一種智能交通指揮引導(dǎo)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

熊國(guó)良，朱正清，王小明

（華東交通大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，南昌 330013）

0 引言

隨著城市的發(fā)展和商業(yè)化水平的提高，交通區(qū)域不斷擴(kuò)大，交通路線不斷延伸，城市軌道交通已經(jīng)逐步形成網(wǎng)絡(luò)化、規(guī)?；窬諿1]。我國(guó)霧霾天氣時(shí)有發(fā)生，特別在經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的北上廣等一線城市，嚴(yán)重的霧霾天氣不僅影響著人們的健康還影響著人們的出行，此時(shí)的交通系統(tǒng)往往會(huì)失去其應(yīng)有的作用。為了緩解霧霾天氣下的交通狀況，提高交通通行效率和安全，本文在現(xiàn)有交通系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種可應(yīng)用于霧霾天氣下的智能交通指揮引導(dǎo)系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)以ARM9嵌入式處理器S3C2440為主控制器[2]，主要包括交通路口部分、STC89C51單片機(jī)模塊、2個(gè)方向的車輛檢測(cè)模塊和行人檢測(cè)模塊、交通信號(hào)燈、PMS5003型霧霾傳感器、指揮引導(dǎo)模塊、ZigBee模塊、視頻監(jiān)控模塊、電源模塊等，其中指揮引導(dǎo)模塊包括語(yǔ)音提醒模塊和爆閃燈模塊，如圖1所示。

1.2 系統(tǒng)的工作原理

本系統(tǒng)在現(xiàn)有交通系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，以圖2所示的交通路口為例進(jìn)行設(shè)計(jì)，將路口分為具有相同工作原理的A區(qū)域和B區(qū)域。以A區(qū)域?yàn)槔M(jìn)行介紹，并將A區(qū)域劃分為A11、A12、A21和A22區(qū)域。

工作原理：通過(guò)霧霾傳感器檢測(cè)空氣中的霧霾含量，當(dāng)空氣中霧霾濃度超過(guò)國(guó)家規(guī)定的紅色標(biāo)準(zhǔn)線時(shí)，單片機(jī)模塊、車輛檢測(cè)模塊、行人檢測(cè)模塊、指揮引導(dǎo)模塊、ZigBee模塊開(kāi)始工作，否則，本系統(tǒng)和現(xiàn)有系統(tǒng)工作狀態(tài)一樣。

圖1 系統(tǒng)框圖

圖2 交通路口設(shè)計(jì)圖

當(dāng)霧霾濃度超過(guò)國(guó)家規(guī)定的紅色標(biāo)準(zhǔn)線時(shí)，嵌入式系統(tǒng)將信號(hào)通過(guò)ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)輸送給單片機(jī)，系統(tǒng)對(duì)車輛和過(guò)斑馬線行人的指揮引導(dǎo)工作原理如下：

1）對(duì)車輛的指揮引導(dǎo)：因受霧霾天氣的影響，駕駛員不能看清交通信號(hào)燈上的紅綠燈信號(hào)。當(dāng)車輛經(jīng)過(guò)機(jī)動(dòng)車道處的電感環(huán)檢測(cè)器時(shí)，單片機(jī)判斷有車輛。如果此時(shí)所對(duì)應(yīng)車道的交通信號(hào)燈上的紅綠燈信號(hào)為紅燈或者黃燈，單片機(jī)控制爆閃燈模塊工作，爆閃燈閃爍強(qiáng)光，駕駛員看到強(qiáng)光閃爍停車。當(dāng)駕駛員沒(méi)有看到強(qiáng)光閃爍時(shí)，可以正常行駛。

