基于STM32的智能交通燈控制系統(tǒng)設(shè)計

鄭瑞旭，張炎生

（廣東海洋大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，廣東湛江 524088）

0 引言

隨著當(dāng)今物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，越來越多的智能化設(shè)備應(yīng)用于監(jiān)測系統(tǒng)，以便更好地服務(wù)于人們，由于我國的城市交通控制系統(tǒng)起步比較晚，直到20世紀(jì)90年代初，我國的一些高校和交通研究機構(gòu)才開始了城市交通誘導(dǎo)系統(tǒng)的研究，而且主要是借鑒英美和澳大利亞等國當(dāng)時的先進控制系統(tǒng)，如著名的SCOOT、SCATS等[1]。但當(dāng)前我國普遍應(yīng)用的信號燈控制系統(tǒng)仍然是定時信號控制加以人力輔助指揮，再加上現(xiàn)代交通的不斷發(fā)展且結(jié)合我國交通的流動性，道路條件等等與國外存在巨大差異，所以開發(fā)真正適合我國自身特點的智能交通燈管理控制系統(tǒng)是當(dāng)前的重要任務(wù)。

在單交叉路口，由于信號燈配時的不合理導(dǎo)致的交通阻塞是常發(fā)生交通事故的主要原因，再加上如果路口交通遇到緊急情況，不能及時快速地切換到人工控制模式來管理交通的話，會進一步加重道路阻塞現(xiàn)象或者發(fā)生意外，所以為了能夠更好更快地保障路面通行的正常運行與安全，確保不會在道路發(fā)生事故問題時因為交通信號燈的時間問題導(dǎo)致道路情況阻塞加劇，本文設(shè)計并實現(xiàn)了一個能智能控制交通燈時間的系統(tǒng)，通過自適應(yīng)算法獲取到的數(shù)據(jù)加以輔助計算得出最優(yōu)的時間參數(shù)，可用于車流量密集的單交叉路口。

1 智能交通燈系統(tǒng)的總體設(shè)計

該智能交通燈控制系統(tǒng)總體架構(gòu)包括STM32開發(fā)板、車流量監(jiān)測模塊、按鍵控制模塊、OLED顯示模塊以及驅(qū)動模塊5個部分組成，其中以STM32為主控制器，通過車流量監(jiān)測模塊對于路面上的車流量進行采集數(shù)據(jù)，并把數(shù)據(jù)信號傳送至處理器，再由處理器發(fā)出指令從而改變道路交通信號燈所分配的時間，使得道路上的車流量能夠?qū)崿F(xiàn)動態(tài)變化調(diào)節(jié)[2]。同時在具備基本道路交通燈的功能前提下，還支持人工按鍵切換系統(tǒng)運行的模式以及設(shè)置通行時間。該系統(tǒng)總體框架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框架

該系統(tǒng)采用的車流量監(jiān)測模塊為HC-SR04超聲波測距模塊，通過該模塊判斷車流量的大小以及工作繁忙狀態(tài)，并把結(jié)果上傳至處理器，并通過OLED顯示結(jié)果和蜂鳴器提示。通過STM32作為控制系統(tǒng)的核心，通過外部中斷控制外圍接口的信號燈驅(qū)動模塊，根據(jù)橫縱向的車流量實現(xiàn)實時調(diào)整交通信號燈的時間[3]，信號燈使用紅黃綠的發(fā)光二極管LED和8255的驅(qū)動來控制亮滅。另外還有按鍵模塊可以手動切換運行模式以及調(diào)節(jié)具體的通行時間，使得該系統(tǒng)更加合理和人性化，方便優(yōu)化交通管理。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計

2.1 處理器的選擇及介紹

本系統(tǒng)采用的STM32F103ZET6是基于ARM架構(gòu)Cortex-M3內(nèi)核單片機，Cortex-M3是首款基于ARM-v7-M體系結(jié)構(gòu)的32位標(biāo)準(zhǔn)處理器，具有512 kb flash，64 kb RAM，支持豐富的外設(shè)資源，同時具有運行速度快、抗干擾能力強的優(yōu)點，專為高性能、低成本、低功耗的物聯(lián)網(wǎng)嵌入式平臺應(yīng)用專門設(shè)計的[4]?？芍С执罅客庠O(shè)接口，如定時器、ADC、DAC、SDIO、IIC、SPI、IIS和USART等，共有112個通用I/O口，所以它非常適合應(yīng)用于需要高速的數(shù)據(jù)處理能力和快速中斷響應(yīng)的地方，再加上本身芯片的內(nèi)核為ARM，故用該處理器進行項目開發(fā)的時候，有多款I(lǐng)DE軟件可以進行開發(fā)編輯代碼，增加了代碼的可讀可寫性。

2.2 其他外圍模塊組成及介紹

2.2.1 車流量監(jiān)測模塊

超聲波是一種頻率高于20 000 Hz的聲波，用作為車流量監(jiān)測方式，則需要產(chǎn)生超聲波和接收超聲波的裝置，把這類裝置稱為超聲波傳感器。在該系統(tǒng)中，采用的是HC-SR04超聲波測距模塊，該模塊是用超聲波傳感器和其他電容電阻等元器件組合而成。其工作原理為：通過發(fā)送和接收超聲波，利用聲音傳播速度和發(fā)送與接收超聲波的時間差，便可計算出前方障礙物到模塊的距離，計算公式為：

