◆陳哲來 潘 鈺 梁大偉

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基于ARM的交通燈控制系統(tǒng)的設(shè)計

◆陳哲來 潘 鈺 梁大偉

（江蘇警官學(xué)院 江蘇 210031）

交通燈控制著人來人往，但是固化的交通燈控制系統(tǒng)，不僅無法處置突發(fā)狀況，而且也是一種時間上的浪費。本課題將設(shè)計一種智能化交通燈信號燈系統(tǒng)，在正常路口信號燈運行基礎(chǔ)上，緩解交通擁堵現(xiàn)象，節(jié)省時間和費用。

公安技術(shù)類；智能；交通燈

0 引言

伴隨著社會經(jīng)濟的逐步發(fā)展，道路使用者數(shù)量也在不斷增加，現(xiàn)有交通設(shè)施提供的資源有限，城市交通問題已經(jīng)成為人們所關(guān)注的熱點。與此同時，世界各地的自駕游日益增多，私家車的數(shù)量急劇增加，國內(nèi)交通燈控制系統(tǒng)的問題逐漸顯現(xiàn)，其他國家也需要對其本國的交通燈控制系統(tǒng)做出優(yōu)化，以便更好適應(yīng)這種不斷增長的需求?；趥鹘y(tǒng)交通燈控制系統(tǒng)設(shè)計過于死板，紅綠燈交替時間過于程式化的缺點，智能交通燈控制系統(tǒng)的設(shè)計就顯示出了它的研究意義。

1 交通信號控制系統(tǒng)國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

交通信號控制系統(tǒng)是現(xiàn)代城市交通控制和疏導(dǎo)的主要措施。平面交叉路口，作為城市交通的基本組成部分之一，其通行能力是解決城市交通問題的核心，而交通信號燈又是平面交叉路口必不可少的交通控制手段。伴隨著計算機技術(shù)和自動控制技術(shù)的發(fā)展，以及交通流理論的不斷發(fā)展完善,交通運輸組織與優(yōu)化理論、技術(shù)的不斷提高,國內(nèi)外逐漸形成了一批高水平有實效的城市道路交通控制系統(tǒng)[1]。本次課題從交通燈控制系統(tǒng)這個點切入，進行相關(guān)研究。

2 智能交通燈控制系統(tǒng)的設(shè)想

本文采用軟件和硬件相結(jié)合的設(shè)計方案，自動控制十字路口四組紅、綠交通燈的狀態(tài)轉(zhuǎn)換，指揮各種車輛和行人安全通行，實現(xiàn)道路的最大通行效率，減輕交警路面指揮壓力。

2.1 Arduino系統(tǒng)簡介

選用Arduino Due作為本次實驗的控制板，和其他Arduino控制板不同的是，它是第一塊基于32位ARM核心的Arduino控制板，比以往使用8位AVR核心的其他Arduino更加強大；內(nèi)部集成DMA控制器，極大地提高了運算速度；同時擁有84Mhz的CPU時鐘頻率、96KBytes的SRAM和512KBytes的Flash，能滿足更快速度和更大存儲容量的應(yīng)用需求。需要注意的是，Arduino Due的運行電壓是3.3V，I/O引腳的最大容忍電壓是3.3V，所以實驗過程必須確保將電壓控制在3.3V以下[2]。

2.2 ESP8266模塊

這個小模塊允許微控制器連接到Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)，并使用Hayes風格的命令進行簡單的TCP/IP連接。處理器基于Tensilica Xtensa Diamond Standard 106Micro的L106 32位RISC微處理器內(nèi)核，運行頻率為80 MHz。內(nèi)存如下：

（1）32KB指令RAM；

（2）32KB指令緩存RAM；

（3）80KB用戶數(shù)據(jù)RAM；

（4）16KB ETS系統(tǒng)數(shù)據(jù)RAM。

外部QSPI flash：支持最高16MB（通常包括51 KB至4MB）。 ESP8266引腳排列如表1所示：

表1 ESP8266引腳排列

2.3 實驗規(guī)劃

移動端和交通信號燈硬件互聯(lián)采用網(wǎng)絡(luò)層的TCP/IP協(xié)議，TCP（Transmission Control Protocol 傳輸控制協(xié)議）是一種面向連接的、可靠的、基于字節(jié)流的傳輸層通信協(xié)議。[3]實現(xiàn)該協(xié)議傳輸硬件端使用esp8266WIFI模塊，通過硬件端的Arduino Due與esp8266的串口通信，將AT指令傳輸給WIFI模塊，該模塊在收到指令后可以按照指令完成配置功能，選擇模式，發(fā)送數(shù)據(jù)等相關(guān)任務(wù)。移動端使用套接字與esp8266通信，移動端將指令用TCP數(shù)據(jù)包的形式發(fā)送給esp8266模塊，esp8266收到指令后通過串口傳給Arduino Due單片機，單片機按照程序的指令映射控制紅綠燈的變化。

