基于樹莓派的交通燈實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

尹延龍，丁瑞好，董錚

（湖北文理學(xué)院 計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，湖北襄陽，441053）

0 研究背景及意義

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，汽車已經(jīng)逐漸進(jìn)入到了家家戶戶，使得人們的出行變得更加地舒適[1]。但與此同時(shí)，城市建設(shè)的步伐遠(yuǎn)遠(yuǎn)跟不上汽車行業(yè)的發(fā)展，隨著汽車數(shù)量的越來越多，道路擁擠已經(jīng)成了很多城市的通病，嚴(yán)重影響人們的出行。節(jié)假日擁堵情況更甚，通行十分困難。因此如何緩解道路擁擠，讓人們的出行更順利成為城市交通中的一個(gè)大問題[2～3]。

傳統(tǒng)的交通燈是通過設(shè)定路口交通燈時(shí)間為一定值進(jìn)而調(diào)節(jié)車流量，控制太過簡單、單一，并不能適應(yīng)現(xiàn)在日趨擁擠的道路，并且當(dāng)路口道路車流量過于擁擠時(shí)，交通路口還需要協(xié)管員來協(xié)助調(diào)控交通燈的變化時(shí)間，以此緩解道路擁擠的情況。交通燈實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)通過實(shí)時(shí)監(jiān)測各個(gè)方向的車流量，比較各個(gè)路口的車流量，進(jìn)而計(jì)算出合理的交通燈變化時(shí)間調(diào)控交通燈。減少車輛的等待時(shí)間，合理的分配道路資源，緩解交通擁堵，既能減少交通警察人力資源的浪費(fèi)，也能使人們的出行更加通暢，讓城市的交通更加智能，更美好[4]。

1 交通燈實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

■1.1 交通燈實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)可行性分析

系統(tǒng)主要應(yīng)用有主次干道的十字路口路段，用于調(diào)節(jié)十字路口的車輛擁堵情況。系統(tǒng)主要采用了傳感器、樹莓派和Python 技術(shù)。傳感器用于測量車流量，通過測量車輛通過路面產(chǎn)生的壓力，再將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)傳輸給系統(tǒng)，傳感器本系統(tǒng)采用的是壓電傳感器。壓力傳感器安裝在各個(gè)路口，距離路口的一定距離的區(qū)域，測量在一定時(shí)間內(nèi)車輛是否通過近車監(jiān)測點(diǎn)和遠(yuǎn)車監(jiān)測點(diǎn)來推算車流量。樹莓派三代B 型開發(fā)板用于接收壓力傳感器傳過來的電信號(hào)，再將電信號(hào)進(jìn)行處理分析計(jì)算，得出交通燈顏色變化的時(shí)間，以此來控制交通燈的顏色變化，進(jìn)而減緩車輛擁堵的情況。Python 是計(jì)算機(jī)編程語言，處理分析壓力傳感器傳來的車流量數(shù)據(jù)、計(jì)算綠燈的變化時(shí)間、控制交通燈顏色的變化等。

在經(jīng)濟(jì)方面，樹莓派和傳感器的成本都比較低，整個(gè)系統(tǒng)并不需要花費(fèi)太高的成本，而且壓力傳感器壽命很長，可以使用很久，比較適合用來測量車流量。

■1.2 交通燈實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)功能需求分析

交通燈實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)是利用實(shí)時(shí)分析各個(gè)路口的車流量來計(jì)算出交通燈的狀態(tài)及綠燈時(shí)間。系統(tǒng)的功能需求如下：

(1)各個(gè)路口車流量數(shù)據(jù)采集與傳輸

功能描述：壓電傳感器根據(jù)收集通過該傳感器的壓力數(shù)據(jù)，將壓力信號(hào)進(jìn)而輸送給樹莓派。壓力傳感器是分布在各個(gè)路口的，不同路口的壓力信息都進(jìn)行收集。

