非機(jī)動車交通路口無線智能控制系統(tǒng)

摘 要：針對非機(jī)動車在交通路口事故頻發(fā)，存在較大安全隱患的問題，采用交互式驗(yàn)證編碼設(shè)計(jì)了一種使非機(jī)動車在交通路口具備智能感知功能，能夠輔助安全駕駛，且易于安裝，便于推廣使用的系統(tǒng)裝置。系統(tǒng)主要由交通信息無線發(fā)射裝置、車載信息接收裝置、聲音警報(bào)裝置、光電提醒裝置、車速控制裝置組成。當(dāng)非機(jī)動車上的車載接收裝置接近交通路口時(shí)，將準(zhǔn)確接收到特殊的交通編碼信息，控制警報(bào)燈閃爍、發(fā)出警示聲音，提醒非機(jī)動車騎行者此時(shí)已到達(dá)人行橫道，需注意交通安全；同時(shí)，通過車載控速裝置緩慢降低車速。系統(tǒng)賦予了非機(jī)動車“聽”到信息，“看”懂交通，“自主”降速的能力，實(shí)現(xiàn)了非機(jī)動車智能感知、安全駕駛功能。當(dāng)駛離交通路口安全距離后，自動解除所有限制，恢復(fù)車主全權(quán)控制狀態(tài)。通過模擬仿真、電路實(shí)測，設(shè)計(jì)要求已全部實(shí)現(xiàn)，信息發(fā)射、接收距離可控，準(zhǔn)確可靠。

關(guān)鍵詞：智慧交通；輔助駕駛；信息編碼；無線通信；自動控速；物聯(lián)網(wǎng)

中圖分類號：TP302.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2024）04-00-05

DOI：10.16667/j.issn.2095-1302.2024.04.021

0 引 言

人行橫道是交通系統(tǒng)的重要組成部分。然而人行橫道也是交通事故多發(fā)地，占城市綜合交通事故的比重較大。據(jù)有關(guān)部門發(fā)布，2020年非機(jī)動車交通事故占總事故發(fā)生數(shù)的12.2%，2019年占死亡人數(shù)的6.98%[1]。隨著人們對外賣業(yè)的大量需求，配送騎手們邊看手機(jī)導(dǎo)航邊“玩命”飛馳的現(xiàn)象屢見不鮮[2]。大數(shù)據(jù)顯示，在人行橫道上發(fā)生交通事故的主要原因是人車交通行為不規(guī)范，人車搶行或非機(jī)動車超速等[3]。除此之外，大霧天氣下非機(jī)動車騎行者視線受阻，無法看清紅綠燈，導(dǎo)致交通意外頻發(fā)。

單片機(jī)具有可靠性高、控制功能強(qiáng)、功耗低等諸多優(yōu)勢，選其作為主控，既可滿足需求，又可控制成本，利于推廣。本文選用兼有通信距離遠(yuǎn)、通信量小，并且在技術(shù)成熟頻段開放，無需審批的315 MHz無線電通信方式。作為一對帶地址、數(shù)據(jù)編碼功能的紅外遙控發(fā)射/接收芯片，PT2262和PT2272是一款應(yīng)用廣泛的編解碼芯片。本文充分利用該芯片的實(shí)用性、簡便性并可提供大量地址碼的特點(diǎn)，將其應(yīng)用于交通路口，發(fā)送和接收無線通信編碼[4]。為了加強(qiáng)非機(jī)動車和行人及人行橫道的聯(lián)系，本文設(shè)計(jì)了一套“懂”交通燈的智能非機(jī)動車系統(tǒng)，能對進(jìn)入人行橫道范圍的非機(jī)動車起到警示和提醒作用，有效降低非機(jī)動車速度，規(guī)范非機(jī)動車交通秩序。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及軟件設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

