基于物聯網的智能交通控制系統

王 超, 張廣宇, 馬 健

(1.長春光華學院， 吉林 長春 130031;2.中國聯通長春分公司， 吉林 長春 130012；3.吉林省水利水電工程局， 吉林 長春 130012)

基于物聯網的智能交通控制系統

王 超1, 張廣宇2, 馬 健3

(1.長春光華學院， 吉林 長春 130031;2.中國聯通長春分公司， 吉林 長春 130012；3.吉林省水利水電工程局， 吉林 長春 130012)

智能交通信號控制系統采用嵌入式設備、高清攝像頭、無線射頻單片機,利用攝像頭獲取圖像信息，通過嵌入式主控設備進行分析和處理,將控制命令無線發送給終端節點，根據具體路況智能化控制交通信號燈，實現采集、傳輸、處理一體化的交通最優控制。

Cortex-A8; zigbee; 智能交通

0 引 言

隨著經濟的發展及城市化進程的加快，交通擁擠和阻塞已經成為一個世界性問題。為更好地調整城市交通，改善交通基礎設施迫在眉睫。因此，人們將電子技術應用于交通領域，形成了一門嶄新的研究方向，即智能交通系統(Intelligent Traffic System， ITS)[1]。傳統的交通控制設備僅是“模式化”地控制信號燈來指導交通，缺乏靈活性，效率較低，更不具備“智能化”，無法滿足現代交通發展的需要。為改善這種情況，將嵌入式物聯網技術引入智能交通控制系統，即彌補了人力因素缺陷,又提高交通的“智能化”控制能力[2]。

1 系統總體設計

智能交通信號控制系統的搭建和實現，以及高效的交通控制理論是智能交通中的重要環節。設計中采用嵌入式系統、高清攝像頭、RFID設備、zigbee無線傳輸模塊等進行硬件的搭建，通過無線傳輸技術實現交通的智能化控制[3]。在路口中央安裝4個高清攝像頭采集各方向路口車輛信息，以嵌入式設備作為交通信號的主控系統。主控系統通過zigbee協調器發送命令至4路口的終端節點調整交通信號燈的控制方案。

2 系統硬件設計

系統硬件設計主要包括2個部分：主控系統、從控制系統及協調器。

2.1主控系統

主控系統的硬件核心是嵌入式設備，并通過無線方式進行通信。嵌入式主控設備采用Cortex-A8體系下的S5PV210，又名“蜂鳥”，主頻達到1 GHz，32/32 KB的數據/指令一級緩存，512 KB的二級緩存，運行速度可達每秒2億條指令，適用于手持式便攜設備，如平板、手機等設備。內存512 M，flash為512 M的nand flash，完美運行Linux，Android等操作系統[4]。 Cortex-A8作為該系統的主控設備，主要用于車流量圖像采集、分析、處理，以及為主從控制設備之間的信息傳遞做好準備。硬件設計中主控系統與協調器及主控系統與攝像頭間分別采用串口和USB口有線連接，保證主控系統穩定性。為便于查詢、調取車流量的視頻及圖片信息，可將其存儲于U盤或SD卡內[5]。硬件設計原理如圖1所示。

圖1 主系統設計原理框圖

2.2從控制器及協調器

目前用于設計無線傳感網絡的主流網絡協議有藍牙，Zigbee 等，為滿足無線穩定傳輸、降低功耗、多元化控制等需求，本設計在從控制器和協調器硬件設計中采用zigbee cc2530作為核心主控芯片[6]。

系統設計監控4路車流量情況，采用星形網絡結構，該結構組網簡單，既降低成本又滿足基本無線網絡傳輸性能需求。從控制器(終端節點)作為信號燈直接控制端，通過無線與協調器通信，協調器作為主控制器與從控制器之間的橋梁傳遞指導交通的命令信息。系統設計原理如圖2所示。

圖2 從系統設計原理框圖

3 系統軟件設計

系統軟件設計包括2個部分：主控圖形界面設計、系統主從控制策略。

3.1主控圖形界面設計

在嵌入式主控系統中運行ubuntu版本的linux操作系統，該系統具備開源、功能齊全、可裁剪等優勢[7]。設計控制界面時采用GTK+圖形界面工具，GTK+是一種圖形用戶界面(GUI)工具包，該工具包涵蓋了若干個基于GUI的應用庫，支持多種不同類型的操作系統，如Windows,Linux等[8]。

軟件設計流程包括：

1)初始化GTK界面，創建Windows主窗口,table,button,entry,label等控件；

2)啟動USB接口攝像頭并定時截取圖片或錄制視頻，存儲于SD卡或USB存儲設備；

3)創建線程1實時刷新控制界面，線程2負責通過串口與協調器進行信息交換；

4)顯示控制狀態及控制信息。

嵌入式主控設備界面開發流程如圖3所示。

圖3 嵌入式主控設備界面開發流程

3.2系統主從控制策略

截取的車流圖片經過主控設備分析處理，提取車流數量。定義南北方向車流量為(N-S)，東西方向車流量為(E-W)，交通情況比較系數K，A,B,C,D表示南北西東各路口車流數量。比較(N-S)和(E-W)并根據結果來決定交通燈的控制狀態，系數K的調節適用于不同路況。

