邢啟明，孫寧

（南京林業(yè)大學(xué)汽車(chē)與交通工程學(xué)院，江蘇南京 210037）

城市道路上小汽車(chē)的數(shù)量快速增加，上、下學(xué)期間數(shù)量龐大的私家車(chē)治理缺乏精細(xì)化設(shè)計(jì)[1]，嚴(yán)重影響了學(xué)生的生命安全。傳統(tǒng)對(duì)學(xué)校周邊道路交通信息的獲取方式已經(jīng)不能高效解決學(xué)生上、下學(xué)期間的交通擁堵問(wèn)題。目前，鄒建初等人對(duì)車(chē)位檢測(cè)的研究，雖在一定程度上提高了車(chē)位利用率，但無(wú)法適用于學(xué)校周邊道路車(chē)位的檢測(cè)[2]。晏勇等人對(duì)信號(hào)燈控制的研究也只能通過(guò)調(diào)整信號(hào)燈時(shí)長(zhǎng)緩解城市交通壓力，具有一定的局限性[3]。

文中設(shè)計(jì)的基于STM32 的學(xué)校周邊交通狀況監(jiān)測(cè)與調(diào)控系統(tǒng)，通過(guò)處理學(xué)校周邊道路交通狀況信息，迅速給有停車(chē)需求的用戶(hù)提供學(xué)校周邊的可用車(chē)位信息，監(jiān)測(cè)學(xué)校周邊道路的違章停車(chē)并給予警告，根據(jù)特殊情況調(diào)節(jié)信號(hào)燈指示狀態(tài)，數(shù)據(jù)傳遞方式為無(wú)線(xiàn)通信，有效緩解了學(xué)校周邊道路上、下學(xué)期間的交通壓力，保障了學(xué)生的生命安全[4-10]。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)以STM32 處理器為核心，完成學(xué)校周邊道路交通狀況的信息監(jiān)控。在學(xué)校區(qū)域大環(huán)境下，通過(guò)專(zhuān)用攝像機(jī)和GPS 獲取當(dāng)前學(xué)校區(qū)域可用的車(chē)位信息、交通信號(hào)燈信息、車(chē)流量以及違章停車(chē)信息，并發(fā)送給處理器，處理器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，判斷是否存在違章停車(chē)現(xiàn)象和有停車(chē)需求的機(jī)動(dòng)車(chē)，以及交通擁堵?tīng)顩r或者需要變更信號(hào)燈的特殊情況，發(fā)送給上位機(jī)管理系統(tǒng)，管理人員查看交通狀況信息，將所需車(chē)位或違章停車(chē)警告等信息發(fā)送給車(chē)輛，并對(duì)信號(hào)燈作出相應(yīng)的調(diào)整，數(shù)據(jù)傳遞通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)完成，促進(jìn)了友好型城市交通體系建設(shè)[11-14]，系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖

2 硬件電路設(shè)計(jì)

基于STM32 的學(xué)校周邊道路交通狀況監(jiān)測(cè)與調(diào)控系統(tǒng)的硬件主要包括供電模塊、主處理器模塊、無(wú)線(xiàn)通信模塊、攝像頭電路及GPS 電路。硬件設(shè)備以STM32 主處理器模塊為核心，其他模塊及供電模塊作為輔助，與處理器的串口連接，完成信息反饋和信號(hào)燈調(diào)控等。

2.1 供電模塊

系統(tǒng)中STM32 主處理器模塊采用2.0～3.6 V 直流電壓，無(wú)線(xiàn)通信模塊電路采用1.9～3.6 V 直流電壓，攝像頭模塊采用8～10 V 直流電壓，GPS 電路采用2.7～3.6 V 直流電壓。供電模塊選用SM7075-18 芯片，如圖2 所示，該芯片采用PWM 控制方式、BUCK系統(tǒng)方案，輸入電壓為220 V 交流電，可以保證輸出電壓為18 V，再用AMS1777-3 穩(wěn)壓器將18 V 電壓穩(wěn)定至3.3 V。系統(tǒng)可保證在過(guò)熱、過(guò)壓、過(guò)流、欠壓等情況下的安全，在滿(mǎn)足硬件設(shè)備電量需求的同時(shí)需考慮各個(gè)用電模塊的隔離[4]，具有原件少、成本低、高效率的特點(diǎn)。

