基于ARM的交通燈控制系統(tǒng)的設計

◆陳哲來 潘 鈺 梁大偉

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基于ARM的交通燈控制系統(tǒng)的設計

◆陳哲來 潘 鈺 梁大偉

（江蘇警官學院 江蘇 210031）

交通燈控制著人來人往，但是固化的交通燈控制系統(tǒng)，不僅無法處置突發(fā)狀況，而且也是一種時間上的浪費。本課題將設計一種智能化交通燈信號燈系統(tǒng)，在正常路口信號燈運行基礎上，緩解交通擁堵現(xiàn)象，節(jié)省時間和費用。

公安技術類；智能；交通燈

0 引言

伴隨著社會經(jīng)濟的逐步發(fā)展，道路使用者數(shù)量也在不斷增加，現(xiàn)有交通設施提供的資源有限，城市交通問題已經(jīng)成為人們所關注的熱點。與此同時，世界各地的自駕游日益增多，私家車的數(shù)量急劇增加，國內交通燈控制系統(tǒng)的問題逐漸顯現(xiàn)，其他國家也需要對其本國的交通燈控制系統(tǒng)做出優(yōu)化，以便更好適應這種不斷增長的需求?；趥鹘y(tǒng)交通燈控制系統(tǒng)設計過于死板，紅綠燈交替時間過于程式化的缺點，智能交通燈控制系統(tǒng)的設計就顯示出了它的研究意義。

1 交通信號控制系統(tǒng)國內外發(fā)展現(xiàn)狀

交通信號控制系統(tǒng)是現(xiàn)代城市交通控制和疏導的主要措施。平面交叉路口，作為城市交通的基本組成部分之一，其通行能力是解決城市交通問題的核心，而交通信號燈又是平面交叉路口必不可少的交通控制手段。伴隨著計算機技術和自動控制技術的發(fā)展，以及交通流理論的不斷發(fā)展完善,交通運輸組織與優(yōu)化理論、技術的不斷提高,國內外逐漸形成了一批高水平有實效的城市道路交通控制系統(tǒng)[1]。本次課題從交通燈控制系統(tǒng)這個點切入，進行相關研究。

2 智能交通燈控制系統(tǒng)的設想

本文采用軟件和硬件相結合的設計方案，自動控制十字路口四組紅、綠交通燈的狀態(tài)轉換，指揮各種車輛和行人安全通行，實現(xiàn)道路的最大通行效率，減輕交警路面指揮壓力。

2.1 Arduino系統(tǒng)簡介

選用Arduino Due作為本次實驗的控制板，和其他Arduino控制板不同的是，它是第一塊基于32位ARM核心的Arduino控制板，比以往使用8位AVR核心的其他Arduino更加強大；內部集成DMA控制器，極大地提高了運算速度；同時擁有84Mhz的CPU時鐘頻率、96KBytes的SRAM和512KBytes的Flash，能滿足更快速度和更大存儲容量的應用需求。需要注意的是，Arduino Due的運行電壓是3.3V，I/O引腳的最大容忍電壓是3.3V，所以實驗過程必須確保將電壓控制在3.3V以下[2]。

2.2 ESP8266模塊

這個小模塊允許微控制器連接到Wi-Fi網(wǎng)絡，并使用Hayes風格的命令進行簡單的TCP/IP連接。處理器基于Tensilica Xtensa Diamond Standard 106Micro的L106 32位RISC微處理器內核，運行頻率為80 MHz。內存如下：

（1）32KB指令RAM；

（2）32KB指令緩存RAM；

（3）80KB用戶數(shù)據(jù)RAM；

（4）16KB ETS系統(tǒng)數(shù)據(jù)RAM。

外部QSPI flash：支持最高16MB（通常包括51 KB至4MB）。 ESP8266引腳排列如表1所示：

表1 ESP8266引腳排列

2.3 實驗規(guī)劃

移動端和交通信號燈硬件互聯(lián)采用網(wǎng)絡層的TCP/IP協(xié)議，TCP（Transmission Control Protocol 傳輸控制協(xié)議）是一種面向連接的、可靠的、基于字節(jié)流的傳輸層通信協(xié)議。[3]實現(xiàn)該協(xié)議傳輸硬件端使用esp8266WIFI模塊，通過硬件端的Arduino Due與esp8266的串口通信，將AT指令傳輸給WIFI模塊，該模塊在收到指令后可以按照指令完成配置功能，選擇模式，發(fā)送數(shù)據(jù)等相關任務。移動端使用套接字與esp8266通信，移動端將指令用TCP數(shù)據(jù)包的形式發(fā)送給esp8266模塊，esp8266收到指令后通過串口傳給Arduino Due單片機，單片機按照程序的指令映射控制紅綠燈的變化。

