LED交通誘導(dǎo)屏設(shè)計方案

秦威

【摘 要】隨著近年來社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，城市擁堵問題日益明顯。在無法改變城市交通道路的前提下，提前預(yù)知道路擁堵情況成為目前城市交通急需解決的問題。文章提供一種能實時發(fā)布道路擁堵路況的解決方案——LED交通誘導(dǎo)屏，其由16塊P10雙色模組、主控器及視頻圖像解析系統(tǒng)組成，整個誘導(dǎo)屏以模組顯示紅、綠、黃三色方式實時呈現(xiàn)所指道路堵塞、暢通或者擁堵路況，從而達到讓駕駛員提前預(yù)知前行道路實時路況信息的目的。

【關(guān)鍵詞】擁堵;LED交通誘導(dǎo)屏;P10雙色模組

【中圖分類號】U495 【文獻標(biāo)識碼】A 【文章編號】1674-0688（2019）07-0073-04

隨著生活水平日益提高，汽車成為人們出行的重要交通工具。但由于城市交通道路無法及時匹配汽車的增長速度，導(dǎo)致城市擁堵成為目前城市交通急需解決的問題。目前，城市交通為緩解道路擁堵問題仍然采用人工疏導(dǎo)或現(xiàn)場增設(shè)紅綠燈的方式。這種方式不僅耗人耗力，而且本身也存在效率低且無實時性的局限性。而LED交通誘導(dǎo)屏技術(shù)恰好解決了這個難題，LED交通誘導(dǎo)屏不僅具有價格低廉、維修簡單、易施工等特點，而且能讓駕駛?cè)藛T提前預(yù)知路段擁堵信息，幫助駕駛員重新規(guī)劃行駛路線，避開道路擁堵路段，很好地緩解了道路擁堵。因此，LED交通誘導(dǎo)屏特別適用于城市交通主干線中的路網(wǎng)密集路段，在未來智能交通領(lǐng)域也是重要組成部分。

1 總體設(shè)計

1.1 設(shè)計原則

LED交通誘導(dǎo)屏在設(shè)計過程中需嚴格遵循以下原則。

（1）經(jīng)濟適用。設(shè)計過程中應(yīng)堅持低成本投入、高性能輸出原則，盡可能依靠現(xiàn)有成熟、可靠、低成本技術(shù)開發(fā)出適用于各類環(huán)境的高性能LED交通誘導(dǎo)屏。

（2）可靠穩(wěn)定。設(shè)計的產(chǎn)品屬于無人操控智能化類型產(chǎn)品，在設(shè)計過程中需考慮產(chǎn)品的可靠性及穩(wěn)定性。因此，在軟硬件部件選材上需嚴格篩選，盡量選用在各類惡劣天氣情況下能保持其穩(wěn)定性的產(chǎn)品。

（3）兼容并蓄。由于產(chǎn)品需要接入現(xiàn)有的城市交管系統(tǒng)，因此在設(shè)計前端需充分考慮產(chǎn)品軟件的兼容性問題，避免產(chǎn)品在接入過程中出現(xiàn)系統(tǒng)干擾問題。

1.2 設(shè)計思路

LED交通誘導(dǎo)屏設(shè)計思路：充分運用當(dāng)前城市道路交管部門在各道路口設(shè)置的監(jiān)控攝像頭，用于采集道路實時的車流量信息，然后將收集的車流量視頻信息傳遞給視頻圖像解析系統(tǒng)進行視頻數(shù)據(jù)分析處理。視頻圖像解析系統(tǒng)通過視頻數(shù)據(jù)進行分析判定當(dāng)前路段實時暢通或者擁堵狀況，同時及時將判定分析數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆O(shè)置在道路前端LED交通誘導(dǎo)屏的主控制器內(nèi)，最后由主控器驅(qū)動模組點亮。此時模組顯示的顏色即表示監(jiān)控路段實時的路口交通暢通或擁堵，從而達到提前預(yù)警駕駛員的作用。具體設(shè)計思路如圖1所示。

