基于多傳感器的惡劣天氣行人預警信號燈設計★

湯 敏 鄒常豐 李玉英

(東北林業大學交通學院,黑龍江 哈爾濱 150040)

隨著我國城市道路的迅猛發展以及機動車保有量的日益增加，交通安全問題已成為人民十分關注的問題[1]。大雪大霧等惡劣氣象會降低能見度，極易出現嚴重的交通事故[2]，對行人以及車輛造成不可估量的損失，我國是一個人口大國，道路交通設施以及管理設施雖然有了很大的改進，但是大多數城市的交通系統不夠完善更不提先進了，盡管建立了交通控制中心，只是起到了監視的作用，與管理，控制沒有太大關系[3]。無論是霧還是霾，一旦形成就會給外出活動帶來極大的不便，尤其對道路交通造成嚴重阻礙。霧霾中行車，駕駛員看不清前面的路，信號燈辨識度很差，行人看不清信號燈或者低頭玩手機，導致闖紅燈過公路，由于是霧霾天氣，駕駛員很難看清是否有行人在過公路，極容易造成追尾等事故。

本文設計了一種基于多傳感器的惡劣天氣行人預警信號燈，該信號燈通過PM2.5傳感器GP2Y1010AU0F、溫濕度傳感器DHT11以及紅外光柵傳感器DQY-4004-NB-NK-PB-PK-J；并以嵌入式智能硬件Arduino為核心控制單元，將智能溫濕度數據、PM2.5數據以及行人過街信息進行實時采集，通過單片機軟件編程開發一種具有環境數據檢測與行人預警功能的智能交通信號燈，可在惡劣天氣環境下極大程度的避免交通事故的發生。

1 系統框架設計

基于多傳感器的惡劣天氣行人預警信號燈如圖1所示。該裝置由紅色信號燈、黃色信號燈、綠色信號燈、報警指示燈、單片機、PM2.5傳感器、溫濕度傳感器、紅外光柵傳感器、顯示屏組成。其中單片機型號為ATmega328；PM2.5傳感器的型號為GP2Y1010AU0F；溫濕度傳感器的型號為DHT11；紅外光柵傳感器的型號為DQY-4004-NB-NK-PB-PK-J；顯示屏的型號為LCD2004。

系統的核心是ATmega328控制器，它與PM2.5傳感器、溫濕度傳感器以及紅外光柵傳感器通過單片機內部集成的串口實現數據的通訊，以此獲取溫濕度數據、PM2.5數據以及行人過街信息，并對信號燈進行控制，降低交通事故發生概率，提高交通安全性。

2 硬件設計

基于多傳感器的惡劣天氣行人預警信號燈中的數據采集傳感器包括以下三種元件：選擇DHT-11作為溫濕度傳感器，GP2Y1010AU0F作為PM2.5傳感器獲取空氣中霧霾濃度，DQY-4004-NB-NK-PB-PK-J紅外光柵傳感器獲取行人通過人行道信號燈等候區信息。

DHT-11數字溫濕度傳感器是一款含有已校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器[4]。DHT-11典型應用電路如圖2所示。它應用專用的數字模塊采集技術和溫濕度傳感技術，確保產品具有極高的可靠性與卓越的長期穩定性。該產品具有品質卓越、超快響應、抗干擾能力強、性價比極高等優點[5]。每個DHT-11傳感器都在極為精確的濕度校驗室中進行校準。校準系數以程序的形式儲存在OTP內存中，傳感器內部在檢測信號的處理過程中要調用這些校準系數。單線制串行接口，使系統集成變得簡易快捷。超小的體積、極低的功耗，信號傳輸距離可達20 m以上，使其成為各類應用甚至最為苛刻的應用場合的最佳選擇。

GP2Y1010AU0F與ATmega328控制器的連接圖如圖3所示。GP2Y1010AU0F是一種可以感知空氣中塵埃粒子濃度的光學空氣質量傳感器[6]，其內部包括光電晶體管和紅外發光二極管，通過探測空氣中細小顆粒的反射光實現對空氣中塵埃粒子濃度的檢測。

將上述選擇的傳感器連于單片機，單片機的作用是接收紅外傳感器傳回的數據,并對數據進行處理再傳輸到上位機中[7],實現從傳感器到上位機的數據傳輸及數據處理，通過單片機引腳自動分壓后可提供上述傳感器所需的工作電壓。傳感器含發射紅外線的二極管以及檢測紅外線的PSD(位置敏感檢測器)[8],紅外測距傳感器有三根引線，從左到右依次為黃色，功能為連接電源線VCC；黑色，功能為接地線GND；紅色，功能為傳輸數據[9]，連接于單片機的模擬信號輸入ANALOG IN。

3 系統工作流程

基于多傳感器的惡劣天氣行人預警信號燈工作流程如圖4所示。環境數據檢測與行人預警交通信號燈，按照下述步驟進行：首先進行初始參數設置，包括每個相位的紅綠黃燈的周期時長；將PM2.5傳感器的數據輸出端與單片機的串口讀取端相連，實時檢測信號燈周圍空氣中PM2.5含量；將溫濕度傳感器的數據輸出端與單片機的數字量讀取端相連，實時檢測信號燈周圍空氣中溫濕度數據；通過單片機外圍電路中的模擬/數字轉換器將紅外光柵傳感器輸出端輸出的模擬信號轉換為數字信號，再將模擬/數字轉換器的數字量輸出端與單片機的數字量輸入端相連，通過單片機實時監測紅外光柵傳感器的狀態信息，檢測是否有行人通過；通過單片機中的定時器進行計時，根據各相位中紅綠黃燈的周期時長控制紅色信號燈LED1、黃色信號燈LED2、綠色信號燈LED3的亮滅；顯示屏與單片機的數字量輸入端連接，顯示當前信號燈剩余時間、PM2.5含量以及溫濕度數據；系統判斷當前被點亮的信號燈的顏色狀態，若紅色信號燈或黃色信號燈被點亮，則報警指示燈LED4一直處于關閉狀態，若綠色信號燈被點亮，則系統根據步驟四判斷是否行人通過，若無行人通過，則報警指示燈LED4處于關閉狀態；若有行人通過，則報警指示燈LED4發出報警信號。

4 結語

隨著我國城市道路的迅猛發展以及機動車保有量的日益增加，交通安全問題已成為人民十分關注的問題，針對惡劣天氣下，駕駛員看不清前面道路情況，信號燈辨識度很差，行人看不清信號燈或低頭玩手機，導致闖紅燈過公路，極容易造成追尾等事故的發生。本文通過PM2.5傳感器GP2Y1010AU0F、溫濕度傳感器DHT11以及紅外光柵傳感器DQY-4004-NB-NK-PB-PK-J；并以嵌入式智能硬件Arduino為核心控制單元，將智能溫濕度數據、PM2.5數據以及行人過街信息進行實時采集，通過單片機軟件編程開發一種具有環境數據檢測與行人預警功能的智能交通信號燈?？蓪崿F對信號燈周圍空氣中的溫濕度數據以及PM2.5值進行實時檢測，為環保局等有關部門以及相關領域的科研人員提供大數據進行相關的科學研究，并在霧天等能見度較差的天氣下，當信號燈處于紅燈相位并通過光柵傳感器檢測出來人行道有行人通過時，系統可將檢測信號傳給信號燈，通過信號燈上的報警指示燈為對應車道的司機提出預警，避免交通事故的發生。