3 功能介紹

嵌入了單片機的加通紅綠燈信號系統(tǒng)使得交通警察可以在Android平臺終端，例如手機，平板等，通過Wi-Fi協(xié)議遠程連接周邊的交通信號燈，實現(xiàn)監(jiān)視，調控等功能。程序設計分為三種模式：監(jiān)視模式、手動模式、應急模式。

通常情況下，信號燈按照原指令運行，需要時，交警打開移動終端的Wi-Fi，連接上紅綠燈發(fā)出的信號，輸入用戶名密碼即可以進入監(jiān)視模式。監(jiān)視模式下，紅綠燈的當前狀態(tài)會實時顯示在手機屏幕上，包括倒計時、信號燈目前顏色、紅綠燈參數(shù)，部分帶有太陽能電池的紅綠燈也應當在屏幕上顯示剩余電量。如遇特殊情況,軟件允許交警立刻切換為應急模式，以此應對不同的緊急情況，例如：火情，警情，大型活動道路管控等。此情形下，交警可以對多個街區(qū)的道路信號燈進行統(tǒng)籌管理，而不需要對單獨的紅綠燈進行設置，只需選擇具體路線,再啟動所需模式和預設的應急方案，即可完成對路面的管控。極端情況下，可以使用純手動模式，完全按照人工指令來顯示需要的紅綠燈模式,但是此模式必須使用授權碼才可以進入。

4 模塊化設計與編程

4.1 Arduino Due與esp8266的串口通信

Arduino串口用于Arduino電路板之間、Arduino與電腦、Arduino與其他串口設備之間的通信,大部分Arduino板使用數(shù)字引腳0(RX)和1(TX)進行串口通信時都使用“Serial”,數(shù)字引腳0(RX)和1(TX)與Arduino USB接口的讀和寫引腳是公用的。所以在程序上傳時數(shù)字引腳0(RX)和1(TX)不可以接其他串口設備，否則會出現(xiàn)上傳錯誤的情況。Arduino Due 有三個額外的串口（3.3V TTL）：Serial1對應數(shù)字引腳19 (RX) and 18 (TX)；Serial2 對應數(shù)字引腳17 (RX) and 16 (TX)；Serial3 對應數(shù)字引腳15 (RX) and 14 (TX)。本項目使用serial1，也就是19 (RX) and 18 (TX)兩對數(shù)字引腳與esp8266模塊通信，其他引腳用來連接交通信號燈和傳感器等。

圖1 主模塊與控制板連接示意圖

4.1.1 ESP8266預配置

ESP8266支持flash，在正式連接其與電路板時，先使用串口轉USB工具對其進行預配置，這種配置會直接保存入FLASH,查詢版本固件號：AT+GMR，必要的話，更新ESP8266的版本固件。具體配置指令如下：

（1）AT+CWMODE_DEF = 2；//設置當前 Wi-Fi 模式并保存到 Flash（1: Station 模式，2: SoftAP 模式，3：SoftAP+Station 模式）；

（2）AT+CWSAP_DEF = , , , [, ][,

4.1.2 ESP8266與Arduino Due接線

配置完成后按照表2將Arduino Due與ESP8266連接:

表2 Arduino Due與ESP8266連接對應表

4.1.3嵌入AT指令對ESP8266初始化

每次對Arduino Due上電都包括對esp8266的初始化。將AT指令編入Arduino Due控制板中，在setup()函數(shù)中調用初始化函數(shù)。初始化核心步驟如下：