3 功能介紹

嵌入了單片機的加通紅綠燈信號系統(tǒng)使得交通警察可以在Android平臺終端，例如手機，平板等，通過Wi-Fi協(xié)議遠程連接周邊的交通信號燈，實現(xiàn)監(jiān)視，調(diào)控等功能。程序設(shè)計分為三種模式：監(jiān)視模式、手動模式、應(yīng)急模式。

通常情況下，信號燈按照原指令運行，需要時，交警打開移動終端的Wi-Fi，連接上紅綠燈發(fā)出的信號，輸入用戶名密碼即可以進入監(jiān)視模式。監(jiān)視模式下，紅綠燈的當前狀態(tài)會實時顯示在手機屏幕上，包括倒計時、信號燈目前顏色、紅綠燈參數(shù)，部分帶有太陽能電池的紅綠燈也應(yīng)當在屏幕上顯示剩余電量。如遇特殊情況,軟件允許交警立刻切換為應(yīng)急模式，以此應(yīng)對不同的緊急情況，例如：火情，警情，大型活動道路管控等。此情形下，交警可以對多個街區(qū)的道路信號燈進行統(tǒng)籌管理，而不需要對單獨的紅綠燈進行設(shè)置，只需選擇具體路線,再啟動所需模式和預(yù)設(shè)的應(yīng)急方案，即可完成對路面的管控。極端情況下，可以使用純手動模式，完全按照人工指令來顯示需要的紅綠燈模式,但是此模式必須使用授權(quán)碼才可以進入。

4 模塊化設(shè)計與編程

4.1 Arduino Due與esp8266的串口通信

Arduino串口用于Arduino電路板之間、Arduino與電腦、Arduino與其他串口設(shè)備之間的通信,大部分Arduino板使用數(shù)字引腳0(RX)和1(TX)進行串口通信時都使用“Serial”,數(shù)字引腳0(RX)和1(TX)與Arduino USB接口的讀和寫引腳是公用的。所以在程序上傳時數(shù)字引腳0(RX)和1(TX)不可以接其他串口設(shè)備，否則會出現(xiàn)上傳錯誤的情況。Arduino Due 有三個額外的串口（3.3V TTL）：Serial1對應(yīng)數(shù)字引腳19 (RX) and 18 (TX)；Serial2 對應(yīng)數(shù)字引腳17 (RX) and 16 (TX)；Serial3 對應(yīng)數(shù)字引腳15 (RX) and 14 (TX)。本項目使用serial1，也就是19 (RX) and 18 (TX)兩對數(shù)字引腳與esp8266模塊通信，其他引腳用來連接交通信號燈和傳感器等。

圖1 主模塊與控制板連接示意圖

4.1.1 ESP8266預(yù)配置

ESP8266支持flash，在正式連接其與電路板時，先使用串口轉(zhuǎn)USB工具對其進行預(yù)配置，這種配置會直接保存入FLASH,查詢版本固件號：AT+GMR，必要的話，更新ESP8266的版本固件。具體配置指令如下：

（1）AT+CWMODE_DEF = 2；//設(shè)置當前 Wi-Fi 模式并保存到 Flash（1: Station 模式，2: SoftAP 模式，3：SoftAP+Station 模式）；

（2）AT+CWSAP_DEF = , , , [, ][,

4.1.2 ESP8266與Arduino Due接線

配置完成后按照表2將Arduino Due與ESP8266連接:

表2 Arduino Due與ESP8266連接對應(yīng)表

4.1.3嵌入AT指令對ESP8266初始化

每次對Arduino Due上電都包括對esp8266的初始化。將AT指令編入Arduino Due控制板中，在setup()函數(shù)中調(diào)用初始化函數(shù)。初始化核心步驟如下：