圖2 供電模塊電路

2.2 處理器模塊

該系統(tǒng)的核心硬件是STM32 處理器，通過(guò)處理器對(duì)學(xué)校周邊道路的交通狀況信息進(jìn)行處理反饋，實(shí)現(xiàn)學(xué)校周邊道路交通狀況的快速監(jiān)測(cè)及信號(hào)燈的調(diào)控。處理器模塊電路如圖3 所示。

圖3 處理器模塊電路

STM32 是意法半導(dǎo)體(ST)公司出品的[5]，平均每個(gè)時(shí)鐘可執(zhí)行1.25 條指令，將電腦與單片機(jī)I/O 功能結(jié)合，具有非常高的信息處理能力。該芯片具有SPI、USB、UART 等功能[13]，可連接多種外設(shè)，具有成本低、功耗低、性能好的特點(diǎn)。攝像頭模塊和GPS 模塊發(fā)送的可用車(chē)位信息、違章停車(chē)信息、車(chē)流量以及信號(hào)燈狀態(tài)信息，經(jīng)過(guò)處理器的分析與處理，快速反饋給管理人員并執(zhí)行相應(yīng)的措施，確保了學(xué)校周邊道路的安全。

2.3 無(wú)線(xiàn)通信模塊

無(wú)線(xiàn)通信模塊選用LoRa 技術(shù)[6]，具有傳輸質(zhì)量穩(wěn)定、時(shí)效性顯著、高效快捷等特點(diǎn)，適合交通領(lǐng)域的使用。該技術(shù)可以利用1 GHz 以下載波，以傳輸速率支持1 Mbps、2 Mbps 的NRF24L401 單片無(wú)線(xiàn)芯片為核心，其工作頻率穩(wěn)定可靠、功耗低、靈敏度高、發(fā)射功率低，是當(dāng)前無(wú)線(xiàn)傳輸模塊的理想選擇。接口使用并行傳輸，可以完成攝像頭、車(chē)輛、信號(hào)燈、上位機(jī)管理系統(tǒng)的無(wú)線(xiàn)通信，實(shí)現(xiàn)信息的反饋及信號(hào)燈的調(diào)節(jié)。無(wú)線(xiàn)通信模塊電路如圖4 所示。

圖4 無(wú)線(xiàn)通信模塊電路

2.4 攝像頭電路

攝像頭以O(shè)V7251 圖像采集集成芯片為核心，采用8～10 V 電壓，分辨率大，可達(dá)640×480，傳輸速率快，最終實(shí)現(xiàn)視頻圖像數(shù)據(jù)的緩存與讀取，通過(guò)ZedBoard 的VGA 接口與顯示器實(shí)現(xiàn)視頻圖像的顯示[7]，能夠滿(mǎn)足學(xué)校周邊道路交通狀況監(jiān)測(cè)和調(diào)控的要求。攝像頭電路如圖5 所示。

圖5 攝像頭電路

2.5 GPS電路

目前，全球主要有四大定位導(dǎo)航系統(tǒng)，分別是GLONASS 衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、GPS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)和我國(guó)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，GPS 星導(dǎo)航系統(tǒng)相對(duì)來(lái)說(shuō)更有優(yōu)勢(shì)。

如圖6 所示，該系統(tǒng)選用的UM220-III L 芯片是UM220III NL 系列塊的第三代產(chǎn)品，包括BDS/GPS的高精度相對(duì)定位關(guān)鍵技術(shù)[8]，采用低功耗GNSS SoC 芯片-HumbirdTM，是現(xiàn)在市場(chǎng)上尺寸最小的GPS 模塊，其集成度高、應(yīng)用方便，非常適合對(duì)精確度要求較高的學(xué)校周邊區(qū)域的交通狀況監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。GPS 電路如圖6 所示。

圖6 GPS電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)選用Visual Basic 6.0，搭建學(xué)校周邊道路交通狀況監(jiān)測(cè)與調(diào)控系統(tǒng)的界面，如圖7 所示。

圖7 軟件主界面

軟件主界面是由道路兩側(cè)可用車(chē)位查詢(xún)、停車(chē)場(chǎng)信息查詢(xún)、交通信號(hào)燈控制、道路違章停車(chē)監(jiān)測(cè)、學(xué)校周邊道路攝像頭運(yùn)轉(zhuǎn)狀況、車(chē)流量歷史數(shù)據(jù)、個(gè)性化以及返回按鈕組成的，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)傳輸、監(jiān)控設(shè)施檢測(cè)、違章停車(chē)監(jiān)測(cè)以及信號(hào)燈調(diào)控、疫情相關(guān)車(chē)輛信息查詢(xún)等功能。