1.3 方案設(shè)計原理

本文介紹的LED交通誘導(dǎo)屏由16塊雙色（紅/綠）模組、主控器和視頻解析系統(tǒng)組成。LED交通誘導(dǎo)屏各部分的作用如下：16塊雙色（紅/綠）模組主要功能為顯示道路路況堵塞、暢通和擁堵信息;主控器主要用于根據(jù)對視頻解析系統(tǒng)傳遞過來的路況信息進行響應(yīng)，從而驅(qū)動不同方位的模組點亮;而視頻解析系統(tǒng)的作用為收集路段車流量信息并對視頻信息進行解析判定，同時實時給出判定信息并及時將信息傳遞給主控器，從而讓主控器根據(jù)信息作出相應(yīng)響應(yīng)。具體工作原理如圖2所示。

1.4 方案設(shè)計

1.4.1 視頻圖像解析系統(tǒng)設(shè)計

視頻圖像解析系統(tǒng)依靠互聯(lián)網(wǎng)采集技術(shù)、視圖智能結(jié)構(gòu)化解析數(shù)據(jù)、混合云計算技術(shù)、視圖大數(shù)據(jù)聚類挖掘技術(shù)等，對原始視頻、圖像信息進行內(nèi)容解析，將獲得的結(jié)構(gòu)化信息和其他感知數(shù)據(jù)（WiFi、RFID、GPS）相結(jié)合，提供一體化的視圖信息綜合服務(wù)。本文采用的視頻圖像解析系統(tǒng)兼容并遵循《GA/T 1399公安視頻圖像分析系統(tǒng)》和《GA/T 1400公安視頻圖像信息應(yīng)用系統(tǒng)》等標(biāo)準，充分利用系統(tǒng)內(nèi)部的CPU+GPU協(xié)同計算能力，采用基于深度學(xué)習(xí)的視頻圖像處理技術(shù)，自動采集、識別結(jié)構(gòu)化解析實時視頻信息，構(gòu)建以“車”為核心的車流量大數(shù)據(jù)統(tǒng)計體系。構(gòu)建的車流量大數(shù)據(jù)統(tǒng)計不僅能收集每日各時段經(jīng)過該路段的車流量信息，為城市智能交通管理應(yīng)用提供相應(yīng)數(shù)據(jù)，而且能為未來城市智能化建設(shè)提供依據(jù)。

本文采用的視頻圖像解析系統(tǒng)依托現(xiàn)有交管部門在各大道路口設(shè)置的監(jiān)控攝像頭收集監(jiān)控路段的實時車流量信息，通過視頻圖像解析系統(tǒng)內(nèi)部的CPU+GPU協(xié)調(diào)計算能力，對實時車流量信息進行數(shù)據(jù)建模及實時結(jié)構(gòu)化視頻解析。隨后視頻圖像解析系統(tǒng)將解析結(jié)果實時傳遞到LED交通誘導(dǎo)屏的主控器上，從而完成視頻數(shù)據(jù)采集、視頻圖像解析及數(shù)據(jù)信息傳遞過程。

1.4.2 主控器設(shè)計

本文介紹的LED交通誘導(dǎo)屏主控器采用同步控制卡控制方式達到實時控制P10模組顏色顯示。而異步控制卡運用STM32F407VGT6芯片進行響應(yīng)驅(qū)動，該芯片是意法半導(dǎo)體公司自主開發(fā)的一種高性能微控制器，芯片采用90 nm的NVM工藝和ART（自使用實時存儲加速器）技術(shù)使得程序零等待執(zhí)行，大大提高了程序執(zhí)行的效率，將COrtext-M4的性能發(fā)揮到極致。自適應(yīng)實時加速器能夠完全釋放Cortex-M4內(nèi)核的性能;當(dāng)CPU工作于所有允許的頻率（≤168 MHz）時，在閃存中運行的程序，可以達到相當(dāng)于零等待周期的性能。STM32F407 VGT6芯片的微控制器集成了單周期DSP指令和FPU（浮點單元），提升了計算能力。因此，將該芯片作為主控器的核心處理器能做到信息實時處理零等待的效果。

