基于CAN總線交通信號燈動態調整系統的設計

摘 要:傳統的紅綠燈控制系統一般采用固定的時間間隔切換紅綠燈時間，在路面出現擁堵后，由交管部門實行人工干預。這種方法低效、滯后，嚴重依賴于交管部門的工作效率。提出一種基于CAN總線紅綠燈動態調整系統，該系統利用國內道路上已經廣泛使用的環形線圈，實時采集路面數據，動態檢測交通狀態，在交通惡化前自動調整紅綠燈切換時間，在特殊情況下也可以遠距離人工干預。該系統簡單實用，具有良好的應用前景。關鍵詞:道路流量; 環形線圈; CAN; 動態調整

中圖分類號:TN911-33; TP216.1 文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)16-0083-03

Design of Dynamic Adjustment System for Traffic Lights Based on CAN Bus

JIN Xin1， TANG Rong-sheng2， NI Qian-qian1， KONG Rong1

(1. Wenzheng College， Suzhou University， Suzhou 215006， China;

2. Department of Physical Science Technology， Suzhou University， Suzhou 215006， China)

Abstract: Traditional traffic light control systems usually employ a uniform time interval. This method is low efficiency， has time lag and depends on the efficiency of traffic manage department. Traffic supervisors perform the intervention manually when traffic situation is bad enough and hardly do anything beforehand. A new method which employs CAN bus is proposed. This method changes traffic light interval dynamically by analyzing the traffic flux data acquired by loop coils. The intervention can also be performed remotely by the relevant department in special situation. The method has a good prospect of application.

Keywords: traffic flux; loop coil; CAN; dynamic adjustment

國內紅綠燈交通控制系統中紅綠燈切換時間廣泛采用固定或者分時段變化的時間間隔，或者由交通指揮中心根據交通狀況調整時間間隔，不能夠根據實際的交通狀況進行動態切換，也不能夠根據道路狀況預先干預，防止交通惡化。在極端情況下，可能會出現有車的方向紅燈禁行，沒車的方向綠燈通行的現象[1]。這種方式低效、嚴重依賴于交管部門的工作效率，且一般只能在交通惡化后才可能介入，不能提前預防。為此本文提出了一種基于CAN總線的紅綠燈動態調整系統，它能夠根據實際交通狀況實時調整紅綠燈時間，可以降低道路擁堵幾率，保障交通暢通。

1 總體設計方案

總體設計方案如圖1所示[2-3]。圖1(a)為每個路口的紅綠燈控制器，其中環形線圈和紅綠燈之間的虛線表示兩者之間的聯動關系。圖1(b)為系統框圖。每個路口的紅綠燈控制器通過CAN總線連接到控制中心。一般情況下，4個環形線圈車輛檢測器分別安裝在十字路口的四個方向，當有車輛經過環形線圈車輛檢測器時，產生高電平信號，該信號饋送至控制器。控制器對該信息進行計數、處理，并實時控制紅綠燈切換的時間，將道路調整到最佳通行狀態;同時控制器通過CAN總線將計算得到的相關數據傳送至控制中心及相關部門。控制中心可根據具體情況向社會公布，同時也可以向控制器發送指令，進行遠程人工干預。該系統具有實時性高、客觀、準確的優點，同時也可以降低交管部門的勞動強度。

2 基于CAN總線紅綠燈動態調整系統的硬件設計

系統硬件由環形線圈車輛檢測器、控制器和CAN收發模塊組成。其中環形線圈車輛檢測器可以采用目前國內部分路段已經埋設的產品，這樣可以降低資金的投入。

2.1 控制器設計

控制器采用ST公司的STR710作為中央處理單元。STR710具有14個外部中斷輸入，256 KB程序FLASH存儲器，64 KB內部RAM，5個定時器，比較適合處理有多個外部中斷源需要處理的場合[4]。控制器電路框圖如圖3所示。P2.5通過光耦連接到MAX485的DI端，控制紅綠燈的轉換;P2.4通過光耦連接到MAX485的DE端，使能MAX485發送功能。