輸入：路口處的車流量壓力信號(hào)。

輸出：車流量的電信號(hào)。

(2)車流量電信號(hào)的分析處理

功能描述：壓力傳感器將車流量的壓力信號(hào)傳送給樹莓派，樹莓派再將收集到的壓力信號(hào)進(jìn)行分析處理，計(jì)算出綠燈的變化時(shí)間，以此來控制交通燈的變化。

輸入：車流量的電信號(hào)。

輸出：交通燈的變化時(shí)間。

(3)交通燈控制

功能描述：根據(jù)樹莓派開發(fā)板計(jì)算出來的時(shí)間來控制路口交通燈的變化時(shí)間。同時(shí)路口的交通燈也可以由人為控制，當(dāng)一些特殊情況發(fā)生時(shí)，交通協(xié)管員可以隨時(shí)控制交通燈的變化。

輸入：樹莓派計(jì)算交通燈時(shí)間。

輸出：交通燈是否變化。

■1.3 系統(tǒng)的功能模塊及流程圖

根據(jù)系統(tǒng)的可行性和需求分析，設(shè)計(jì)了圖1 所示的系統(tǒng)功能模塊圖。系統(tǒng)主要分為車流量檢測模塊、車流量分析處理模塊和交通燈轉(zhuǎn)換模塊。車流量檢測模塊主要負(fù)責(zé)檢測路口的實(shí)時(shí)車流量，車流量分析處理模塊用于計(jì)算出路口的綠燈時(shí)間及交通燈是否發(fā)生變化，交通燈轉(zhuǎn)換模塊主要是根據(jù)系統(tǒng)的計(jì)算結(jié)果來進(jìn)行交通燈狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。

圖1 系統(tǒng)功能模塊圖

系統(tǒng)流程圖如圖2所示。安裝在路口的壓力傳感器會(huì)接收到車輛是否通過的信號(hào)，然后把車輛通過的壓力信號(hào)傳給樹莓派開發(fā)板。樹莓派開發(fā)板會(huì)根據(jù)壓力傳感器傳過來的車流量信號(hào)進(jìn)行分析計(jì)算，分配出合適的綠燈時(shí)間及交通燈的狀態(tài)是否發(fā)生變化，并把最終結(jié)果輸出給交通燈，交通燈會(huì)根據(jù)樹莓派開發(fā)板的指令進(jìn)行相應(yīng)的變化，進(jìn)而達(dá)到控制車流量的目的。

圖2 系統(tǒng)流程圖

2 交通燈實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

■2.1 交通燈實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

交通燈實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)的硬件部分主要有壓力傳感器、樹莓派三代B 型開發(fā)板、RGB LED 模擬交通燈。壓力傳感器收集路口處的實(shí)時(shí)車流量數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)傳輸給樹莓派三代B 型開發(fā)板控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)通過Python 語言編寫的程序處理分析壓力傳感器傳過來的車流量信息，并得出交通燈的變化時(shí)間規(guī)則。樹莓派開發(fā)板控制系統(tǒng)再將交通燈的變化信息傳輸給RGB彩色LED 模擬的交通燈顯示器，來模擬交通燈的變化[5-6]。硬件組成如圖3 所示。

圖3 系統(tǒng)硬件組成圖

系統(tǒng)采用的是RGB 彩色LED 來模擬交通燈的變化。其中，LED 燈中有三種顏色的發(fā)光二極管：紅色、綠色和藍(lán)色，有四個(gè)引腳：VCC、R、G、B。VCC 是用來連接電源的正極的。R，G，B 分別對應(yīng)著紅綠藍(lán)三個(gè)燈的接口，再把這三個(gè)接口與樹莓派的GPIO 引腳進(jìn)行連接，通過控制這三個(gè)燈的顏色比例變化來模擬交通燈的顏色變化。