2）對(duì)行人的指揮引導(dǎo)：因受霧霾天氣的影響，行人不能判斷是否可以安全通過(guò)斑馬線。當(dāng)行人需要過(guò)斑馬線時(shí)，將根據(jù)地面上的引導(dǎo)標(biāo)線走到非機(jī)動(dòng)車道的壓力傳感器A區(qū)域，單片機(jī)檢測(cè)到壓力傳感器A模塊輸入的信號(hào)并通過(guò)ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)將信號(hào)輸送給嵌入式系統(tǒng)，嵌入式系統(tǒng)控制語(yǔ)音提醒模塊播報(bào)語(yǔ)音：“X路方向可以通行”或者“X路方向，還有X秒可以通行”，從而提醒行人是否可以通行或者需要等待的時(shí)間。

針對(duì)出現(xiàn)行人強(qiáng)行通過(guò)斑馬線或者在通過(guò)斑馬線途中不能繼續(xù)通行的情況，系統(tǒng)提供的解決方案原理：行人在經(jīng)過(guò)壓力傳感器B檢測(cè)區(qū)域時(shí)，并且該壓力傳感器臨近兩條車道上的電感環(huán)檢測(cè)器有檢測(cè)到車輛，該兩車道對(duì)應(yīng)的爆閃燈閃爍強(qiáng)光，例如行人走到左轉(zhuǎn)道和直行道中間的壓力傳感器B檢測(cè)區(qū)域，如果左轉(zhuǎn)道或者直行道的電感環(huán)檢測(cè)器檢測(cè)到車輛，則這兩條車道的爆閃燈都閃爍強(qiáng)光，提醒司機(jī)有行人正在通過(guò)斑馬線。當(dāng)行人走到位于A區(qū)域和B區(qū)域中間處的壓力傳感器C檢測(cè)區(qū)域時(shí)，如果A11區(qū)域的左轉(zhuǎn)車道或者B21區(qū)域的左轉(zhuǎn)車道檢測(cè)到車輛，則這兩條車道上的爆閃燈都閃爍強(qiáng)光，并且單片機(jī)通過(guò)ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)將信號(hào)輸送給嵌入式系統(tǒng)，嵌入式系統(tǒng)控制語(yǔ)音提醒模塊播報(bào)語(yǔ)音：“X路方向可以通行”或者“X路方向，還有X秒可以通行”。

2 主要模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的主控制器由S3C2440微處理器及其外圍電路組成，副控制器由STC89C51單片機(jī)及其外圍電路組成。主控制器和副控制器通過(guò)ZigBee模塊構(gòu)建的ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)[3]實(shí)現(xiàn)信號(hào)間的傳輸。

2.1 車輛檢測(cè)模塊

系統(tǒng)采用基于電磁感應(yīng)原理的電感環(huán)檢測(cè)器[4]作為車輛檢測(cè)模塊的傳感器，電感環(huán)檢測(cè)器設(shè)置在靠近紅燈停止線3～6米的車道上。當(dāng)有車輛經(jīng)過(guò)時(shí)，由于互感作用將在金屬車體內(nèi)產(chǎn)生渦流，進(jìn)而使得感應(yīng)線圈的電感量減小，單片機(jī)對(duì)振蕩電路的振蕩頻率進(jìn)行檢測(cè)，計(jì)算電感變化量，從而判斷是否有車輛經(jīng)過(guò)。車輛檢測(cè)模塊原理框圖，如圖3所示。

圖3 車輛檢測(cè)模塊框圖

圖3中，電感環(huán)檢測(cè)器和振蕩電路中的電容、反相器74LSO4構(gòu)成便于單片機(jī)檢測(cè)的電容三點(diǎn)式振蕩電路，振蕩電路輸出的正弦信號(hào)經(jīng)過(guò)整形電路變成同頻率的方波信號(hào)輸入到單片機(jī)中。