如圖1所示，本系統(tǒng)結(jié)合交通燈控制裝置，在東、西、南、北4個(gè)路口各設(shè)置一組紅綠燈，模擬人行橫道的交通信號燈情況；編程控制裝置位于交通路口的發(fā)射裝置處，可隨機(jī)發(fā)射編碼信號，當(dāng)非機(jī)動車上的接收模塊進(jìn)入人行橫道時(shí)會接收到信號，控制LED模塊紅燈閃爍、蜂鳴器發(fā)出提示音、降低電動車電機(jī)轉(zhuǎn)速。提醒車主已到達(dá)人行橫道，注意交通信號燈，并有效防止超速、逆行、搶行等交通違法行為，保障行人與車主的生命安全。本系統(tǒng)讓無生命的物體具備智能感知能力，減少了交通路口的安全隱患，契合智慧交通發(fā)展目標(biāo)[5-8]。

1.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

接收端如圖2所示。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括交通路口紅綠燈控制程序、延時(shí)程序、信息編碼發(fā)送程序及接收程序、聲音提醒、光電預(yù)警及減速控制程序、顯示程序、中斷服務(wù)子程序等。

本設(shè)計(jì)由主控單元模擬控制十字路口交通紅綠燈，當(dāng)南北方向綠燈時(shí)東西方向紅燈，南北方向轉(zhuǎn)變?yōu)榧t燈時(shí)東西方向轉(zhuǎn)變?yōu)榫G燈。無線接收模塊主要用于控制非機(jī)動車聲光提醒和減速，當(dāng)目標(biāo)非機(jī)動車駛?cè)肴诵袡M道范圍后，PT2272將準(zhǔn)確接收特殊無線編碼信號，控制非機(jī)動車減速、警報(bào)燈閃爍并發(fā)出聲音提醒。

設(shè)計(jì)的軟件程序可實(shí)時(shí)監(jiān)測并控制路口交通流量，確保交通安全[9]。系統(tǒng)通過多種模塊協(xié)同工作完成紅綠燈閃爍、計(jì)時(shí)顯示等功能，從而實(shí)現(xiàn)智能交通路口的控制與監(jiān)測。具體軟件設(shè)計(jì)總流程如圖3所示。

程序通過初始化子函數(shù)、編碼發(fā)送子函數(shù)、更新緩沖子函數(shù)、顯示子函數(shù)以及T0中斷服務(wù)子程序等模塊實(shí)現(xiàn)計(jì)時(shí)器功能和實(shí)時(shí)更新計(jì)時(shí)值，采用多次循環(huán)實(shí)現(xiàn)了南北、東西方向的交通燈狀態(tài)交替控制[10]。在程序運(yùn)行過程中，不斷更新倒計(jì)時(shí)緩沖區(qū)，通過七段數(shù)碼管以及控制位及時(shí)顯示當(dāng)前交通燈的狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了可視化界面的處理，達(dá)到合理規(guī)劃道路交通的目的。程序通過編碼發(fā)送子函數(shù)SDCODE實(shí)現(xiàn)了對PT2262無線通信模塊的調(diào)用和交通燈控制，使通信模塊和交通燈模塊配合良好。不同模塊相互獨(dú)立，提高了系統(tǒng)的魯棒性和可維護(hù)性。

主函數(shù)先將所有交通燈置為紅燈，等待計(jì)時(shí)開始。在循環(huán)中，分別控制南北、東西方向的交通燈狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)其紅綠燈交替循環(huán)的效果。在定時(shí)器中斷函數(shù)中，實(shí)現(xiàn)計(jì)時(shí)器功能并實(shí)時(shí)更新計(jì)時(shí)值。同時(shí)，更新緩沖子函數(shù)RFBUFF和7段數(shù)碼管顯示函數(shù)DISPLAY，合理顯示計(jì)時(shí)值。該程序采用多種技術(shù)手段協(xié)同工作，如編碼發(fā)送方式、定時(shí)器控制方式、計(jì)時(shí)器技術(shù)等，從而實(shí)現(xiàn)了智能化、精準(zhǔn)化的交通流量掌控。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用Altium Designer 20軟件設(shè)計(jì)硬件電路，各模塊電路如圖4～圖6所示。系統(tǒng)主要由紅綠燈控制模塊、無線編碼發(fā)射模塊和無線數(shù)據(jù)接收模塊組成。