■2.2 交通燈實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)研究的是十字路口紅綠燈變化情況，如圖4 所示，將東西南北四個(gè)方向的路口都分為直行（包括直行車道和右轉(zhuǎn)車道）和左轉(zhuǎn)的情況。其中，東西方向，南北方向紅綠燈變化情況一致，則僅需研究東或西側(cè)，南或北側(cè)情況，即圖中D1，D2，D3，D4 這四個(gè)車道方向綠燈情況即可。當(dāng)D1，D2，D3，D4 四個(gè)方向任意一個(gè)車道為綠燈時(shí)，其他車道都不能顯示綠燈。

圖4 路口交通圖

在交通十字路口，一般都會(huì)有一條車流量較多的主干道，一條車流量較少次干道。設(shè)定東西方向的車道為主干道，南北方向的車道為次干道，因?yàn)橹鞔胃傻赖能嚵髁渴遣灰粯拥?，一般情況下，主干道的車流量會(huì)大于次干道上的車流量，所以在初始綠燈時(shí)間的分配上，主干道的綠燈分配時(shí)間應(yīng)該多于次干道上的綠燈時(shí)間。其中黃燈的時(shí)間固定為3s，所以在這個(gè)系統(tǒng)中不需要進(jìn)行計(jì)算分配黃燈的時(shí)間，只需要計(jì)算紅燈，綠燈的時(shí)間即可。而車道的初始綠燈時(shí)間，應(yīng)當(dāng)是由十字路口平時(shí)的車流量所決定的，應(yīng)提前測得合理的初始時(shí)間。考慮到在十字路口中車流量變化很快，更新時(shí)間不宜太長，還有系統(tǒng)所承受的計(jì)算壓力，更新時(shí)間不宜太短，在這個(gè)系統(tǒng)中設(shè)定為每5s 更新一次車流量，再根據(jù)更新的車流量計(jì)算出綠燈時(shí)間并將計(jì)算的綠燈時(shí)間更新給路口的交通燈[7～8]。

綠燈在每一次將要變化之前，都會(huì)先根據(jù)監(jiān)測的車流量大小來進(jìn)行一次判斷，判斷是否要變換交通燈顏色。而在每一次監(jiān)測車流量之前，會(huì)先對綠燈的剩余時(shí)間進(jìn)行判斷。如果判斷當(dāng)前綠燈剩余時(shí)間小于或等于5s，則直接更新當(dāng)前綠燈的剩余時(shí)間為5s，與此同時(shí)，當(dāng)前綠燈開始閃爍，5s后，直接變換為黃燈，不再進(jìn)行車流量的判斷。如果判斷當(dāng)前綠燈時(shí)間大于5s，系統(tǒng)根據(jù)當(dāng)前車流量計(jì)算綠燈時(shí)間，如果計(jì)算的綠燈時(shí)間小于剩余的綠燈時(shí)間，則當(dāng)前交通燈的綠燈剩余時(shí)間更新為系統(tǒng)計(jì)算的綠燈的剩余時(shí)間，反之，如果計(jì)算的綠燈時(shí)間大于剩余的綠燈時(shí)間，交通燈當(dāng)前綠燈時(shí)間不變。

■2.3 算法基本流程

系統(tǒng)初始情況下，會(huì)對各個(gè)不同車道分配一個(gè)初始綠燈時(shí)間Hinit，然后每5s 檢測一次路口的車流量，再根據(jù)車流量計(jì)算出當(dāng)前路口的綠燈時(shí)間Hnr。然后比較Hnr，判斷是否開始下一方向的綠燈時(shí)間。當(dāng)新分配的時(shí)間小于等于5s 時(shí)，各個(gè)方向的綠燈的剩余時(shí)間直接更新為5s，這5s 期間，綠燈處于閃爍的狀態(tài)，且5s 后綠燈變化為黃燈，黃燈時(shí)間為3s，黃燈時(shí)間結(jié)束后下一路口的綠燈亮。當(dāng)新分配的綠燈時(shí)間大于5s 時(shí)，再進(jìn)行比較新分配的綠燈時(shí)間與當(dāng)前路口剩余的綠燈時(shí)間。如圖5 所示，當(dāng)分配時(shí)間小于等于當(dāng)前路口綠燈剩余時(shí)間時(shí)，各方向剩余綠燈時(shí)間更新為新分配的時(shí)間，反之各方向剩余綠燈時(shí)間不更新。五秒后繼續(xù)檢測，并依次循環(huán)[9]。