2.2 行人檢測(cè)模塊

系統(tǒng)采用壓阻式壓力傳感器作為檢測(cè)行人模塊的傳感器，在壓力傳感器上方設(shè)有硬質(zhì)保護(hù)殼并構(gòu)成整體，保護(hù)殼與車道路面持平。根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的交通路口，共需要18個(gè)壓力傳感器，并將傳感器分為壓力傳感器A、壓力傳感器B和壓力傳感器C。A區(qū)域和B區(qū)域的壓力傳感器A模塊的輸出端通過(guò)或門(mén)74LS32輸入到單片機(jī)中；A11區(qū)域和A21區(qū)域?qū)?yīng)的兩個(gè)壓力傳感器B模塊的輸出端通過(guò)或門(mén)74HC32輸入到單片機(jī)中；兩個(gè)壓力傳感器C模塊的輸出端通過(guò)或門(mén)74HC32輸入到單片機(jī)中。壓力傳感器模塊原理框圖，如圖4所示。

圖4 壓力傳感器模塊框圖

2.3 霧霾傳感器

經(jīng)過(guò)研究過(guò)程中的反復(fù)對(duì)比，最終選用PMS5003型霧霾傳感器[4]作為系統(tǒng)檢測(cè)霧霾數(shù)據(jù)的傳感器。該傳感器通過(guò)激光散射到空氣中測(cè)定空氣中懸浮顆粒物，折算得出顆粒物濃度。傳感器設(shè)置在交通信號(hào)燈上方，是一款經(jīng)濟(jì)型的TTL串口輸出霧霾傳感器。原理框圖如圖5所示。

圖5 霧霾傳感器原理框圖

2.4 語(yǔ)音提醒模塊

語(yǔ)音提醒模塊播報(bào)的內(nèi)容包括：“X路方向可以通行”和“X路方向，還有X秒可以通行”。系統(tǒng)選用MP3語(yǔ)音模塊，該模塊采用集成語(yǔ)音芯片可直接讀取SD卡中的語(yǔ)音文件，并與嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行串口通信。

2.5 爆閃燈模塊

爆閃燈位于紅燈停止線一側(cè)，其外部設(shè)有硬質(zhì)保護(hù)殼并構(gòu)成整體，保護(hù)殼與車道路面持平。系統(tǒng)選用12V直流電壓供電的爆閃燈，爆閃燈模塊電路圖如圖6所示。

圖6 爆閃燈模塊電路圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)從結(jié)構(gòu)上分別包括兩部分：ARM控制板的軟件設(shè)計(jì)和單片機(jī)控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)[6]。

3.1 ARM控制板主程序流程圖

ARM控制板主程序流程圖，如圖7所示。

圖7 ARM控制板主程序流程圖

3.2 單片機(jī)控制系統(tǒng)主程序流程圖

單片機(jī)控制系統(tǒng)主程序流程圖，如圖8所示。

圖8 單片機(jī)系統(tǒng)主程序流程圖

4 結(jié)論

本文對(duì)一種可應(yīng)用于霧霾天氣下的智能交通指揮引導(dǎo)系統(tǒng)的解決方案進(jìn)行了探討和研究，基本上實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，可以滿足交通系統(tǒng)在霧霾天氣下的使用。本系統(tǒng)的創(chuàng)新之處：在現(xiàn)有交通系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，通過(guò)ZigBee模塊實(shí)現(xiàn)了主控制器和副控制器之間的通信，系統(tǒng)更容易維護(hù)，成本更低；通過(guò)霧霾傳感器可以控制副控制器的工作狀態(tài)，節(jié)約了能源損耗；通過(guò)車輛檢測(cè)模塊、行人檢測(cè)模塊和指揮引導(dǎo)模塊可以實(shí)現(xiàn)霧霾天氣下對(duì)車輛和行人的正確指揮引導(dǎo)，提高了交通通行效率和安全，有效的減少了交通堵塞和交通事故的發(fā)生，使得交通系統(tǒng)智能化水平更高、更便捷、更可靠和更安全，本系統(tǒng)的研究實(shí)現(xiàn)具有很強(qiáng)的使用價(jià)值和社會(huì)意義。