宋嘉煒 張程譽(yù) 何思卓

（海軍工程大學(xué)電子工程學(xué)院 武漢 430033）

1 引言

隨著社會的不斷發(fā)展進(jìn)步，“智能城市”的建設(shè)少不了有智能的交通燈控制系統(tǒng)，在車流量日益增大的趨勢下，城市對車輛管理的重要性也顯得尤為重要，這就考驗著交通燈控制系統(tǒng)的邏輯功能，它時刻關(guān)系著人們出行的效率［1］。在這些要求下，交通燈的性能面臨巨大挑戰(zhàn)；早上七點到八點期間和晚上六點到七點之間都是這流量會明顯攀升的高峰期，事故隱患也成倍的增加；而在零點以后，車輛較少，加上我國目前開始采用光電系統(tǒng)，夜晚持續(xù)照明不僅會浪費電能，同時容易損壞電池，導(dǎo)致路燈使用壽命縮短；一旦失效，帶來的便是混亂的交通甚至事故，給人們出行帶來嚴(yán)重不便。因此，急需研究一種具有車流量監(jiān)測功能的交通燈。

隨著現(xiàn)代科技的不斷進(jìn)步和發(fā)展，設(shè)計了一種采用交通監(jiān)控和交通信號燈控制算法，以替代傳統(tǒng)的交通自適應(yīng)控制算法［2］。分為三個模塊進(jìn)行介紹：首先是設(shè)計具有常規(guī)控制系統(tǒng)功能的路燈控制系統(tǒng)模塊，它可以完成基本的路燈控制和完備的計時器功能；其次在此基礎(chǔ)上設(shè)計具有判斷功能的系統(tǒng)模塊，通過傳感器來獲取晝夜情況和天氣情況，從而判斷燈的亮滅，若亮則繼續(xù)判斷用何種方式來確定準(zhǔn)確的綠燈時間，從而減少了平均延遲時間，一改以往時間固定的模式；最后是上傳功能的優(yōu)化設(shè)計模塊，利用以往和現(xiàn)采集的數(shù)據(jù)對路況進(jìn)行實時分析，給綠燈時間提供數(shù)據(jù)支持，并且能夠及時上報路況和交通燈受損情況，以便相關(guān)部門及時處理［3］。

2 常規(guī)交通燈控制器的設(shè)計

2.1 設(shè)計要求

各路口均設(shè)紅，綠，黃三色信號燈，任意時刻三色燈中只能有一個亮，綠燈亮允許通行，紅燈亮禁止通行，黃燈亮適用于等待，各路口均設(shè)2 位數(shù)碼管，顯示放行時間和黃燈亮的時間。要求每次綠燈綠燈變紅燈時，黃燈先亮5s；各路口要有數(shù)字顯示，時間均以秒為單位作減技術(shù)［4］；主干道通行時間可在0s～99s 之間待定。通過分析可以得到常規(guī)交通燈的初步結(jié)構(gòu)框圖如圖所示。它主要由時鐘單元電路，狀態(tài)控制器，狀態(tài)譯碼器，減計數(shù)器及顯示電路組成。狀態(tài)控制器為核心部分，由它來控制交通燈四個路口的燈光亮暗情況，通過狀態(tài)譯碼器點亮當(dāng)前狀態(tài)下的信號燈；時鐘單元是該系統(tǒng)中控制器的標(biāo)準(zhǔn)時鐘信號源；減計數(shù)器通過對秒脈沖計數(shù)來控制系統(tǒng)每一種狀態(tài)的持續(xù)時間；狀態(tài)譯碼器根據(jù)系統(tǒng)即將處于的狀態(tài)決定計數(shù)器下一次減計數(shù)從何初值開始更有利于道路交通［5］。

2.2 時鐘單元電路

該時鐘單元電路是由555 定時器構(gòu)成的多諧振蕩器，該控制系統(tǒng)的單位是秒，因此為秒脈沖發(fā)生器，且其對信號的精度要求不高。555 定時器構(gòu)成的秒脈沖CP1的周期為

取T=1s，令C=10uF，R1=50kΩ，取一個固定電阻47kΩ與一個5kΩ的電位器串聯(lián)代替電阻R2。根據(jù)計算結(jié)果，脈沖發(fā)生器設(shè)計如圖1。

