一種智能交通燈控制系統(tǒng)

陳震 李 平

（泰州職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息技術(shù)學(xué)院，江蘇 泰州225300）

1 概述

隨著我國城市化進(jìn)程的加快，城市道路交通越來越發(fā)達(dá)，但是機(jī)動(dòng)車數(shù)量的快速增多也使得道路交通的擁堵問題變得越來越嚴(yán)重，因此交通燈控制的重要性也與日俱增[1-2]。目前，交通燈的時(shí)間大部分都是人工設(shè)置好的，在遇到早晚上下班高峰時(shí)段，都需要人工根據(jù)路口的交通擁堵情況手動(dòng)控制交通燈的時(shí)長，智能化程度很低。雖然也有很多智能化交通燈控制系統(tǒng)出現(xiàn)和應(yīng)用，使得交通擁堵問題得到一定程度的緩解，但是系統(tǒng)的控制算法相對(duì)復(fù)雜，成本較高。本文提出一種簡(jiǎn)便的交通燈控制系統(tǒng)，通過兩個(gè)檢測(cè)器自動(dòng)判斷道路車輛的擁堵程度，并根據(jù)道路車輛的擁堵程度實(shí)時(shí)調(diào)整交通燈的時(shí)長。

2 車道擁堵的判斷

以單交叉路口為例，單交叉路口是一個(gè)4 相位系統(tǒng)，四個(gè)方向均有右轉(zhuǎn)直行和左轉(zhuǎn)2 個(gè)車道。東西向右轉(zhuǎn)直行是第1 相位，東西向左轉(zhuǎn)是第2 相位，南北向右轉(zhuǎn)直行是第3 相位，南北向左轉(zhuǎn)是第4 相位。在車道離路口一定的距離前后分別埋設(shè)2個(gè)車速檢測(cè)模塊，●為一號(hào)檢測(cè)點(diǎn)，◆為二號(hào)檢測(cè)點(diǎn)，1 為左轉(zhuǎn)道，2 為右轉(zhuǎn)直行道，如圖1 所示。

圖1 單交叉路口示意圖

車速檢測(cè)模塊會(huì)感應(yīng)到其上方是否有車輛通過，若有車輛經(jīng)過其上方，檢測(cè)模塊輸出高電平，否則檢測(cè)模塊輸出低電平。因此，當(dāng)車輛通過車速檢測(cè)模塊時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)脈沖信號(hào)，脈沖信號(hào)的寬度代表車輛通過檢測(cè)器的時(shí)長，脈沖寬度越小，說明車速很快，反之說明車速很慢。本系統(tǒng)在路口交通燈變?yōu)榫G燈后，忽略掉起動(dòng)損失時(shí)間，根據(jù)車道前后2 個(gè)檢測(cè)器上方車輛通過的速度與設(shè)定的閾值做比較，自動(dòng)判斷車道的擁堵程度。判斷規(guī)則如下所示：

一號(hào)點(diǎn)不擁堵，二號(hào)點(diǎn)不擁堵，說明車道不擁堵；

一號(hào)點(diǎn)擁堵，二號(hào)點(diǎn)不擁堵，說明車道輕微堵?lián)恚?/p>

一號(hào)點(diǎn)擁堵，二號(hào)點(diǎn)擁堵，說明車道嚴(yán)重堵?lián)怼?/p>

3 紅綠燈時(shí)長的設(shè)置策略

根據(jù)前后2 相的擁堵情況，自動(dòng)設(shè)置紅綠燈的時(shí)長。以第1相位和第2 相位為例：

若東西右轉(zhuǎn)直行方向不擁堵，東西左轉(zhuǎn)方向不擁堵，東西右轉(zhuǎn)直行方向綠燈時(shí)長不變，東西左轉(zhuǎn)方向綠燈時(shí)長不變；若東西右轉(zhuǎn)直行方向不擁堵，東西左轉(zhuǎn)方向輕微擁堵，東西右轉(zhuǎn)直行方向綠燈時(shí)長減少10 秒，東西左轉(zhuǎn)方向綠燈時(shí)長增加10 秒；