圖1 總體設計方案

圖2 控制器電路

2.2 CAN收發模塊設計

CAN收發模塊由CAN總線收發器SN65-HVD230D和DB9組成[5-7] ，如圖3所示。

圖3 CAN收發模塊原理圖

圖3中R4為終端電阻;R1，R2為上拉電阻;R3為下拉電阻。

3 基于環形線圈的路況信息采集系統的軟件設計

3.1 算法原理

設t0為起始時間，檢測器以時間T為周期檢測時間段Si中的車輛的流量Q(Si)和道路占有率C(Si)。其中:

C(Si)=tHold(Si)T(1)

式中:tHold (Si)為1個周期中車輛處于線圈上的時間。

定義流量相對增量δQ(Si)=Q(Si)-Q(Si-1)Q(Si-1)，占有率相對增量δC(Si)=C(Si)-C(Si-1)C(Si-1)。在實際使用時，如圖4所示同時在道路的上游A和下游B安裝檢測器。定義上下游平均占有率絕對差ΔCAB(Si)=CA(Si)-CB(Si)，上下游平均占有率相對差δCAB(Si)=CA(Si)-CB(Si)CB(Si) 。上下游檢測器之間的路段發生交通擁擠的必要條件是[8-9]:

(1)若上游的檢測器A檢測出的流量的相對增量小于占有率的相對增量，則認為下游路段在本周期或下幾個周期內有可能發生交通擁擠。

(2)在條件(1) 基礎上，上游與下游檢測器的車輛平均占有率絕對差大于某一閾值α，上游與下游檢測器的平均占有率相對差大于某一閾值β時，判定有交通擁擠事件發生。其中:α，β和道路的實際設計容量有關。

(3) 若上游與下游檢測器的車輛平均占有率絕對差小于或等于某一閾值α，上游與下游檢測器的平均占有率相對差大于某一閾值β時，判定交通擁擠處于消散過程。

圖4 檢測器安裝位置

3.2 控制器軟件設計

控制器軟件由主程序、中斷處理、數據上傳、擁堵判定、命令處理和紅綠燈控制模塊組成。

3.2.1 主程序

主程序根據中斷程序返回的狀態循環調用命令處理、交通狀態判定和紅綠燈控制模塊，并定時調用數據上傳模塊。其流程圖見圖5。

3.2.2 交通狀態判定

交通狀態的判定方法在第3.1節算法原理中已經闡述，這里不再贅述。在該模塊中，系統若發現單位時間中通過不同方向的汽車相差較多或下游有發生擁堵的可能時，自動修改紅綠燈間隔，由紅綠燈控制模塊調用。

3.2.3 中斷處理

系統將環形線圈振蕩器所連接的STR710的4個外部中斷設置為FIQ，以降低中斷反應時間。在車輛通過時，中斷子程序計數后退出，主要的計算在擁堵判定中完成，以提高系統響應速度。系統以中斷方式接收控制中心的命令，在接收到命令時，只將命令轉存后退出，進一步的處理由命令處理程序執行。由于STR710的CAN控制器只有AMR，沒有ACR，因此，STR710在接收到數據后需要根據ID判斷是否是發給自己的，只有在AMR和ID相同時，才開始接收命令。

3.2.4 數據上傳

程序先將數據打包成CAN幀格式，再寫入緩沖區，由硬件自動發送出去。

3.2.5 命令處理

系統根據中斷處理程序設置的標記，對時間間隔緩沖區進行刷新。由紅綠燈控制模塊執行調整。

3.2.6 紅綠燈控制

紅綠燈控制模塊框圖見圖6。該模塊根據命令處理或擁堵判定所做的標記，執行調整紅綠燈間隔時間。

圖5 主程序框圖

圖6 紅綠燈控制

4 結 語

根據交通擁擠和消散過程的特征，給出了利用微機技術自動判定道路交通狀況的算法，并試圖在此基礎上實時地控制紅綠燈的變換周期，實現在無人工干預情況下改善交通狀況，同時將路況信息通過CAN總線發送到控制中心，控制中心可以在特殊情況下進行遠距離人工干預。該系統具有高效、實時、客觀的特點，且簡單易于實現，具有良好的應用前景。

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