2.1 紅綠燈控制模塊的設(shè)計(jì)

該模塊主要包含主控芯片和紅綠燈控制模塊及其他外圍電路，置于交通路口，軟件控制模擬紅綠燈按照系統(tǒng)設(shè)定變化。單片機(jī)作為紅綠燈模塊主控芯片，各引腳功能及連線如圖4所示。將P2.0～P2.7定義為紅綠燈控制位，采取共陽極接法，其中P2.0～P2.3分別控制南北方向十位變化、南北方向個(gè)位變化、東西方向十位變化、東西方向個(gè)位變化；P2.4～P2.7分別為南北方向綠燈控制引腳、南北方向紅燈控制引腳、東西方向綠燈控制引腳、東西方向紅燈控制引腳。將P1.0～P1.3定義為南北方向無線發(fā)射裝置控制引腳，P1.4～P1.7為東西方向無線發(fā)射裝置控制引腳。

2.2 無限編碼發(fā)射模板的設(shè)計(jì)

該模塊如圖5所示。模塊包括數(shù)據(jù)編碼芯片、控制芯片及無線發(fā)射功率調(diào)整電路。數(shù)據(jù)編碼芯片采用6通道電控PT2262無線數(shù)據(jù)發(fā)射模塊，發(fā)出的編碼信號由地址碼、數(shù)據(jù)碼、同步碼組成，用以設(shè)計(jì)特殊編碼信息，向駛?cè)虢煌房诒O(jiān)測范圍內(nèi)的非機(jī)動車發(fā)射編碼信號，發(fā)射距離可根據(jù)實(shí)際交通路口調(diào)節(jié)；PT2262共有18個(gè)引腳，最多可提供12位

（A0～A11）三態(tài)地址端管腳（懸空、接高電平、接低電平）以及6位數(shù)據(jù)引腳，任意組合可提供531441地址碼。主控芯片由單片機(jī)實(shí)現(xiàn)，為提高穩(wěn)定性，使PT2262模塊的使能引腳與單片機(jī)相連。

芯片會在引腳電平置高時(shí)連續(xù)發(fā)送信號，所以電平置高的時(shí)間越長，發(fā)送信息的次數(shù)也就越多。但如果電平置高時(shí)間過長，將增加電路功耗并降低無線遙控的實(shí)時(shí)性。因此，需要精確控制電平置高的時(shí)間以達(dá)到最佳工作狀態(tài)。電平置高時(shí)長可通過程序設(shè)定，測試得出，單片機(jī)置高時(shí)長為

200 ms時(shí)通信效果最佳。若時(shí)間過短，則受到外界干擾和噪聲影響的可能性增大。因此，提高電平輸出時(shí)間是有效的抗干擾手段。

2.3 無線數(shù)據(jù)接收模塊的設(shè)計(jì)

接收端如圖6所示，其主要由PT2272無線數(shù)據(jù)接收模塊、解碼芯片、LED提示燈模塊、蜂鳴器提示模塊[11]、電機(jī)控速模塊以及上述模塊的抗干擾外圍電路組成。該模塊安裝于非機(jī)動車上，解碼芯片檢測無線數(shù)據(jù)接收模塊接收到的編碼并對其進(jìn)行判斷，PT2272接收來自無線發(fā)射模塊發(fā)送的信息編碼并作出反應(yīng)。

3 系統(tǒng)仿真與實(shí)物測試

3.1 系統(tǒng)仿真測試

為測試系統(tǒng)電路性能，采用Proteus軟件對整體電路進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖7所示。電路主要由單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊、交通指示燈模塊、信息無線發(fā)射模塊、車載信息接收模塊、聲音警報(bào)模塊、光電提醒模塊和車速控制模塊組成，仿真測試完全達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，效果良好。

