基于STM32的學校周邊道路交通狀況監測與調控系統

邢啟明，孫寧

（南京林業大學汽車與交通工程學院，江蘇南京 210037）

城市道路上小汽車的數量快速增加，上、下學期間數量龐大的私家車治理缺乏精細化設計[1]，嚴重影響了學生的生命安全。傳統對學校周邊道路交通信息的獲取方式已經不能高效解決學生上、下學期間的交通擁堵問題。目前，鄒建初等人對車位檢測的研究，雖在一定程度上提高了車位利用率，但無法適用于學校周邊道路車位的檢測[2]。晏勇等人對信號燈控制的研究也只能通過調整信號燈時長緩解城市交通壓力，具有一定的局限性[3]。

文中設計的基于STM32 的學校周邊交通狀況監測與調控系統，通過處理學校周邊道路交通狀況信息，迅速給有停車需求的用戶提供學校周邊的可用車位信息，監測學校周邊道路的違章停車并給予警告，根據特殊情況調節信號燈指示狀態，數據傳遞方式為無線通信，有效緩解了學校周邊道路上、下學期間的交通壓力，保障了學生的生命安全[4-10]。

1 系統設計

系統以STM32 處理器為核心，完成學校周邊道路交通狀況的信息監控。在學校區域大環境下，通過專用攝像機和GPS 獲取當前學校區域可用的車位信息、交通信號燈信息、車流量以及違章停車信息，并發送給處理器，處理器對數據進行分析處理，判斷是否存在違章停車現象和有停車需求的機動車，以及交通擁堵狀況或者需要變更信號燈的特殊情況，發送給上位機管理系統，管理人員查看交通狀況信息，將所需車位或違章停車警告等信息發送給車輛，并對信號燈作出相應的調整，數據傳遞通過無線通信網絡完成，促進了友好型城市交通體系建設[11-14]，系統設計如圖1 所示。

圖1 系統設計圖

2 硬件電路設計

基于STM32 的學校周邊道路交通狀況監測與調控系統的硬件主要包括供電模塊、主處理器模塊、無線通信模塊、攝像頭電路及GPS 電路。硬件設備以STM32 主處理器模塊為核心，其他模塊及供電模塊作為輔助，與處理器的串口連接，完成信息反饋和信號燈調控等。

2.1 供電模塊

系統中STM32 主處理器模塊采用2.0～3.6 V 直流電壓，無線通信模塊電路采用1.9～3.6 V 直流電壓，攝像頭模塊采用8～10 V 直流電壓，GPS 電路采用2.7～3.6 V 直流電壓。供電模塊選用SM7075-18 芯片，如圖2 所示，該芯片采用PWM 控制方式、BUCK系統方案，輸入電壓為220 V 交流電，可以保證輸出電壓為18 V，再用AMS1777-3 穩壓器將18 V 電壓穩定至3.3 V。系統可保證在過熱、過壓、過流、欠壓等情況下的安全，在滿足硬件設備電量需求的同時需考慮各個用電模塊的隔離[4]，具有原件少、成本低、高效率的特點。

圖2 供電模塊電路

2.2 處理器模塊

該系統的核心硬件是STM32 處理器，通過處理器對學校周邊道路的交通狀況信息進行處理反饋，實現學校周邊道路交通狀況的快速監測及信號燈的調控。處理器模塊電路如圖3 所示。

圖3 處理器模塊電路

STM32 是意法半導體(ST)公司出品的[5]，平均每個時鐘可執行1.25 條指令，將電腦與單片機I/O 功能結合，具有非常高的信息處理能力。該芯片具有SPI、USB、UART 等功能[13]，可連接多種外設，具有成本低、功耗低、性能好的特點。攝像頭模塊和GPS 模塊發送的可用車位信息、違章停車信息、車流量以及信號燈狀態信息，經過處理器的分析與處理，快速反饋給管理人員并執行相應的措施，確保了學校周邊道路的安全。

2.3 無線通信模塊

無線通信模塊選用LoRa 技術[6]，具有傳輸質量穩定、時效性顯著、高效快捷等特點，適合交通領域的使用。該技術可以利用1 GHz 以下載波，以傳輸速率支持1 Mbps、2 Mbps 的NRF24L401 單片無線芯片為核心，其工作頻率穩定可靠、功耗低、靈敏度高、發射功率低，是當前無線傳輸模塊的理想選擇。接口使用并行傳輸，可以完成攝像頭、車輛、信號燈、上位機管理系統的無線通信，實現信息的反饋及信號燈的調節。無線通信模塊電路如圖4 所示。