在LED交通誘導(dǎo)屏主控器設(shè)計上我們除了使用同步控制器外，還采用了最新的4 G傳輸模塊。采用4 G傳輸模塊的作用是方便管理人員隨時掌握遠程監(jiān)控LED交通誘導(dǎo)屏及故障排除。

1.4.3 P10雙色模組設(shè)計

本文介紹的LED交通誘導(dǎo)屏采用P10雙色模組作為顯示模塊，整屏由16塊P10雙色模組組成且整體結(jié)構(gòu)采用類似“井”字形設(shè)計（整體結(jié)構(gòu)設(shè)計可以根據(jù)路段實際情況變更設(shè)計）。P10雙色模組設(shè)計采用顯驅(qū)合一的雙層線路板設(shè)計，以直插式346紅色發(fā)光二極管和直插式346綠色發(fā)光二極管為發(fā)光光源，且將一顆紅色發(fā)光二極管和一顆綠色發(fā)光二極管作為一組像素點。整個模組分辨率為32×12，每組像素點之間的間距為10 mm，驅(qū)動方式為1/4掃恒壓驅(qū)動，單模組結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計為320 mm×160 mm。模組硬件設(shè)計方面主要采用WS2801驅(qū)動器和MOS管（規(guī)格型號為MOSFET-N/AO3400）配合使用。WS2801是一個恒定電流LED驅(qū)動器，該驅(qū)動主要運用于LED顯示屏上，適用于接力串接的LED照明系統(tǒng)。WS2801驅(qū)動器擁有3個獨立的輸出驅(qū)動通道，每個通道均能實現(xiàn)獨立的256及PWM灰度控制，可在不改變LED發(fā)光色彩的條件下實現(xiàn)256級LED灰度控制，并能輸出高達200 mA的恒定LED驅(qū)動電源，WS2801內(nèi)部包含串聯(lián)移位寄存器、數(shù)據(jù)鎖存器、輸出寄存器、帶隙基準電壓源、內(nèi)部振蕩器和可編程恒定電流驅(qū)動器。從SDI數(shù)據(jù)輸入的串行數(shù)據(jù)在CKI時鐘信號的上升沿被讀入芯片內(nèi)部的數(shù)據(jù)移位寄存器中，輸入的時鐘信號和LED灰度控制信號在芯片內(nèi)部經(jīng)過時鐘數(shù)據(jù)再生電路整形后在CKO和SDO端輸出，以使芯片能接力串接工作。當(dāng)POL=0時，輸出極性反轉(zhuǎn)。WS2801工作類似一個PWM控制器，能夠驅(qū)動外接開關(guān)或者電路驅(qū)動高亮度的LED，并實現(xiàn)大功率LED的256級灰度控制。WS2801的2-線傳輸控制方法由世芯微電子專門為可級聯(lián)的LED照明系統(tǒng)設(shè)計，具有速度快、可靠性高、灰度數(shù)據(jù)同步刷新等特點，能夠最大限度地降低系統(tǒng)成本，非常適合用于低成本的LED照明系統(tǒng)。具體模組驅(qū)動電路設(shè)計原理如圖3所示。

由于LED交通誘導(dǎo)屏基本使用在戶外的交通道路口，常年受到風(fēng)吹雨淋，因此對所需模組防護等級要求較高?？紤]LED交通誘導(dǎo)屏所使用的環(huán)境要求，本文將設(shè)計的P10雙色模組定型為戶外型模組，防護等級為IP65級別。因此，在生產(chǎn)工藝方面采取常規(guī)安全的模組灌膠技術(shù)，使用歐普特315A/B膠進行單模組灌膠處理;在模組線路板背面噴涂三防漆（防潮、防霉、防鹽霧），確保了LED交通誘導(dǎo)屏達到IP65的防護等級。而在單模組結(jié)構(gòu)設(shè)計上，塑框底殼、面罩采用阻燃型材料，該類材料具有低反光和高散熱效果;緊固螺釘全部采用不銹鋼螺釘，杜絕在后期使用過程中出現(xiàn)螺釘生銹情況;因此采用以上材料能讓模組更好地適用在各類高溫高濕惡劣環(huán)境。P10雙色模組實物如圖4所示。