3.2 無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊測試

通常交通距離信號燈的通信距離不超過50 m，并且不會存在遮擋。為了驗(yàn)證可靠性及穩(wěn)定性，本系統(tǒng)以無遮擋為前提，在不同距離不同天氣狀況下做了多組實(shí)驗(yàn)，統(tǒng)計(jì)了12次

信號收發(fā)通信準(zhǔn)確率，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1所列。

結(jié)果顯示，最終系統(tǒng)的總體穩(wěn)定性達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，在60 m及以下不同天氣條件下均可實(shí)現(xiàn)100%的通信準(zhǔn)確性，在100 m通信距離且天氣晴朗的戶外條件下系統(tǒng)通信的準(zhǔn)確率達(dá)到80%。在實(shí)驗(yàn)中，MCU工作穩(wěn)定，未出現(xiàn)“死機(jī)”情況，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與結(jié)果均與預(yù)期一致。

3.3 系統(tǒng)整體調(diào)試

系統(tǒng)在東西南北4個(gè)方向各放置1組交通紅綠燈，用于模擬實(shí)際交通環(huán)境，發(fā)射裝置放置在十字路口中央，接收裝置放置在非機(jī)動車上，如圖8（a）所示。首先使非機(jī)動車從東西方向駛來，當(dāng)進(jìn)入人行橫道覆蓋范圍時(shí)，非機(jī)動車警示燈閃爍，蜂鳴器報(bào)警，電機(jī)降速，當(dāng)駛離人行橫道時(shí)，非機(jī)動車恢復(fù)正常模式，實(shí)驗(yàn)如圖8（b）所示。再次使非機(jī)動車自南北駛來，同樣能實(shí)現(xiàn)上述功能。其中，交通信號燈模塊、接收模塊和發(fā)射模塊焊接實(shí)物及實(shí)驗(yàn)演示分別

如圖8（c）～圖8（e）所示。

從上述分析可知，本設(shè)計(jì)有效可行，當(dāng)非機(jī)動車進(jìn)入人行橫道發(fā)射系統(tǒng)覆蓋范圍時(shí)，能降低電機(jī)轉(zhuǎn)速并以蜂鳴器、警示燈提醒非機(jī)動車駕駛員，可有效降低人行橫道交通事故發(fā)生率，保障行車安全，為非機(jī)動車安全駕駛、群眾出行保駕護(hù)航[12]。

4 結(jié) 語

本系統(tǒng)搭建的無線遙控交通燈系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)聲光預(yù)警、自動控速功能。無線信息發(fā)射電路經(jīng)過實(shí)際測試，遙控距離可控且超過100 m，并且采用的特殊編碼能夠穩(wěn)定接收信號，實(shí)現(xiàn)信息感知。其電路易于實(shí)現(xiàn)、控制靈活、性價(jià)比高、抗干擾能力強(qiáng)，具有很強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值，能夠協(xié)助交警在交通高峰期有效疏導(dǎo)交通[13]。本交通系統(tǒng)的設(shè)計(jì)讓無生命的物體具備智能感知能力，減少了十字路口的安全隱患，與創(chuàng)建文明城市、實(shí)現(xiàn)可持續(xù)交通系統(tǒng)的觀念不謀而合。如果可以作為未來智能交通系統(tǒng)的一部分，必將起到緩解交通壓力、提高社會資源利用率的作用[14]。

注：本文通訊作者為李春樹。

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收稿日期：2023-04-13 修回日期：2023-05-17

作者簡介：馬家琪（2001—），女，碩士研究生，研究方向?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)工程、電磁場與微波技術(shù)。

李春樹（1974—），男，教授，博士，研究方向?yàn)闊o線通信、信道編碼及圖像處理等。

來 翔（1999—），男，碩士研究生，研究方向?yàn)榍度胧?、圖像處理。