圖4 無線通信模塊電路

2.4 攝像頭電路

攝像頭以OV7251 圖像采集集成芯片為核心，采用8～10 V 電壓，分辨率大，可達640×480，傳輸速率快，最終實現視頻圖像數據的緩存與讀取，通過ZedBoard 的VGA 接口與顯示器實現視頻圖像的顯示[7]，能夠滿足學校周邊道路交通狀況監測和調控的要求。攝像頭電路如圖5 所示。

圖5 攝像頭電路

2.5 GPS電路

目前，全球主要有四大定位導航系統，分別是GLONASS 衛星導航系統、伽利略衛星導航系統、GPS衛星導航系統和我國的北斗衛星導航系統，GPS 星導航系統相對來說更有優勢。

如圖6 所示，該系統選用的UM220-III L 芯片是UM220III NL 系列塊的第三代產品，包括BDS/GPS的高精度相對定位關鍵技術[8]，采用低功耗GNSS SoC 芯片-HumbirdTM，是現在市場上尺寸最小的GPS 模塊，其集成度高、應用方便，非常適合對精確度要求較高的學校周邊區域的交通狀況監測系統。GPS 電路如圖6 所示。

圖6 GPS電路

3 系統軟件設計

軟件設計選用Visual Basic 6.0，搭建學校周邊道路交通狀況監測與調控系統的界面，如圖7 所示。

圖7 軟件主界面

軟件主界面是由道路兩側可用車位查詢、停車場信息查詢、交通信號燈控制、道路違章停車監測、學校周邊道路攝像頭運轉狀況、車流量歷史數據、個性化以及返回按鈕組成的，實現了數據傳輸、監控設施檢測、違章停車監測以及信號燈調控、疫情相關車輛信息查詢等功能。

如圖8 所示，系統軟件的核心在于檢測學校周邊道路以及停車場可用車位的信息、交通信號燈的調控和違章停車，亦可以監測監控設施的可用性以及查看車流量歷史數據。普通用戶基本上只有瀏覽功能，并無信號燈控制、違章監測、監控設備和個性化設置的權限，而管理員享有所有操作權限。

圖8 系統軟件流程圖

上、下學期間私家車的停放已經成為學校周邊交通管理中不可避免的問題[9]，采用現代信息技術快速、準確、醒目地告知駕駛員可用車位的具體位置是一個重要的課題[10]。圖9 是學校周邊可用車位查詢界面，管理員或者用戶可以一鍵查詢學校周邊不同道路或者停車場的可用車位信息，也可以觀測不同路段實時車流量等信息。管理員可以發送可用車位信息給有停車需求的車主，有利于高效緩解交通壓力，避免交通堵塞。

圖9 可用車位查詢界面

如圖10 所示，信號燈控制界面可以查看信號燈實時狀態，針對當前路口交通信號燈智能控制優化方法中存在的響應時間較長等不足[11]，管理員可以通過選擇框快速調節信號燈指示狀態，點擊變更（在調整和復原前會有相應的警告窗彈出，有效避免了誤調情況的發生）即可改變信號燈的指示狀態。如果需要將信號燈指示狀態復原，只需要點擊復原按鈕就能使信號燈恢復原始狀態，有效彌補了目前只能調整信號配時的缺陷，有利于在特殊情況下更加便捷快速地對信號燈進行調控，保障道路正常通行。

圖10 信號燈控制界面

如圖11 所示，違章停車監測界面可以查看學校周邊道路違章停車的實時監控畫面。通過人工進行視頻實時監控或離線處理費時費力，而且效率低下[12]，但在該界面管理員可以點擊查看詳情，一鍵獲取有關車輛的詳細信息，記錄檔案并一鍵提醒挪車，有效監督每個駕駛員的車輛停放行為，第一時間發出警告，確保良好的道路秩序[13-16]。

圖11 違章停車監測界面

4 結束語

文中以STM32 主處理器為核心，通過專用攝像機和GPS 的信息采集，將數據傳輸給管理人員，管理人員發送信息給駕駛員或對信號燈指示狀態作出相應的調整，各操作之間通過無線通信完成。該設計方案適應學校周邊道路情況，提高車輛通信效率，保障良好交通秩序，結構簡單，可以在實踐中應用。