（1）AT；

（2）AT + RST//重啟；

（3）AT + CIPMUX=1//多連接模式（0：單連接模式，1：多連接模式）；

（4）AT+CIPSERVER=1,8080 //建立TCP服務(wù)器，端口號8080。

4.2 通信Function和Method

使用初始化函數(shù)建立起Arduino Due與esp8266的穩(wěn)定通信渠道后，Arduino與esp8266開始進行數(shù)據(jù)交換，主要采用的為print()函數(shù)和AT+CIPSEND指令，該函數(shù)可以將AT指令從串口從Arduino Due發(fā)送至esp8266模塊，esp8266模塊在接收到AT+CIPSEND指令后可以將數(shù)據(jù)通過Wi-Fi發(fā)送給已連接的客戶端(Client)，客戶端使用readLine()來讀取信息；同理，客戶端使用write()函數(shù)向esp8266發(fā)送指令，esp8266讀取指令后，再用print()函數(shù)，將指令傳給Arduino due。通訊示意圖如圖2。

圖2 通訊示意圖

4.3 移動端部分

移動端開發(fā)主要采用Android Studio。Android Studio是谷歌推出的一個Android集成開發(fā)工具，在IDEA的基礎(chǔ)上，Android Studio 提供了功能強大的布局編輯器，可以拖拉 UI控件并進行效果預(yù)覽。

4.3.1用戶界面設(shè)計（User Interface）

圖3 用戶界面設(shè)計流程圖

4.3.2套接字程序設(shè)計（Socket）

套接字是TCP用主機的IP地址加上主機上的端口號作為TCP連接的端點。

Socket被服務(wù)器端用來識別連入的客戶端，使用stream來進行通訊：getOutputStream()，getInputStream()。

因為本服務(wù)器端支持多客戶端連接，服務(wù)器采用線程（Thread）來連接多客戶端，以此提高效率避免blocks。

圖4 ObjectStream客戶端----服務(wù)器時間線

圖5 多線程服務(wù)器時間線

5 展望

對多個交通紅綠燈信號分析是必然趨勢，Maram Bani Younes 和Azzedine Boukerche 在An Intelligent Traffic Light Scheduling Algorithm Through VANETs文中提到了ITLC算法，其旨在減少每個道路交叉口的等待延遲時間并增加路口單位時間內(nèi)的車流量，該算法通過分析環(huán)境交通流的交通車流量特性，使得每個交通燈處的排隊延遲減少了25%，車流量增加了30%。該算法利用Ad-hoc技術(shù)收集每個環(huán)境交通流量的實時交通特征，準備區(qū)域被劃分在信號化道路交叉點，以確定每個階段的最大允許時間[4]。

交通規(guī)劃者長期使用歷史數(shù)據(jù)來制定信號燈方案，優(yōu)化“綠燈時間”以改善交通流量，這些復(fù)雜的系統(tǒng)會使用不同時間、日期、計劃和傳感器來檢測等待紅燈的車輛。美國猶他州交通局可以在30秒內(nèi)調(diào)整該州的幾乎所有信號，其擁有來自一千多個閉路攝像機的數(shù)據(jù)，可遠程控制該州80％以上的交通信號燈。不同于以往使用人力來監(jiān)測和響應(yīng)交通流量，新信號使用雷達傳感器和攝像頭來檢測交通狀態(tài)，使用復(fù)雜的算法根據(jù)實時情況立即調(diào)整交通信號燈。匹茲堡卡內(nèi)基梅隆大學(xué)機器人研究所的史蒂芬·史密斯教授和他的團隊在2012年安裝了9個智能信號，并獲得了立竿見影的結(jié)果。通過道路的行程時間縮短了25％，閑置時間下降了40％，車輛排放量下降了20％[5]。

最終，交通信號燈可能會實現(xiàn)在無須“預(yù)測”交通車流量的情況下，與交通工具相連接，直接“詢問”車輛出行方案，并以此為依據(jù)改變相應(yīng)的交通信號燈計劃。

[1]畢海濱,劉玉德,林建龍, et al.交通信號控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀與發(fā)展對策[J].北京工商大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版, 2008, 26(1):29-32.

[2]樂鑫信息科技.ESP8266 AT指令集，版本3.0.1.

[3]university of Purdue - CS18000: Problem Solving and Object- Oriented Programming - JAVA Networking.

[4]Bani Younes M , Boukerche A . [IEEE 2014 IEEE 39th Conference on Local Computer Networks Workshops (LCN Workshops) - Edmonton, AB, Canada (2014.9.8-2014.9.11)] 39th Annual IEEE Conference on Local Computer Networks Workshops - An Intelligent Traffic Light scheduling algorithm through VANETs[J]. 2014:637-642.

[5]Barry K . The Traffic Lights of Tomorrow Will Actively Manage Congestion[J]. Korean Journal of Radiology Official Journal of the Korean Radiological Society, 2014, 16(4):936-41.

江蘇警官學(xué)院大學(xué)生實踐創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目資助（編號：201810329029Y）。