干線公路與鄉村道路交叉口智能預警系統設計

譚菊琴、金重宇、王雪潔、陳昊、屠升飛

（南京理工大學紫金學院，江蘇南京210000）

0 引言

隨著鄉村振興戰略的推進，村鎮公路的交通量明顯增加。而鄉村公路與干線公路相連接的公路路網結構和道路等級還未達到一致，導致鄉村公路與干線公路相接的交叉口事故頻發，給道路交通安全帶來了較大的隱患。另外，無人值守的鄉鎮公路交叉口交通環境復雜，交通盲區多，且交通設施較為落后，其交叉口也是交通沖突集中地段。解決這一問題的根本途徑就是要提高交叉口安全預警智能化的水平。

目前研究者主要集中研究了基于視頻檢測的城市道路交叉口有信號燈情況下的事故預警系統。如張誠哲[1]利用監控視頻監測路口的行人，通過處理后對路口前的車輛進行預警。楊良義等人[2]研究了基于視頻檢測的車路協同輔助駕駛系統，該系統能實時感知車輛狀態信息并獲取區域內道路路況信息，實現了車與車、車與路之間的數據傳輸。朱淑亮等[3]提出了一種基于機器視覺與信息共享的全局域內的人車安全預警系統，采用機器視覺技術分析車輛和行人的運動狀態，通過計算碰撞時間預測監控目標繼續通行的安全程度，并向危險車輛精準傳遞報警信息。龔天洋等[4]研究出一種基于車道線檢測獲取道路能見度的方法，結合能見度模型，實時進行能見度值的計算，實現了對駕駛人的及時預警。屠升飛等只對交叉口的交通設施進行了設計。

根據無信號燈道路交叉口交通狀況，設計一種合理的、低成本的道路交通信息智能安全預警系統顯得尤為重要。因此，本文利用模塊化設計方法，設計了干線公路與鄉村道路交叉口智能預警系統。

1 系統工作原理

本文以寬度為2m×4m 雙向雙車道的干線公路和寬度為5m 的鄉村道路組成的交叉口為設計背景，其安全預警系統原理框圖如圖1所示，它由控制電路、ZigBee 無線通信電路、紅外熱釋電探測電路、超聲探測電路、聲光報警電路和顯示電路組成。道路交叉口預警系統主要分為兩個大部分，分別是探測單元和預警單元，工作原理：系統上電穩定后，探測單元內的紅外探測電路開始探測鄉村道路上有無行人或車輛，超聲探測電路探測干線公路是否有車準備穿過交叉口；采用ZigBee 將紅外超聲復合探測器探測的信息傳輸給主控制電路，控制電路根據探測信息判定道路上行人和車輛的狀態；一旦發現鄉村道路上有行人或車，立即點亮干線公路段的警示燈對司機進行預警；若發現干線公路上有車輛，則根據車輛距交叉口的位置控制蜂鳴器報警電路的發聲頻率和可變信息板的顯示內容，對鄉村道路上行人、車輛進行實時預警，保證行人和車輛的安全。

圖1 無信號交叉口安全預警系統原理框圖

2 交叉口智能預警控制電路設計

控制系統在道路交通信息安全預警系統中占有重要地位，根據該系統的要求，考慮到外圍設備的工作原理以及該系統設計所需要程序的復雜程度和存儲容量的要求。該設計選用了兩塊AT89C51 單片機分別作為探測單元和預警單元的主控芯片，探測單元的主控電路如圖2（a）所示，預警單元的主控電路如圖2（b）所示。

圖2 探測與預警主控電路原理圖

從圖2 可看出，探測單元的主控電路和預警單元的主控電路的最小系統的都相同，XTAL1、XTAL2 與電容組成時鐘電路，復位電路由外部的復位電路進行復位。探測單元主控電路圖2（a）中的P2.0 口、P2.1口與超聲探測電路的控制端相連，P3.2 口、P3.3 口與超聲探測電路的信號接收端相連，P1.0～P1.7 與紅外探測電路的控制端相連。預警單元的主控電路如圖2（b）所示，圖2（b）中的P2.3 控制綠色警報燈，P2.4 控制黃色警報燈，P2.0～P2.2 分別與顯示電路的RS、RW 和E 的驅動端口相連，P0 口與LCD 顯示電路的D0～D7 腳相連，P2.7 與蜂鳴器相連。兩主控電路的RXD 和TXD 串口通信端口與ZigBee 無線通信電路的TXD、RXD 口進行數據通信，當紅外超聲復合探測電路監測到交叉口附近有行人或車輛時，通過ZigBee 無線網絡將道路信息發送給預警控制電路，由其控制聲光和可變信息板的顯示內容，以提醒交叉口附近的行人、車輛注意安全。

3 交叉口智能預警系統軟件設計

交叉口智能預警系統程序流程圖如圖3所示，當系統上電后，單片機初始化，此時紅外超聲復合探測電路及ZigBee 無線通信電路處于穩定的待機狀態，燈光報警電路顯示綠燈，顯示屏為熄滅狀態。紅外探測電路通過菲涅爾透鏡探測檢測區域內是否接收到人體發出的紅外線，即判斷鄉村道路上是否有行人在附近或者即將通過斑馬線穿過公路，若探測到這一行為，那么探測單元主控系統處理紅外信號并通過Zig-Bee 無線通信電路給預警單元主控系統進行處理后，向干線公路駕駛員發送預警信息，此時燈光報警電路的黃燈常亮。再由超聲探測電路的發射電路發出超聲波，若接收電路接收到發出的超聲波，即此時干線公路有車輛駛來，則向探測單元主控系統發送一段時間的高電平，探測單元主控系統通過內部時鐘記錄高電平持續時間。再次通過ZigBee 無線通信電路將時間信息傳輸至預警單元主控系統，預警單元主控系統將接收到的時間信息通過公式處理成距離，并根據預警單元主控系統計算出的距離控制蜂鳴器的頻率。車輛離交叉口越近，蜂鳴器的聲音頻率越高。同時預警單元主控系統觸發交叉口顯示電路顯示車輛距離，提醒道路上行人有車正在通過馬路。當紅外探測電路和超聲探測電路都沒有檢測到目標時，警示燈為綠色，顯示屏熄滅，駕駛員可以安全通過，系統返回初始等待狀態。

圖3 系統程序流程圖

4 結語

本文設計了一種干線公路與鄉村道路交叉口智能預警系統，該系統利用紅外超聲復合探測器實時監測交叉口道路信息，控制電路根據監測到的信息判定公路交叉口附近車輛和行人的狀態，并通過聲光和文字對司機和行人進行實時預警，從而有效地避免交通事故的發生，減少財產損失。