（1）AT；

（2）AT + RST//重啟；

（3）AT + CIPMUX=1//多連接模式（0：單連接模式，1：多連接模式）；

（4）AT+CIPSERVER=1,8080 //建立TCP服務器，端口號8080。

4.2 通信Function和Method

使用初始化函數(shù)建立起Arduino Due與esp8266的穩(wěn)定通信渠道后，Arduino與esp8266開始進行數(shù)據(jù)交換，主要采用的為print()函數(shù)和AT+CIPSEND指令，該函數(shù)可以將AT指令從串口從Arduino Due發(fā)送至esp8266模塊，esp8266模塊在接收到AT+CIPSEND指令后可以將數(shù)據(jù)通過Wi-Fi發(fā)送給已連接的客戶端(Client)，客戶端使用readLine()來讀取信息；同理，客戶端使用write()函數(shù)向esp8266發(fā)送指令，esp8266讀取指令后，再用print()函數(shù)，將指令傳給Arduino due。通訊示意圖如圖2。

圖2 通訊示意圖

4.3 移動端部分

移動端開發(fā)主要采用Android Studio。Android Studio是谷歌推出的一個Android集成開發(fā)工具，在IDEA的基礎上，Android Studio 提供了功能強大的布局編輯器，可以拖拉 UI控件并進行效果預覽。

4.3.1用戶界面設計（User Interface）

圖3 用戶界面設計流程圖

4.3.2套接字程序設計（Socket）

套接字是TCP用主機的IP地址加上主機上的端口號作為TCP連接的端點。

Socket被服務器端用來識別連入的客戶端，使用stream來進行通訊：getOutputStream()，getInputStream()。

因為本服務器端支持多客戶端連接，服務器采用線程（Thread）來連接多客戶端，以此提高效率避免blocks。

圖4 ObjectStream客戶端----服務器時間線

圖5 多線程服務器時間線

5 展望

對多個交通紅綠燈信號分析是必然趨勢，Maram Bani Younes 和Azzedine Boukerche 在An Intelligent Traffic Light Scheduling Algorithm Through VANETs文中提到了ITLC算法，其旨在減少每個道路交叉口的等待延遲時間并增加路口單位時間內的車流量，該算法通過分析環(huán)境交通流的交通車流量特性，使得每個交通燈處的排隊延遲減少了25%，車流量增加了30%。該算法利用Ad-hoc技術收集每個環(huán)境交通流量的實時交通特征，準備區(qū)域被劃分在信號化道路交叉點，以確定每個階段的最大允許時間[4]。

交通規(guī)劃者長期使用歷史數(shù)據(jù)來制定信號燈方案，優(yōu)化“綠燈時間”以改善交通流量，這些復雜的系統(tǒng)會使用不同時間、日期、計劃和傳感器來檢測等待紅燈的車輛。美國猶他州交通局可以在30秒內調整該州的幾乎所有信號，其擁有來自一千多個閉路攝像機的數(shù)據(jù)，可遠程控制該州80％以上的交通信號燈。不同于以往使用人力來監(jiān)測和響應交通流量，新信號使用雷達傳感器和攝像頭來檢測交通狀態(tài)，使用復雜的算法根據(jù)實時情況立即調整交通信號燈。匹茲堡卡內基梅隆大學機器人研究所的史蒂芬·史密斯教授和他的團隊在2012年安裝了9個智能信號，并獲得了立竿見影的結果。通過道路的行程時間縮短了25％，閑置時間下降了40％，車輛排放量下降了20％[5]。

最終，交通信號燈可能會實現(xiàn)在無須“預測”交通車流量的情況下，與交通工具相連接，直接“詢問”車輛出行方案，并以此為依據(jù)改變相應的交通信號燈計劃。

[1]畢海濱,劉玉德,林建龍, et al.交通信號控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀與發(fā)展對策[J].北京工商大學學報：自然科學版, 2008, 26(1):29-32.

[2]樂鑫信息科技.ESP8266 AT指令集，版本3.0.1.

[3]university of Purdue - CS18000: Problem Solving and Object- Oriented Programming - JAVA Networking.

[4]Bani Younes M , Boukerche A . [IEEE 2014 IEEE 39th Conference on Local Computer Networks Workshops (LCN Workshops) - Edmonton, AB, Canada (2014.9.8-2014.9.11)] 39th Annual IEEE Conference on Local Computer Networks Workshops - An Intelligent Traffic Light scheduling algorithm through VANETs[J]. 2014:637-642.

[5]Barry K . The Traffic Lights of Tomorrow Will Actively Manage Congestion[J]. Korean Journal of Radiology Official Journal of the Korean Radiological Society, 2014, 16(4):936-41.

江蘇警官學院大學生實踐創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目資助（編號：201810329029Y）。