圖1 秒脈沖信號發(fā)生電路

它向計數(shù)電路提供的秒計時CP脈沖。

2.3 狀態(tài)控制器

狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如圖所示，各狀態(tài)說明如下：

狀態(tài)1：主干道綠燈亮，允許通行；支干道紅燈亮，禁止通行。

狀態(tài)2：主干道黃燈亮，停車；支干道紅燈亮，禁止通行。

狀態(tài)3：主干道紅燈亮，禁止通行；支干道綠燈亮，允許通行。

狀態(tài)4：主干道紅燈亮，禁止通行；支干道黃燈亮，停車。

首先把這4 中狀態(tài)以數(shù)字的形式表示出來?？捎? 位二進(jìn)制數(shù)表示所需狀態(tài)，循環(huán)狀態(tài)（00—01—11—10—00），再利用74LS112（雙下降沿JK觸發(fā)器）設(shè)計模4 計數(shù)器作為主控部分電路。狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如圖2所示。

圖2 狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖

2.4 狀態(tài)譯碼器

狀態(tài)譯碼器主要是將狀態(tài)控制器輸出信號譯碼后驅(qū)動相應(yīng)信號燈，利用門電路即可實現(xiàn)，信號真值表如表1所示。

表1 信號真值表

2.5 減計數(shù)器

用兩片74LS192構(gòu)成2位十進(jìn)制可預(yù)置數(shù)的減計數(shù)器，用三片8 路三態(tài)緩沖門74LS245 實現(xiàn)計數(shù)器分時置數(shù)控制，分別設(shè)置主支干道的通行時間和黃燈亮的時間，減計數(shù)器回零瞬間，狀態(tài)控制器翻轉(zhuǎn)為下一個新狀態(tài)，狀態(tài)譯碼器完成換燈同時選通下一片74LS245，計數(shù)器置入新的定時值，開始新狀態(tài)下的減計數(shù)。

3 系統(tǒng)設(shè)計

在常規(guī)交通燈設(shè)計的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，優(yōu)化后的系統(tǒng)整體的工作方式為，該智能燈控制系統(tǒng)的監(jiān)測中心服務(wù)器對整個路燈控制系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一管理，

首先會通過光傳感器采集數(shù)據(jù)判斷晝夜情況，若光傳感器判斷此刻為夜晚，并且有足夠的電能保證工作，則進(jìn)入下一個數(shù)值選擇器，該選擇器旨在判斷由采集數(shù)據(jù)計算出來的實時車流量數(shù)值是否大于基于道路寬窄等固定參數(shù)計算出來的擁擠和疏通的臨界值，其次若沒有大于臨界值，則進(jìn)入空氣質(zhì)量采集單元，此傳感器集合濕度采集模塊，霧霾采集模塊等，通過或非門判斷天氣情況，判斷結(jié)果若為空氣質(zhì)量良好，則關(guān)閉交通燈已達(dá)到節(jié)約和保護(hù)作用，若空氣質(zhì)量達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)，則保持交通燈的正常運(yùn)行，防止事故的發(fā)生；若大于臨界值，則省略上面的步驟，直接保持交通燈的正常運(yùn)行。若一開始判斷為白天，則交通燈在正常運(yùn)行的同時啟動充電功能。

最后進(jìn)入空氣質(zhì)量采集單元，若空氣質(zhì)量良好，則利用俯瞰攝像的方式利用軟件分析此刻車流量的大小，并用計算出的數(shù)據(jù)來進(jìn)一步確定綠燈時間，舒緩交通壓力；若空氣質(zhì)量未達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，則利用估算系統(tǒng)對車流量進(jìn)行實時準(zhǔn)確的估算來確定綠燈時間，進(jìn)而達(dá)到預(yù)定的目的。系統(tǒng)框圖如圖3 所示。

圖3 系統(tǒng)工作流程框圖

3.1 空氣質(zhì)量采集單元

如圖4 為空氣質(zhì)量采集單元框圖，主要負(fù)責(zé)路口周邊的環(huán)境參數(shù)，采集的參數(shù)包括濕度采集單元，霧霾采集單元和光照采集單元，該模塊是一個模塊化裝置，可以實時將參數(shù)傳達(dá)至控制總線進(jìn)行進(jìn)一步處理便于管理和拓展。空氣質(zhì)量采集單元集合濕度傳感器HM1500LF 采集周圍路口的濕度參數(shù)，霧霾傳感器DSM510 采集當(dāng)天的實時霧霾參數(shù)和光傳感器BH1750FVI 判斷晝夜情況。同時將光傳感器，濕度傳感器和霧霾傳感器通過或非門連接，若有一個未達(dá)到預(yù)定質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，都會導(dǎo)致交通燈進(jìn)入自動控制系統(tǒng)而正常工作，只有都達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)才會輸出0來關(guān)閉交通燈。