圖5 程序流程圖

■2.4 車流量檢測距離的設(shè)置

假設(shè)車輛的速度是20km/h，這在道路中其實(shí)已經(jīng)算是一個(gè)很低的速度了，那么這輛車在5s 內(nèi)的行駛距離將近28m。如果道路擁擠，那一輛車在監(jiān)測點(diǎn)之間的行駛距離肯定是低于20km/h。所以設(shè)定近車監(jiān)測點(diǎn)與遠(yuǎn)車監(jiān)測點(diǎn)的距離為25m。當(dāng)路段擁擠時(shí)，這段距離的車行駛速度會(huì)變慢，5s 之內(nèi)不會(huì)通過該路段，就會(huì)被計(jì)入車流量，當(dāng)路段還比較通暢時(shí)，通過這段距離的車速度會(huì)很快，那么在5s 內(nèi)就會(huì)通過該路段，就不會(huì)被計(jì)入車流量。

■2.5 綠燈變化時(shí)間的設(shè)置

如圖4 所示，該十字路口的總車流量為D=d1+d2+d3+d4+d5+d6+d7+d8。向南北方向直行的車流量總量為D1=d3+d7，向南北方向左轉(zhuǎn)的總車流量為D2=d4+d8，向東西方向直行的總車流量為D3=d1+d5，向東西方向左轉(zhuǎn)的總車流量為D4=d2+d6。系統(tǒng)設(shè)定該十字路口的綠燈順序依次是東西直行，東西左轉(zhuǎn)，南北直行，南北左轉(zhuǎn)，以此循環(huán)。檢測時(shí)間間隔為3s，路燈初始周期為H。

由于四個(gè)方向綠燈時(shí)間不能重合，所以每個(gè)方向綠燈都應(yīng)該設(shè)置一個(gè)初始時(shí)間。綠燈初始時(shí)間的更新：每當(dāng)綠燈進(jìn)行轉(zhuǎn)換到下一路口綠燈時(shí)，下一路口的綠燈應(yīng)該設(shè)置一個(gè)初始時(shí)間，而不應(yīng)該沿用上一路口所計(jì)算的綠燈時(shí)間。因?yàn)樯弦宦房谠诰G燈的過程中，車流量會(huì)越來越少，所計(jì)算的綠燈時(shí)間也會(huì)越來越少，在下一次綠燈變化之前，綠燈時(shí)間達(dá)到一個(gè)最小值。然而在這個(gè)過程中，其余路口都是紅燈時(shí)間，車流量會(huì)增大，如果繼續(xù)使用上一方向所計(jì)算的綠燈時(shí)間則會(huì)不合理，所以在每個(gè)路口綠燈變化之前綠燈時(shí)間需要更新到初始值。

■2.6 關(guān)于夜間交通燈的設(shè)置

由于夜間人們的出行量大大減少，道路上的車流量也隨之很少，所以在夜間再實(shí)行與白天同樣的交通燈的變化規(guī)則就有些不合理了。在夜間，因?yàn)槌鲂械能囕v較少，只需要提醒司機(jī)到路口時(shí)記得減速通過就可以了，這個(gè)時(shí)候就可以設(shè)置十字路口中四個(gè)路口黃燈持續(xù)閃爍，提醒司機(jī)注意來往車輛減速通過。關(guān)于交通燈夜間模式的時(shí)間設(shè)置，還要根據(jù)季節(jié)來設(shè)定。在夏季，白天較長，夜晚較短，夜間模式也應(yīng)把時(shí)間推遲，可以設(shè)定凌晨一點(diǎn)開啟夜間模式，四點(diǎn)關(guān)閉夜間模式。而冬季，白天較短，夜晚較長，夜間模式可以提前到晚上十二點(diǎn)開啟夜間模式，早晨五點(diǎn)關(guān)閉夜間模式。夜間模式的設(shè)置也緩解了控制系統(tǒng)的壓力。