若東西右轉(zhuǎn)直行方向不擁堵，東西左轉(zhuǎn)方向擁堵嚴(yán)重，東西右轉(zhuǎn)直行方向綠燈時(shí)長減少20 秒，東西左轉(zhuǎn)方向綠燈時(shí)長增加20 秒；

若東西右轉(zhuǎn)直行方向輕微擁堵，東西左轉(zhuǎn)方向不擁堵，東西右轉(zhuǎn)直行方向綠燈時(shí)長增加10 秒，東西左轉(zhuǎn)方向綠燈時(shí)長減少10 秒；

若東西右轉(zhuǎn)直行方向輕微擁堵，東西左轉(zhuǎn)方向輕微擁堵，東西右轉(zhuǎn)直行方向綠燈時(shí)長增加10 秒，東西左轉(zhuǎn)方向綠燈時(shí)長增加10 秒；

若東西右轉(zhuǎn)直行方向輕微擁堵，東西左轉(zhuǎn)方向擁堵嚴(yán)重，東西右轉(zhuǎn)直行方向綠燈時(shí)長增加10 秒，東西左轉(zhuǎn)方向綠燈時(shí)長增加20 秒；

若東西右轉(zhuǎn)直行方向擁堵嚴(yán)重，東西左轉(zhuǎn)方向不擁堵，東西右轉(zhuǎn)直行方向綠燈時(shí)長增加20 秒，東西左轉(zhuǎn)方向綠燈時(shí)長減少20 秒；

若東西右轉(zhuǎn)直行方向擁堵嚴(yán)重，東西左轉(zhuǎn)方向輕微擁堵，東西右轉(zhuǎn)直行方向綠燈時(shí)長增加20 秒，東西左轉(zhuǎn)方向綠燈時(shí)長增加10 秒；

若東西右轉(zhuǎn)直行方向擁堵嚴(yán)重，東西左轉(zhuǎn)方向擁堵嚴(yán)重，東西右轉(zhuǎn)直行方向綠燈時(shí)長增加20 秒，東西左轉(zhuǎn)方向綠燈時(shí)長增加20 秒。

4 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)由車速檢測(cè)模塊、智能控制主機(jī)、交通燈模塊組成。車速檢測(cè)模塊、智能控制主機(jī)和交通燈模塊通過Zigbee 通信技術(shù)組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)無線通信。

4.1 車速檢測(cè)模塊

車速檢測(cè)模塊用于采集交通路口擁堵的情況，由超聲波模塊和控制器模塊組成。控制器模塊采用STC8A8K64S4A12 作為主控芯片，負(fù)責(zé)超聲波模塊的驅(qū)動(dòng)和車速檢測(cè)。

車道處于綠燈通行時(shí)，超聲波發(fā)射探頭發(fā)出超聲波，其上方有車輛經(jīng)過時(shí)，接收探頭會(huì)接收到反射波，超聲波模塊輸出高電平給控制器，若沒有車輛經(jīng)過，接收探頭接收不到反射波，超聲波模塊輸出低電平給控制器。這樣，控制器根據(jù)高電平的時(shí)長就可以估算出車輛的速度，并根據(jù)策略判斷出檢測(cè)點(diǎn)的擁堵程度，再通過ZigBee 模塊將檢測(cè)點(diǎn)的擁堵信息發(fā)送到智能控制主機(jī)。

4.2 智能控制主機(jī)

智能控制主機(jī)采用STM32 作為主控芯片，通過Zigbee 模塊與車速檢測(cè)模塊和交通燈模塊組成無線通信網(wǎng)絡(luò)。智能控制主機(jī)根據(jù)接收到的路口擁堵信息智能判斷出路口紅綠燈的時(shí)長，再通過Zigbee 模塊將控制信號(hào)發(fā)送給交通燈模塊，動(dòng)態(tài)控制紅綠燈的時(shí)長，緩解路口擁堵的壓力。