圖4 空氣質(zhì)量采集單元

3.2 俯瞰攝影單元

如今，攝像頭基本覆蓋每個街道的各個路口，設(shè)計攝像頭的初衷在于防止道路交通紊亂，進(jìn)行違章拍照等。若將攝像頭的功能進(jìn)一步改進(jìn)，在白天且空氣質(zhì)量良好的情況下啟動實時攝像并將畫面導(dǎo)入軟件中，將攝影中的車輛量化，量化包含單位時間的車流量和車型大小，利用車型查找車輛長寬和質(zhì)量等數(shù)據(jù)，結(jié)合汽車的數(shù)量，計算出該時刻的相對車流量大小，利用此數(shù)值便可進(jìn)一步確定綠燈的時間，減緩交通壓力。

3.3 估算單元

對于交通燈控制器來說，最重要的信息是每個信號組的隊列長度。因此，提出了改進(jìn)隊列測量的三種算法。第一次使用GPS 數(shù)據(jù)，是以為車載GPS是未來的趨勢，同時結(jié)合同路口歷史車輛行駛方向百分比來確定車輛是否排隊向右轉(zhuǎn)、向左或向右行駛。此設(shè)計好處在于隨著時間的推移，沒有積累錯誤的優(yōu)勢。第二種算法還使用了交通燈狀態(tài)的信息，并利用加速車輛的波浪速度模型確定了綠色開始時的排隊長度，車輛僅在交叉口上游檢測一次，其到達(dá)時間以平均速度為模型。第三種算法是低滲透，結(jié)合傳統(tǒng)的停止線檢測與合作檢測來估計隊列長度。將前兩種算法與傳統(tǒng)的隊列估計算法進(jìn)行了比較，并將平均隊列估計誤差從5.6 個提高到2.6，而對GPS 算法和波速算法的平均隊列估計誤差為1.7，該算法不考慮將百分比轉(zhuǎn)化為考慮因素，模擬對比了不同的場景［6］。這些算法隨后應(yīng)用到交通控制中，利用改進(jìn)的隊列估計可以更好地規(guī)劃放行多久后斷開綠燈。

4 優(yōu)化設(shè)計

4.1 設(shè)計目的

此設(shè)計旨在為整個控制系統(tǒng)提供技術(shù)保障，設(shè)計目的包括三大點：第一點是交通燈的自動控制系統(tǒng)，這是一個交通燈的最基本要求，利用普通的單片機(jī)即可完成；第二點是無線傳輸?shù)谋ＷC，這是為了讓車載GPS信號能及時傳輸?shù)浇K端，為進(jìn)一步的互聯(lián)網(wǎng)+和大數(shù)據(jù)的總結(jié)分析提供堅強(qiáng)有力的保障，同時還可以為一些輔助功能提供技術(shù)支持，包括交通燈的損壞情況的及時上報等。同時保證路燈之間的通信，此功能是為了保證監(jiān)測單元工作的準(zhǔn)確性，比如同一個路口對同一個方向進(jìn)行監(jiān)測，若東邊的檢測單元傳輸?shù)臄?shù)據(jù)和西邊上傳的數(shù)據(jù)不同，在實現(xiàn)路燈通信的情況下可以迅速地判斷錯誤并對檢測單元下重新監(jiān)測的指令，保證交通安全通暢［7］。第三種是路燈控制器，此單元可以及時分析無論檢測單元還是大數(shù)據(jù)的各種數(shù)據(jù)，并且控制各個單元工作。

4.2 路燈控制器

該控制器相當(dāng)于交通燈的心臟，是主控單元，本單元可以基于門電路來實現(xiàn)，此方法簡單方便，但是需要的數(shù)目太多，導(dǎo)致工作量太大。另一種是基于ARM7結(jié)構(gòu)的STM32F103芯片為控制器，用到可以通用的4 個定時器，2 個HC 接口，1 個FSMC 接口和112 個通用I/O 口［8］。該單元主要負(fù)責(zé)處理空氣質(zhì)量和相對車流量的數(shù)據(jù)，結(jié)合大數(shù)據(jù)判斷，并對各類情況進(jìn)行分析，判斷下一步進(jìn)入和指令。

