛設(shè)備基本一致，只是小車不必從車庫(kù)出發(fā)，指令直接生成，也不會(huì)檢查路線是否可行。主界面如圖7所示。

8 結(jié)束語(yǔ)

智能仿真沙盤平臺(tái)采用RFID定位技術(shù)實(shí)現(xiàn)智能小車定位功能，并利用zigbee技術(shù)實(shí)現(xiàn)智能交通系統(tǒng)的仿真。目前，該仿真系統(tǒng)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，并穩(wěn)定運(yùn)行?；赗FID定位技術(shù)的智能交通仿真系統(tǒng)式在系統(tǒng)層面上對(duì)智能交通的有益嘗試，將為今后我國(guó)發(fā)展和建設(shè)智能交通系統(tǒng)提供參考。

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