1.4.4 LED交通誘導(dǎo)屏箱體設(shè)計

本文介紹的LED交通誘導(dǎo)屏箱體采用雙門獨立單元門設(shè)計，設(shè)計尺寸為2 200 mm×1 500 mm，不僅有防雨、防塵、抗震、防靜電能力，而且具有防腐蝕、防震、抗風(fēng)能力優(yōu)點。箱體材料選用優(yōu)質(zhì)鐵質(zhì)材料，在箱體表面處理過程中要求對其進行熱浸鋅處理和噴涂保護漆處理，從而讓箱體表面形成保護膜，達到防鹽霧、抗腐蝕效果。對于防雷措施方面，在箱體設(shè)計上不僅在箱體內(nèi)部的主控器安裝了浪涌保護器，而且在箱體表面上通過專用接地端子連接到已預(yù)留的接地極，接地電阻小于10 Ω。

由于整個LED交通誘導(dǎo)屏功耗較大，因此整個系統(tǒng)需要一個良好的散熱方案。針對箱體散熱問題，我們設(shè)計在箱體下部裝有兩臺大型風(fēng)機，向箱體底部排風(fēng)，加大箱體內(nèi)空氣的流動速度，實現(xiàn)有效的通風(fēng)、散熱，并且在進氣口處加裝呼吸器，保證在良好的散熱情況下起到防塵、防水的作用。與此同時，我們還在箱體內(nèi)部的主控器上安裝溫濕度監(jiān)控器，監(jiān)控器的溫濕度傳感器連接到箱內(nèi)各個模組部分并隨時監(jiān)控箱體內(nèi)各部位溫濕度狀態(tài)。當(dāng)箱體內(nèi)部因長期運行導(dǎo)致升溫較大或遇回南天天氣濕度較大時，傳感器會將監(jiān)控信息傳遞給主控器上的溫濕度監(jiān)控器，然后溫濕度監(jiān)控器回將信號反饋到主控器，最后主控器會控制系統(tǒng)開啟風(fēng)扇從而達到降溫降濕效果。當(dāng)環(huán)境溫度達到設(shè)定值或遇到其他特殊情況時，溫濕度監(jiān)控器會立即將相應(yīng)信息傳遞給主控器，此時主控器會及時自動切斷LED交通誘導(dǎo)屏的電源及通過主控器的4G模塊發(fā)出預(yù)警信號并傳遞給管理人員，從而方便LED交通誘導(dǎo)屏的故障排除。圖5是LED交通誘導(dǎo)屏箱體的組裝圖，圖6是LED交通誘導(dǎo)屏箱體的連線圖。

2 實踐應(yīng)用

圖7為LED交通誘導(dǎo)屏在廣西壯族自治區(qū)桂林市城區(qū)某段路段上應(yīng)用實際效果場景。圖中LED交通誘導(dǎo)屏指示的路線起始端為解放橋，東西走向的路段分別為芳香路、七星路及龍隱路，南北走向的路段分別為穿山路、普陀路及東二環(huán)路。由于該LED交通誘導(dǎo)屏在以上路段顯示的顏色都為綠色，因此表示以上路段實時交通路況都為暢通可繼續(xù)駕車向行駛。

3 結(jié)語

隨著科技的不斷發(fā)展，智能化城市交通建設(shè)必然是建設(shè)智慧型城市不可或缺的一環(huán)。本文根據(jù)現(xiàn)有的城市道路監(jiān)控設(shè)備與LED顯示屏技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計一款LED交通誘導(dǎo)屏產(chǎn)品，及時反映各個路段實時道路情況。這不僅能讓駕駛員提前預(yù)知道路實時擁堵情況，避免加劇道路擁堵，在一定程度上緩解了城市道路擁堵問題，而且有效地促進了城市交通科技的智能化發(fā)展。因此，相信在未來智慧型城市交通發(fā)展道路上，類似LED交通誘導(dǎo)屏的產(chǎn)品必然得到廣泛推廣與應(yīng)用，并且在智能化城市交通建設(shè)嶄露頭角，造福于人民。? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?參 考 文 獻

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[責(zé)任編輯：鐘聲賢]