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智能交通燈控制系統(tǒng)分析

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智能交通燈控制系統(tǒng)分析

摘要:目前交通路口的紅綠燈基本都是固定時(shí)長控制,遇到復(fù)雜的路況時(shí)會引起交通擁堵,本文提出一種控制方法,根據(jù)車速判別路口的擁堵程度,動態(tài)調(diào)整交通燈時(shí)長,并設(shè)計(jì)了軟硬件,通過仿真實(shí)驗(yàn)表明,該控制方法能有效的降低交通路口的擁堵程度,提高道路的通行效率。

關(guān)鍵詞:交通燈;動態(tài)設(shè)置;ZigBee

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)的控制算法相對復(fù)雜,成本較高。本文提出一種簡便的交通燈控制系統(tǒng),通過兩個(gè)檢測器自動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)車速檢測模塊,●為一號檢測點(diǎn),◆為二號檢測點(diǎn),1為左轉(zhuǎn)道,2為右轉(zhuǎn)直行道,如圖1所示。車速檢測模塊會感應(yīng)到其上方是否有車輛通過,若有車輛經(jīng)過其上方,檢測模塊輸出高電平,否則檢測模塊輸出低電平。因此,當(dāng)車輛通過車速檢測模塊時(shí),會產(chǎn)生一個(gè)脈沖信號,脈沖信號的寬度代表車輛通過檢測器的時(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)在路通燈變?yōu)榫G燈后,忽略掉起動損失時(shí)間,根據(jù)車道前后2個(gè)檢測器上方車輛通過的速度與設(shè)定的閾值做比較,自動判斷車道的擁堵程度。判斷規(guī)則如下所示:一號點(diǎn)不擁堵,二號點(diǎn)不擁堵,說明車道不擁堵;一號點(diǎn)擁堵,二號點(diǎn)不擁堵,說明車道輕微堵?lián)?;一號點(diǎn)擁堵,二號點(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)由車速檢測模塊、智能控制主機(jī)、交通燈模塊組成。車速檢測模塊、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車速檢測模塊

車速檢測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??刂破髂K采用STC8A8K64S4A12作為主控芯片,負(fù)責(zé)超聲波模塊的驅(qū)動和車速檢測。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)策略判斷出檢測點(diǎn)的擁堵程度,再通過ZigBee模塊將檢測點(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模塊將控制信號發(fā)送給交通燈模塊,動態(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ZigbeePro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)對多點(diǎn)及多點(diǎn)對多點(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。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CSRBC04External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)動控制專用芯片TM1616可以直接驅(qū)動4位數(shù)碼管,因此,四個(gè)方向的數(shù)碼管用一片TM1616驅(qū)動即可。主控芯片與TM1616只需3根線連接,通過串行通信對數(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。

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。

6結(jié)論

本文提出一種簡便方法,通過檢測器檢測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,才能得到精確的動態(tài)調(diào)整時(shí)長。

參考文獻(xiàn)

[1]張永志.基于單片機(jī)的自適應(yīng)交通信號燈控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子測試,2020(19):32-33+89.

[2]牛亞莉.基于單片機(jī)的智能交通燈控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程,2020,28(18):136-139.

[3]王春娥,周磊,徐子富,等.基于ZigBee的車載交通燈監(jiān)視系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].鹽城工學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2020,33(2):70-73.

[4]劉恒源,彭衛(wèi)青,裴博,等.車載交通信號燈狀態(tài)采集和顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].科技視界,2019(5):61-63.

作者:陳震 李平 單位:泰州職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息技術(shù)學(xué)院

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