3 交通燈實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)測試

■3.1 測試方案

根據(jù)交通燈實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)的功能模塊對系統(tǒng)測試，先將樹莓派和傳感器顯示燈這幾個(gè)模塊給連接起來，連接好之后接通電源，在樹莓派上運(yùn)行程序，系統(tǒng)便開始運(yùn)行了。因?yàn)橄到y(tǒng)的應(yīng)用場景是設(shè)有主次干道的十字路口，所以測試時(shí)候會(huì)分為主干道和次干道分別進(jìn)行測試，測試隨著車流量的變化交通燈是如何進(jìn)行變化的。同時(shí)還會(huì)測試夜間時(shí)，交通燈是怎樣變化的。

■3.2 設(shè)計(jì)測試用例

根據(jù)系統(tǒng)測試方案設(shè)計(jì)如表1 所示的路口主干道情況的測試用例、如表2 所示的次干道情況的測試用例以及表3 所示的夜間模式的路口交通燈情況的測試用例。

表1 主干道測試用例表

表2 次干道測試用例表

表3 夜間模式測試用例表

■3.3 測試結(jié)果

通過樹莓派運(yùn)行寫好的Python程序，可以通過將樹莓派連接到PC 端，在PC 端上控制樹莓派運(yùn)行Python 代碼。代碼運(yùn)行完成后，對該系統(tǒng)進(jìn)行簡單的測試，檢測其功能。

系統(tǒng)剛開始檢測時(shí)，設(shè)定東西直行車道綠燈亮，則其他車道紅燈亮。如圖6 所示。

圖6 交通燈變化圖

綠燈時(shí)間結(jié)束后，東西方向直行車道交通燈黃燈亮起，其他方向仍為紅燈，如圖7 所示。

圖7 交通燈變化圖

東西直行黃燈結(jié)束后，變?yōu)榧t燈，下一車道交通燈黃燈亮，如圖8 所示。

圖8 交通燈變化圖

下一車道黃燈時(shí)間結(jié)束后，路燈亮，其他車道依然是紅燈，如圖9 所示。

圖9 交通燈變化圖

夜間路口黃燈持續(xù)閃爍，如圖10 所示。

圖10 交通燈夜間模式圖

當(dāng)某一車道綠燈亮?xí)r，模擬車輛通過壓力傳感器，該車道的壓力傳感器產(chǎn)生信號(hào)傳送給了樹莓派系統(tǒng)，系統(tǒng)在根據(jù)傳過來壓力信號(hào)的次數(shù)判斷車流量，再計(jì)算該車道的綠燈時(shí)間，系統(tǒng)再控制綠燈亮的時(shí)間，綠燈時(shí)間與車道車流量的大小成正比。

4 總結(jié)

系統(tǒng)介紹了交通燈實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)的目的和意義，結(jié)合了壓力傳感器和樹莓派開發(fā)板，參考了之前的智能交通燈的研究技術(shù)，讓交通燈隨著車流量的變化而實(shí)時(shí)變化，變得更加智能。同時(shí)這個(gè)系統(tǒng)的開發(fā)成本也比較低，其中用到的壓力傳感器在這個(gè)系統(tǒng)中也易于安裝和維護(hù)。系統(tǒng)開發(fā)的成功將會(huì)給人們的出行帶來極大的便利，讓人們的出行更加的舒適，很大地緩解交通擁堵的狀況，讓城市道路更通暢。