當(N-S)擁緊，設置為南北方向為綠燈通行，而東西方向為紅燈停止，南北綠燈秒數顯示方案t1,t2,t3和東西紅燈秒數顯示方案t4,t5,t6，當倒計時完成后需要Δt1秒(黃燈秒數顯示時間)進行路口通行狀態轉換，南北紅燈秒數顯示方案t7,t8,t9，東西綠燈秒數顯示方案t10,t11,t12，再經過Δt1秒(黃燈秒數顯示時間)黃燈顯示，完成單次通停過程。

如(E-W)擁緊，交通控制則跟上述情況正好相反。在Δt1黃燈顯示時間起始時,主控系統將再次詢問各個路口的車流量情況，根據情況決定下次路口交通的通斷及顯示時間，因此Δt1設置時應注意在該時間內完成主控系統的信息處理及控制設備之間的信息傳遞,設置為3～5 s較為合理。

根據我國交通規則和具體情況，設計中將右路和中路的交通信號燈設置為相同的命令，即中路和右路的交通燈顯示情況相同。經過對多個實際十字路口現場情況的分析，多數大型十字路口的紅綠燈顯示時間和秒數倒計時時間并不相同，這樣可以更為方便地疏導交通，緩解交通緊張，提高路面的有效利用率。以南北綠，東西紅情況為例，如以下公式所示:

式中:t1，t2，t3----3種南北綠燈秒數顯示時間方案；

t4，t5，t6----3種東西紅燈秒數顯示時間方案；

T11，T21,T31----南北右中兩路綠燈亮起時間；

T12，T22,T32----南北左路綠燈亮起時間。

具體信號燈控制策略流程如圖4所示。

圖4 信號燈控制策略流程圖

4 系統調試

該系統的無線網絡終端節點和協調器體積小、功耗低、可移動，只需一次性搭建并可長期監控。主控系統接口豐富、處理速度快、運行穩定，有能力分析處理采集的圖像信息，主控策略得當，可較好地控制交通信號。協調器本身設置一套“模式化”控制程序，在移除主控系統或主控系統故障的情況下依然可指揮交通。因此，該系統在交通的智能化控制領域具備一定的價值和意義。

[1] 王超.嵌入式智能交通信號控制系統研究[D]：[碩士學位論文].長春：長春理工大學，2010.

[2] 何文德，楊鳳年，劉光燦.無線傳感器網絡在文物保護中的應用[J].計算技術與自動化，2007，26(2):99-101，106.

[3] 鄒觀鵠.溫室環境的無線傳感網絡監測系統研制[D]：[碩士學位論文].南京：南京航空航天大學電子信息工程學院，2012.

[4] 高峰，俞立，盧尚瓊，等.國外設施農業的現狀及發展趨勢[J].浙江林學院學報，2009，26(2):279-285.

[5] 柴干,趙倩,蔣珉.城市智能交通信號控制系統的設計與開發[J].浙江大學學報:工學版,2010,44(7)1241-1246.

[6] 高永,溫慧敏.交通信息廣播頻道技術內涵及標準化研究[J].交通運輸系統工程與信息,2007(3):50-55.

[7] 劉必健,廖彬.城市道路單路口交通信號實時控制仿真設計[J].計算機時代,2010(6):22-25.

[8] 蔡軍,曹慧英.智能交通燈控制系統的設計與實現[J].重慶郵電學院學報:自然科學版,2004(3):129-132.

Intelligent traffic control system based on Internet of things technology

WANG Chao1, ZHANG Guang-yu2， MA Jian3

(1.Changchun Guanghua University, Changchun 130031， China;2.Changchun Branch of China Unicom Company, Changchun 130012, China；3.Jilin Province Water Resources and hydroelectric Enginerring Bureau, Changchun 130012, China)

Embedded device, camera, and wireless radio MCU are used in the Internet of things based intelligent traffic signal control system, in which images get from CCD are dealt and analyzed in MCU and then sent to the terminals for controlling the traffic signals according to the traffic information in site. The optimal traffic control system integrates the sampling, transmission and processing functions in real time.

Cortex-A8; zigbee; intelligent traffic.

2014-05-28

吉林省教育廳“十二五”科學技術研究基金資助項目(2013574， 2011450)

王 超(1981-)，男，漢族，吉林長春人，長春光華學院助教,碩士，主要從事電子測控領域及物聯網技術方向研究,E-mail:71128221@qq.com.

TP 391

A

1674-1374(2014)05-0534-04