如圖8 所示，系統(tǒng)軟件的核心在于檢測(cè)學(xué)校周邊道路以及停車(chē)場(chǎng)可用車(chē)位的信息、交通信號(hào)燈的調(diào)控和違章停車(chē)，亦可以監(jiān)測(cè)監(jiān)控設(shè)施的可用性以及查看車(chē)流量歷史數(shù)據(jù)。普通用戶(hù)基本上只有瀏覽功能，并無(wú)信號(hào)燈控制、違章監(jiān)測(cè)、監(jiān)控設(shè)備和個(gè)性化設(shè)置的權(quán)限，而管理員享有所有操作權(quán)限。

圖8 系統(tǒng)軟件流程圖

上、下學(xué)期間私家車(chē)的停放已經(jīng)成為學(xué)校周邊交通管理中不可避免的問(wèn)題[9]，采用現(xiàn)代信息技術(shù)快速、準(zhǔn)確、醒目地告知駕駛員可用車(chē)位的具體位置是一個(gè)重要的課題[10]。圖9 是學(xué)校周邊可用車(chē)位查詢(xún)界面，管理員或者用戶(hù)可以一鍵查詢(xún)學(xué)校周邊不同道路或者停車(chē)場(chǎng)的可用車(chē)位信息，也可以觀測(cè)不同路段實(shí)時(shí)車(chē)流量等信息。管理員可以發(fā)送可用車(chē)位信息給有停車(chē)需求的車(chē)主，有利于高效緩解交通壓力，避免交通堵塞。

圖9 可用車(chē)位查詢(xún)界面

如圖10 所示，信號(hào)燈控制界面可以查看信號(hào)燈實(shí)時(shí)狀態(tài)，針對(duì)當(dāng)前路口交通信號(hào)燈智能控制優(yōu)化方法中存在的響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)等不足[11]，管理員可以通過(guò)選擇框快速調(diào)節(jié)信號(hào)燈指示狀態(tài)，點(diǎn)擊變更（在調(diào)整和復(fù)原前會(huì)有相應(yīng)的警告窗彈出，有效避免了誤調(diào)情況的發(fā)生）即可改變信號(hào)燈的指示狀態(tài)。如果需要將信號(hào)燈指示狀態(tài)復(fù)原，只需要點(diǎn)擊復(fù)原按鈕就能使信號(hào)燈恢復(fù)原始狀態(tài)，有效彌補(bǔ)了目前只能調(diào)整信號(hào)配時(shí)的缺陷，有利于在特殊情況下更加便捷快速地對(duì)信號(hào)燈進(jìn)行調(diào)控，保障道路正常通行。

圖10 信號(hào)燈控制界面

如圖11 所示，違章停車(chē)監(jiān)測(cè)界面可以查看學(xué)校周邊道路違章停車(chē)的實(shí)時(shí)監(jiān)控畫(huà)面。通過(guò)人工進(jìn)行視頻實(shí)時(shí)監(jiān)控或離線(xiàn)處理費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且效率低下[12]，但在該界面管理員可以點(diǎn)擊查看詳情，一鍵獲取有關(guān)車(chē)輛的詳細(xì)信息，記錄檔案并一鍵提醒挪車(chē)，有效監(jiān)督每個(gè)駕駛員的車(chē)輛停放行為，第一時(shí)間發(fā)出警告，確保良好的道路秩序[13-16]。

圖11 違章停車(chē)監(jiān)測(cè)界面

4 結(jié)束語(yǔ)

文中以STM32 主處理器為核心，通過(guò)專(zhuān)用攝像機(jī)和GPS 的信息采集，將數(shù)據(jù)傳輸給管理人員，管理人員發(fā)送信息給駕駛員或?qū)π盘?hào)燈指示狀態(tài)作出相應(yīng)的調(diào)整，各操作之間通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信完成。該設(shè)計(jì)方案適應(yīng)學(xué)校周邊道路情況，提高車(chē)輛通信效率，保障良好交通秩序，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可以在實(shí)踐中應(yīng)用。