一種智能交通燈控制系統(tǒng)

陳震 李 平

（泰州職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息技術(shù)學(xué)院，江蘇 泰州225300）

1 概述

隨著我國城市化進程的加快，城市道路交通越來越發(fā)達，但是機動車數(shù)量的快速增多也使得道路交通的擁堵問題變得越來越嚴重，因此交通燈控制的重要性也與日俱增[1-2]。目前，交通燈的時間大部分都是人工設(shè)置好的，在遇到早晚上下班高峰時段，都需要人工根據(jù)路口的交通擁堵情況手動控制交通燈的時長，智能化程度很低。雖然也有很多智能化交通燈控制系統(tǒng)出現(xiàn)和應(yīng)用，使得交通擁堵問題得到一定程度的緩解，但是系統(tǒng)的控制算法相對復(fù)雜，成本較高。本文提出一種簡便的交通燈控制系統(tǒng)，通過兩個檢測器自動判斷道路車輛的擁堵程度，并根據(jù)道路車輛的擁堵程度實時調(diào)整交通燈的時長。

2 車道擁堵的判斷

以單交叉路口為例，單交叉路口是一個4 相位系統(tǒng)，四個方向均有右轉(zhuǎn)直行和左轉(zhuǎn)2 個車道。東西向右轉(zhuǎn)直行是第1 相位，東西向左轉(zhuǎn)是第2 相位，南北向右轉(zhuǎn)直行是第3 相位，南北向左轉(zhuǎn)是第4 相位。在車道離路口一定的距離前后分別埋設(shè)2個車速檢測模塊，●為一號檢測點，◆為二號檢測點，1 為左轉(zhuǎn)道，2 為右轉(zhuǎn)直行道，如圖1 所示。

圖1 單交叉路口示意圖

車速檢測模塊會感應(yīng)到其上方是否有車輛通過，若有車輛經(jīng)過其上方，檢測模塊輸出高電平，否則檢測模塊輸出低電平。因此，當(dāng)車輛通過車速檢測模塊時，會產(chǎn)生一個脈沖信號，脈沖信號的寬度代表車輛通過檢測器的時長，脈沖寬度越小，說明車速很快，反之說明車速很慢。本系統(tǒng)在路口交通燈變?yōu)榫G燈后，忽略掉起動損失時間，根據(jù)車道前后2 個檢測器上方車輛通過的速度與設(shè)定的閾值做比較，自動判斷車道的擁堵程度。判斷規(guī)則如下所示：

一號點不擁堵，二號點不擁堵，說明車道不擁堵；

一號點擁堵，二號點不擁堵，說明車道輕微堵?lián)恚?/p>

一號點擁堵，二號點擁堵，說明車道嚴重堵?lián)怼?/p>

3 紅綠燈時長的設(shè)置策略

根據(jù)前后2 相的擁堵情況，自動設(shè)置紅綠燈的時長。以第1相位和第2 相位為例：

若東西右轉(zhuǎn)直行方向不擁堵，東西左轉(zhuǎn)方向不擁堵，東西右轉(zhuǎn)直行方向綠燈時長不變，東西左轉(zhuǎn)方向綠燈時長不變；若東西右轉(zhuǎn)直行方向不擁堵，東西左轉(zhuǎn)方向輕微擁堵，東西右轉(zhuǎn)直行方向綠燈時長減少10 秒，東西左轉(zhuǎn)方向綠燈時長增加10 秒；

若東西右轉(zhuǎn)直行方向不擁堵，東西左轉(zhuǎn)方向擁堵嚴重，東西右轉(zhuǎn)直行方向綠燈時長減少20 秒，東西左轉(zhuǎn)方向綠燈時長增加20 秒；

若東西右轉(zhuǎn)直行方向輕微擁堵，東西左轉(zhuǎn)方向不擁堵，東西右轉(zhuǎn)直行方向綠燈時長增加10 秒，東西左轉(zhuǎn)方向綠燈時長減少10 秒；

若東西右轉(zhuǎn)直行方向輕微擁堵，東西左轉(zhuǎn)方向輕微擁堵，東西右轉(zhuǎn)直行方向綠燈時長增加10 秒，東西左轉(zhuǎn)方向綠燈時長增加10 秒；

若東西右轉(zhuǎn)直行方向輕微擁堵，東西左轉(zhuǎn)方向擁堵嚴重，東西右轉(zhuǎn)直行方向綠燈時長增加10 秒，東西左轉(zhuǎn)方向綠燈時長增加20 秒；

若東西右轉(zhuǎn)直行方向擁堵嚴重，東西左轉(zhuǎn)方向不擁堵，東西右轉(zhuǎn)直行方向綠燈時長增加20 秒，東西左轉(zhuǎn)方向綠燈時長減少20 秒；

若東西右轉(zhuǎn)直行方向擁堵嚴重，東西左轉(zhuǎn)方向輕微擁堵，東西右轉(zhuǎn)直行方向綠燈時長增加20 秒，東西左轉(zhuǎn)方向綠燈時長增加10 秒；

若東西右轉(zhuǎn)直行方向擁堵嚴重，東西左轉(zhuǎn)方向擁堵嚴重，東西右轉(zhuǎn)直行方向綠燈時長增加20 秒，東西左轉(zhuǎn)方向綠燈時長增加20 秒。