同時(shí)，主控芯片通過串口擴(kuò)展一個(gè)藍(lán)牙模塊BTM4504C1X，用于與手機(jī)實(shí)現(xiàn)通信，這樣通過手機(jī)APP 可以隨時(shí)掌握路口的擁堵情況，并可以對(duì)交通燈系統(tǒng)進(jìn)行人工控制。

4.3 通信模塊

Zigbee 模塊采用順舟智能的SZ05-L-PRO-2，該模塊基于TI-CC2530 芯片方案[3-4]。模塊體積小巧，可以很容易的嵌入其他設(shè)備，提供快速便捷低成本的無線網(wǎng)絡(luò)接口，可節(jié)省開發(fā)時(shí)間和成本。模塊符合Zigbee Pro 國際規(guī)范，具有通訊距離遠(yuǎn)、超低功耗、抗干擾能力強(qiáng)、組網(wǎng)靈活穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)和特性。通過模塊的串口可實(shí)現(xiàn)一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)及多點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)之間的設(shè)備間數(shù)據(jù)的無線透明傳輸。

SZ05-L-PRO-2 模塊采用5～9V 電源供電，而STM32 芯片是3.3V 供電，因此，需要通過電平轉(zhuǎn)換芯片SP3232 與模塊連接，典型應(yīng)用如圖2 所示。

圖2 平轉(zhuǎn)換接口電路

整個(gè)系統(tǒng)中，智能控制主機(jī)作為中心協(xié)調(diào)器是網(wǎng)絡(luò)的中心節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)起組織、網(wǎng)絡(luò)維護(hù)和管理功能；車速檢測(cè)模塊和交通燈模塊是終端節(jié)點(diǎn)，只進(jìn)行本節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收；根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)通信距離的遠(yuǎn)近決定是否增加模塊作為路由器，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的中繼轉(zhuǎn)發(fā)和網(wǎng)絡(luò)維護(hù)功能。

藍(lán)牙模塊采用金甌公司的百米藍(lán)牙模塊BTM4504C1X。模塊采用CSR BC04 External 芯片設(shè)計(jì)，內(nèi)置了金甌公司專用數(shù)據(jù)傳輸軟件固件，兼容藍(lán)牙3.0 規(guī)范及以下的設(shè)備，數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定，傳輸距離可達(dá)100 米。數(shù)據(jù)通過UART 串口透明傳輸，UART信號(hào)為3.3V 的TTL 電平，與STM32 可以直接連接，使用方便。

4.4 顯示模塊

交通燈倒計(jì)時(shí)顯示采用2 位7 段LED 共陰數(shù)碼管。四個(gè)方向的倒計(jì)時(shí)顯示分為兩組，相當(dāng)于兩組數(shù)碼管，LED 驅(qū)動(dòng)控制專用芯片TM1616 可以直接驅(qū)動(dòng)4 位數(shù)碼管，因此，四個(gè)方向的數(shù)碼管用一片TM1616 驅(qū)動(dòng)即可。主控芯片與TM1616 只需3根線連接，通過串行通信對(duì)數(shù)碼管進(jìn)行控制。電路如圖3 所示。采用紅黃綠三種LED 燈模擬十字路口的交通燈。

圖3 交通燈驅(qū)動(dòng)電路

5 軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)的整體功能需求，智能控制主機(jī)的程序流程圖如圖4 所示。

圖4 控制主機(jī)程序流程圖

6 結(jié)論

本文提出一種簡(jiǎn)便方法，通過檢測(cè)器檢測(cè)車輛通過交通路口的時(shí)速來判斷路口的擁堵程度，同時(shí)根據(jù)前后兩相的擁堵情況，動(dòng)態(tài)改變紅綠燈的時(shí)長。根據(jù)此方法完成了系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)，并通過仿真實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了該方法能有效降低路口的擁堵程度。但該方法仍有不足之處，紅綠燈動(dòng)態(tài)調(diào)整的時(shí)長目前是固定不變的，不一定適用于所有的交通路口，今后還需要對(duì)不同路口的車流量實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，才能得到精確的動(dòng)態(tài)調(diào)整時(shí)長。