4.3 無線傳輸

無線傳輸主要采用GPRS 和ZigBee 傳輸數(shù)據(jù)，之所以采用GPRS，是因為其可充分利用現(xiàn)有資源，方便，快捷；并且能實時的提供在線功能“alwaysonline”，這為用戶始終處于連線和在線狀態(tài)做了保證［9］；GPRS 傳輸速率高，最高可以達(dá)到115Kbps～170Kbs，下一代GPRS 預(yù)計可以達(dá)到384Kbit/s，其接入等待時間也較短，可以快速建立連接，一般在兩秒左右。其基于TPC/IP 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議并且控制GPRS網(wǎng)絡(luò)連接，利用的方式為透明傳輸，結(jié)合TPC協(xié)議實現(xiàn)從控制器到服務(wù)器的可靠連接。

ZigBee技術(shù)是一種低功耗，低成本的雙向無線通訊技術(shù)，是一種局域網(wǎng)協(xié)議，這很適合應(yīng)用于城市交通燈之間的通信，事實證明近距離更適合應(yīng)用ZigBee 技術(shù)，同時，一個星型結(jié)構(gòu)的ZigBee 網(wǎng)絡(luò)最多可以容納254 個從設(shè)備和一個主設(shè)備，且ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點還具有自動接收別的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點傳輸過來的數(shù)據(jù)資訊的特點［10］，并且結(jié)合自己信號覆蓋的范圍內(nèi)，和多個不承擔(dān)網(wǎng)絡(luò)信息中轉(zhuǎn)任務(wù)的孤立子節(jié)點無線連接［11］，這不僅提高了工作效率，也更大程度地保證了整個系統(tǒng)工作時的可靠性。ZigBee 路由算法是在網(wǎng)絡(luò)層定義的，MAC 層的數(shù)據(jù)傳輸模式為完全確認(rèn)模式，每個傳輸?shù)臄?shù)據(jù)資料都必須得到接收方的確認(rèn)信息，避免了沖突，同時還提供專用時隙為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)，避開了發(fā)送數(shù)據(jù)的競爭和沖突。ZigBee 模塊可采用2.4GHz 的CC2530，與單片機(jī)連接較為方便。

在現(xiàn)代城市中工作，難免會收到隨機(jī)信號的干擾使數(shù)據(jù)發(fā)生連接中斷情況，GPRS 能主動提供心跳包，檢測中心模塊會及時對數(shù)據(jù)連接進(jìn)行診斷，對重要數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r效性，完備性和優(yōu)先級的控制做出保障，同時有所有節(jié)點在局域網(wǎng)中連接在一起的特點，即任意兩個節(jié)點之間會通過多種方式連接，并且表現(xiàn)出清晰的去中心化態(tài)勢［12］。綜合以上要求，Mash 網(wǎng)絡(luò)便脫穎而出，其部署速度快，安裝簡單［13］，通常只需要連接電源并進(jìn)入配置頁面即可，再協(xié)調(diào)器選擇合適的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行建立，同時為自己分派一個0X0000 的短地址，其它網(wǎng)絡(luò)地址由協(xié)調(diào)器隨機(jī)分派，路由器節(jié)點按照一定的規(guī)則接入網(wǎng)絡(luò)，組成一個擁有協(xié)調(diào)器功能的系統(tǒng)，整個工作過程如圖5所示［14］。

圖5 事件傳輸處理流程圖

5 結(jié)語

本文設(shè)計了一種基于環(huán)境參數(shù)檢測單元，實時車流量檢測估算，GPRS，ZigBee 的具有車流量檢測功能的智能交通燈控制系統(tǒng)。系統(tǒng)可以判斷晝夜情況，完成對周邊壞境的采集，并且按照不同實際情況通過俯瞰或估算的方法確定綠燈時間，信息來自監(jiān)測單元，大數(shù)據(jù)等，利用自組網(wǎng)互相分享并通過GPRS 發(fā)送至檢測中心［15］。與傳統(tǒng)交通燈相比提高了出行效率，進(jìn)行了實時監(jiān)控，幫助市民規(guī)劃出行道路和方式，同時可以判斷晝夜，在一定情況下能節(jié)約能源，延長路燈壽命；系統(tǒng)可以實時報修故障情況，減少了后期大量人力的投入；環(huán)境檢測單元還可以為環(huán)境部門提供精確到街道的環(huán)境信息，進(jìn)一步提高了預(yù)報水平和實時性。