淺析智慧城市中智能交通燈的設計及實現

郭鵬　張雷　楊黔生　黃方果

【摘? 要】隨著經濟的發展，汽車數量增多，城市道路壓力越大。人車密集的路上經常出現人車搶奪路權的現象，因此造成的交通事故經常發生。本文提出一套低成本、易安裝的智能交通燈系統，能有效引導行人橫過馬路，指揮車輛行駛，在保障過往行人安全的同時，又能減少無過往行人時車輛的等待時間，提高車輛通行率，能有效規范車輛和行人的行為。

1前言

黨的十九大報告提出，加強應用基礎研究，為建設智慧社會提供有力支撐。在我國不斷加快的智慧城市建設進程中，行人安全、交通擁堵一直是大家關注的熱點問題。

隨著現代交通運輸和汽車工業的迅速發展，道路交通事故已成為全球第八大死亡原因。《2018年全球道路安全狀況報告》指出，每年全世界約有135萬人死于道路交通，另有5000萬人因道路交通事故引發的碰撞而受傷或致殘^[1]。然而，隨著經濟的快速發展，汽車保有量大幅增長，如何有效減少交通事故率是我國道路交通安全方面的一個重大難題^[2]。

據統計，全球每年死于道路交通事故的人群中有22%是行人，除去部分行人違法行為外，主要歸咎于人行橫道缺少安全保護。針對這方面的問題，國內外相繼開展了智能斑馬線的研究，來實現交通燈計時的智能調整，其檢測車輛或行人的傳感器主要有壓力傳感器、圖像傳感器、紅外線傳感器等^[3]，但這些傳感器在實際應用中總存在一些不足之處。如應用壓力傳感器時需要重新對現有的路面進行施工，敷設大量壓力傳感器來感知行人，其系統復雜，成本較高，從施工周期考慮，工程量較大，短時間內無法改善該處交通，從而很難實現大范圍普及;圖像傳感器即攝像頭，是利用光學成像原理獲取現場的畫面，再經過圖像處理提取行人數量數據^[4]，但其系統復雜，受天氣和環境的變化影響大，特別是隨著光線強度的降低，會很大程度影響其檢測的準確性;紅外線傳感器是利用發射的紅外線遇到障礙物后反射回來，從而來感知行人，其系統結構簡單，但無法實現精確識別。

而毫米波雷達傳感器也能用于檢測行人^[5]。毫米波是指30～300GHz頻域的電磁波，波長為1～10mm，介于微波與厘米波之間，所以毫米波兼有這兩種波譜的優點，同時也有自己獨特的性質。

1）同厘米波導引頭相比，毫米波導引頭具有體積小、質量輕和空間分辨率高的特點;

2）與紅外、激光等光學導引頭相比，毫米波導引頭穿透霧、煙、灰塵的能力強，傳輸距離遠，具有全天候全天時的特點;

3）毫米波雷達性能穩定，不受目標物體形狀、顏色等干擾，很好的彌補了如紅外、激光、超聲波、攝像頭等其他傳感器在應用中所不具備的使用場景;

4）毫米波雷達能分辨識別很小的目標，而且能同時識別多個目標。

鑒于諸多優點，本文提出一種基于毫米波雷達的斑馬線智能交通燈系統，具有高精度、高靈敏度、能實現“全天候全天時”工作^[6]，用于檢測人行橫道前行人，智能調整交通燈的計時，在保障過往行人的安全為前提，又能減少車輛在無過往行人或行人零散過往時的等待時間，提高車輛通行率，避免出現人車搶奪路權的現象，從而有效引導行人和車輛通行。

2系統設計

為了保障人民群眾的生命安全、加強城市交通智慧管理，在關鍵十字路口和人流量較大的非路口都需要設置交通指揮，用于引導行人和車輛安全通行^[7]。本文提出的智能交通燈系統，在斑馬線兩側路旁各虛擬規劃了一個行人待行區用于檢測行人數量，默認初始狀態為引導車輛通行狀態。當有人走進檢測區域內時，雷達就會檢測識別到這一行為，并將信號傳遞給單片機，單片機按照設置的斑馬線交通燈工作流程，進行倒計時顯示，切換車輛和行人的通行狀態;與此同時，單片機會通過無線通信，協調安全島和路面另一側的系統，同步指揮交通。當然，系統還設置有接觸方式來觸發通行狀態的切換。系統還可通過無線通信模塊為上級應用提供接入和管理的接口，可供交通部門掌握出行規律，為建設智慧城市提供出行數據，并可根據云端大數據回傳的運算結果靈活控制該時段的通行時間，如圖1所示。

2.1硬件部分

主控芯片為HT32F52352單片機，主頻80MHz，支持SPI、I2C、UART等協議，便于與其他模塊通信，能滿足實時控制、低功耗的要求。系統工作狀態如圖2所示。

2.2雷達模塊

該模塊核心芯片為X1642BIGABL，是工作于76-81GHz頻段的毫米波雷達傳感器，采用FMCW體制，綜合運用MIMO、波束成形、群跟蹤以及機器學習目標類型識別技術，能實現待行區內精確識別行人軌跡和檢測內行人數量，并將此數據提供給單片機模塊，用于計算行人通行時間。

該模塊與單片機之間采用TTL接口連接，探測距離為15米，距離分辨率為0.12米，速度分辨率為0.12米每秒，可檢測目標數為70人，能滿足行人在運動時探測較大范圍的需求。

3程序設計

部分單片機程序如下所示。

3.1設備登錄服務器在線

sim868_start（）;//連接服務器

sim868_login（）;//設備在線

3.2根據人數發送行人通行時間

if（（num_p>0）&&（num_p<20））send_time（17）;

else if（（num_p>21）&&（num_p<30））send_time（20）;

else if（（num_p>31）&&（num_p<40））send_time（23）;

else if（（num_p>41）&&（num_p<50））send_time（26）;

else if（（num_p>51）&&（num_p<60））send_time（29）;

else if（（num_p>61））send_time（32）;

3.3上傳過往行人數至服務器

sim_dat[0]=num_p/10*16 + num_p%10;

sim868_send_data（sim_dat）;

參考文獻：

[1]World Health Organization. Global status report on road safety[R].Geneva：WHO，2018.

[2]王博宇，李杰偉.中國交通事故的統計分析及對策[J].當代經濟，2015（20）：116-119.

[3]桂偉，張紅霞，陳皓.交通燈計時智能調整系統的研究現狀與發展趨勢探討[J].科技創業，2015（7）：17-18+21.

[4]茍竹梅，阮媛媛，鐘離春.探析圖像識別技術在現代交通上的前景[J].計算機產品與流通，2020（1）：145.

[5]熊丁丁.多通道毫米波雷達人體檢測定位方法研究[D].電子科技大學，2018.

[6]高山，但波，劉克，等.調頻連續波毫米波雷達信號處理軟件分析[J].海軍航空工程學院學報，2020（1）：106-112.

[7]韋勇，萬旭，徐海黎，等.基于人臉跟蹤與識別的行人闖紅燈取證系統的設計與實[J].現代電子技術，2018，41（19）：36-39.

基金項目：

重慶市教育委員會科學技術研究計劃青年項目資助項目（KJQN201906101）

作者簡介：

郭鵬，講師，工程師，研究方向為嵌入式單片機應用設計，電子信箱：278906067@qq.com