式中：v為超聲波波速，m/s，在空氣中，v=331.4×，其中T為環(huán)境溫度，℃。

因此通過多個超聲波模塊可以得出車流量長度，加以歷史數(shù)據(jù)輔助計算可得通行時間和速度[5]。選用該模塊的原因是因為HC-SR04模塊不僅價格低廉，而且精度準(zhǔn)確，可提供2～400 cm的非接觸式距離感測功能，測距精度可達(dá)到3 mm，且該模塊的工作溫度為-40～+80℃，適應(yīng)我國大部分城市的環(huán)境溫度。該系統(tǒng)采取在每條道路上安裝2個或多個傳感器模塊，每當(dāng)有車輛通過時，傳感器獲取到信號并把傳輸回的信號給主控制模塊進行處理，并加以程序算法來實現(xiàn)對車流量的計算。

2.2.2 按鍵控制模塊

該項目本身可以通過傳感器模塊獲取車流量從而智能控制信號燈的亮滅時長，但是假如遇到特殊車輛如急救車、消防車等需要緊急通行的時候，可以通過人為按鍵控制設(shè)置紅綠燈顯示時長，以確保其通行能力，在人工切換緊急模式的時候，4個方向的紅燈倒計時清零，增加這個功能模塊既能確保平常通行的效率，又能兼顧到緊急情況的發(fā)生[6]。

2.2.3 顯示模塊

該項目采用OLED顯示模塊顯示東西方向和南北方向的車流量，并可以切換看到車輛通行倒計時時間。因為OLED本身為自發(fā)光材料，基本顯示單位由金屬陰極、透明陽極和有機薄膜組成，不需用到背光板，同時反應(yīng)速度快、較易彩色化、用簡單驅(qū)動電路即可讓圖像呈現(xiàn)到發(fā)光面板，而且在顯示方面圖像也十分穩(wěn)定，具有亮度高、色彩豐富、分辨率高、驅(qū)動電壓低、能耗低等等特性。OLED顯示器在軍事、商業(yè)、交通方面也常被用作飛機、手機、電腦等現(xiàn)代化設(shè)備的顯示終端[7]。而且該系統(tǒng)采用發(fā)光二極管LED燈作為信號燈，因為LED照明燈具有亮度高、功耗小、壽命長、不發(fā)熱等優(yōu)越性能，已經(jīng)逐步取代傳統(tǒng)的照明燈[8]。

2.2.4 信號燈驅(qū)動模塊

信號燈驅(qū)動模塊主要控制是控制多路信號燈的亮滅情況，主控通過傳感器獲取到的實時交通流量大小，然后通過控制算法的計算處理得出當(dāng)前交通情況的最優(yōu)處理，并根據(jù)得出的數(shù)據(jù)結(jié)果通過主控制模塊連接發(fā)送到該模塊輸入端口，就可以控制各個方向通行的信號燈。因為4個方向都需要安裝3盞信號燈，共12盞。為了提高IO口驅(qū)動能力、控制能力，本設(shè)計采用8255的驅(qū)動來控制[9]。選用該驅(qū)動的原因是：價格低廉，兼容3.3 V、5 V和15 V輸入邏輯，同時穩(wěn)定可靠，可以同時驅(qū)動3個模塊，并根據(jù)輸入的信號值改變信號燈顏色，電路驅(qū)動板電路仿真圖如圖2所示。

圖2 驅(qū)動板電路仿真

因為本驅(qū)動控制系統(tǒng)的關(guān)鍵在于對信號燈智能調(diào)整時長，具體原理是通過比較東西南北4個方向的車流量與默認(rèn)標(biāo)準(zhǔn)的車流量數(shù)據(jù)，根據(jù)同方向車流量的歷史數(shù)據(jù)來調(diào)節(jié)各個信號燈的亮滅情況，其中最大的車流量數(shù)據(jù)作為信號燈調(diào)整時長的最大值，并加以記錄該方向的歷史車流量數(shù)據(jù)，從而達(dá)到智能調(diào)節(jié)信號燈的效果。根據(jù)描述繪制了各個模塊安裝控制圖[10]，如圖3所示。

圖3 模塊安裝控制

3 程序部分設(shè)計

該系統(tǒng)設(shè)計主要采用的是C語言編寫的代碼，分為幾個大模塊進行編寫，核心程序是對于車流量的監(jiān)測以及對于不同信號燈的驅(qū)動，采用模塊監(jiān)測到車流量數(shù)據(jù)后，通過自適應(yīng)控制算法進行歷史值和當(dāng)前值的智能對比，然后分別對道路的信號燈進行變化從而控制道路交通情況，該智能交通燈設(shè)計的程序流程如圖4所示。

圖4 程序流程

4 結(jié)束語

本文設(shè)計了一種基于超聲波模塊監(jiān)測單元的智能交通燈控制系統(tǒng)，實現(xiàn)實時車流量的檢測估算，并通過驅(qū)動模塊實現(xiàn)了對車流量的控制。系統(tǒng)可以根據(jù)已有的交通規(guī)則，在各類傳感器的作用下完成對車流量的采集工作，并按照不同的實際道路情況智能控制車輛通行時間。與傳統(tǒng)的交通燈相比，能夠減少交通堵塞現(xiàn)象。系統(tǒng)使用了OLED顯示器來實時顯示車流量狀態(tài)，可以通過人工控制按鈕來保證出現(xiàn)緊急情況的時候道路通行順暢，具有更好的交互性和人性化，可以減少后期的交通壓力。由于算法只考慮了常見的十字交叉路口，對于雙叉、多路叉口的情況不具備有效的控制能力，后期可以通過增加傳感器或者更改對應(yīng)的程序進行解決。創(chuàng)新點在于雖然本文只是對單一交叉路口進行控制方案的設(shè)計，但開辟了一種思路，對于更多路況和更加龐大的交通系統(tǒng)實現(xiàn)智能控制提供了重要的參考價值。