4 系統(tǒng)硬件設(shè)計

整個系統(tǒng)由車速檢測模塊、智能控制主機、交通燈模塊組成。車速檢測模塊、智能控制主機和交通燈模塊通過Zigbee 通信技術(shù)組網(wǎng)，實現(xiàn)無線通信。

4.1 車速檢測模塊

車速檢測模塊用于采集交通路口擁堵的情況，由超聲波模塊和控制器模塊組成?？刂破髂K采用STC8A8K64S4A12 作為主控芯片，負責(zé)超聲波模塊的驅(qū)動和車速檢測。

車道處于綠燈通行時，超聲波發(fā)射探頭發(fā)出超聲波，其上方有車輛經(jīng)過時，接收探頭會接收到反射波，超聲波模塊輸出高電平給控制器，若沒有車輛經(jīng)過，接收探頭接收不到反射波，超聲波模塊輸出低電平給控制器。這樣，控制器根據(jù)高電平的時長就可以估算出車輛的速度，并根據(jù)策略判斷出檢測點的擁堵程度，再通過ZigBee 模塊將檢測點的擁堵信息發(fā)送到智能控制主機。

4.2 智能控制主機

智能控制主機采用STM32 作為主控芯片，通過Zigbee 模塊與車速檢測模塊和交通燈模塊組成無線通信網(wǎng)絡(luò)。智能控制主機根據(jù)接收到的路口擁堵信息智能判斷出路口紅綠燈的時長，再通過Zigbee 模塊將控制信號發(fā)送給交通燈模塊，動態(tài)控制紅綠燈的時長，緩解路口擁堵的壓力。

同時，主控芯片通過串口擴展一個藍牙模塊BTM4504C1X，用于與手機實現(xiàn)通信，這樣通過手機APP 可以隨時掌握路口的擁堵情況，并可以對交通燈系統(tǒng)進行人工控制。

4.3 通信模塊

Zigbee 模塊采用順舟智能的SZ05-L-PRO-2，該模塊基于TI-CC2530 芯片方案[3-4]。模塊體積小巧，可以很容易的嵌入其他設(shè)備，提供快速便捷低成本的無線網(wǎng)絡(luò)接口，可節(jié)省開發(fā)時間和成本。模塊符合Zigbee Pro 國際規(guī)范，具有通訊距離遠、超低功耗、抗干擾能力強、組網(wǎng)靈活穩(wěn)定等優(yōu)點和特性。通過模塊的串口可實現(xiàn)一點對多點及多點對多點之間的設(shè)備間數(shù)據(jù)的無線透明傳輸。

SZ05-L-PRO-2 模塊采用5～9V 電源供電，而STM32 芯片是3.3V 供電，因此，需要通過電平轉(zhuǎn)換芯片SP3232 與模塊連接，典型應(yīng)用如圖2 所示。

圖2 平轉(zhuǎn)換接口電路

整個系統(tǒng)中，智能控制主機作為中心協(xié)調(diào)器是網(wǎng)絡(luò)的中心節(jié)點，負責(zé)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)起組織、網(wǎng)絡(luò)維護和管理功能；車速檢測模塊和交通燈模塊是終端節(jié)點，只進行本節(jié)點數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收；根據(jù)現(xiàn)場通信距離的遠近決定是否增加模塊作為路由器，負責(zé)數(shù)據(jù)的中繼轉(zhuǎn)發(fā)和網(wǎng)絡(luò)維護功能。

藍牙模塊采用金甌公司的百米藍牙模塊BTM4504C1X。模塊采用CSR BC04 External 芯片設(shè)計，內(nèi)置了金甌公司專用數(shù)據(jù)傳輸軟件固件，兼容藍牙3.0 規(guī)范及以下的設(shè)備，數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定，傳輸距離可達100 米。數(shù)據(jù)通過UART 串口透明傳輸，UART信號為3.3V 的TTL 電平，與STM32 可以直接連接，使用方便。

4.4 顯示模塊

交通燈倒計時顯示采用2 位7 段LED 共陰數(shù)碼管。四個方向的倒計時顯示分為兩組，相當(dāng)于兩組數(shù)碼管，LED 驅(qū)動控制專用芯片TM1616 可以直接驅(qū)動4 位數(shù)碼管，因此，四個方向的數(shù)碼管用一片TM1616 驅(qū)動即可。主控芯片與TM1616 只需3根線連接，通過串行通信對數(shù)碼管進行控制。電路如圖3 所示。采用紅黃綠三種LED 燈模擬十字路口的交通燈。

圖3 交通燈驅(qū)動電路

5 軟件設(shè)計

根據(jù)系統(tǒng)的整體功能需求，智能控制主機的程序流程圖如圖4 所示。

圖4 控制主機程序流程圖

6 結(jié)論

本文提出一種簡便方法，通過檢測器檢測車輛通過交通路口的時速來判斷路口的擁堵程度，同時根據(jù)前后兩相的擁堵情況，動態(tài)改變紅綠燈的時長。根據(jù)此方法完成了系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計，并通過仿真實驗，驗證了該方法能有效降低路口的擁堵程度。但該方法仍有不足之處，紅綠燈動態(tài)調(diào)整的時長目前是固定不變的，不一定適用于所有的交通路口，今后還需要對不同路口的車流量實際數(shù)據(jù)進行分析，才能得到精確的動態(tài)調(diào)整時長。