基于單片機的區域交通信號控制系統

孫耀杰，高騫

（河北工業大學 信息工程學院，天津 300401）

由于目前各種公共汽車、私家車數量的與日俱增，給城市居民行車安全以及道路交通的指揮管理帶來很大壓力，城市的交通擁擠問題逐漸引起人們的注意，人、車、路三者關系協調，已成為交通管理部門所面臨重要問題[1]。

交叉路口是城市道路網絡的基本節點，也是道路網絡交通流的瓶頸。目前，大部分無控制交叉口都存在高峰小時車流混亂、車速緩慢、延誤情況嚴重、事故多發、通行能力和服務水平低下等問題[2-4]。特別是隨著城市車流量的快速增長，城市無控制道路交叉口的交通壓力越來越大。因此，做好交叉口信號控制系統設計是緩解交通阻塞、提高城市道路交叉口車輛通行效率的有效方法。

道路交通系統是一個具有隨機性、模糊性和不確定性的復雜系統[5]，建立數學模型非常困難，有時甚至無法用現有的數學方法加以描述[6-7]。對于這種高隨機性的系統，時間固定和簡單劃分時間段的方法都不能很靈活地控制交通燈，而且難以實現區域性協調控制，這使得城市車流的調節不能達到最優。目前絕大部分交通燈的時間分配都是預先設定好的，不管是車流高峰還是低谷，紅綠燈的時間都固定不變的；還有一些交通燈能根據簡單劃分的時間段來調整時間。雖然有許多前人研究出富有成效的成果，但是實際應用的畢竟是少數，交通擁堵狀況仍然形勢嚴峻。

文中設計了一個能對某特定區域內多個路口交通信號燈進行控制的系統，并采用無線通信技術連接各路口控制單元。

1 系統結構及工作原理

1.1 系統總體結構

區域交通控制是指路口不太多、各路口間距離不太遠的某個特定范圍內的幾個路口交通燈的聯合控制。在此，假定某區域內路口數量為3～5個，各個路口間距離為800 m左右。系統總體結構框圖如圖1所示，為了達到預期的設計目的，需要完成的任務主要包括車輛檢測接口、時鐘模塊、鍵盤和顯示模塊、繼電器及其接口、無線通信模塊以及與上位機通信的串行接口模塊的軟、硬件設計。

圖1 系統結構圖Fig.1 Structure of system

1.2 系統工作原理

區域交通信號控制系統管理模式就是集中管理和控制，充分利用現有通信和控制技術，按實際交通現狀先進行單個交叉路口控制，使系統能夠根據輸入車流量信號動態調節紅綠燈點亮時間，然后考慮主干線協調控制，通過無線通信共享區域內各個路口的車流量狀態，以實現多路口集中控制，最終實現區域性協調控制。

圖2 無線網絡示意圖Fig.2 Wireless network diagram

如圖2所示，各交叉路口均有一個控制單元，其作用有3個：1）采集道路狀態檢測系統提供的車流量信號；2）控制該路口交通燈的亮滅；3）通過無線傳輸模塊發送該路口車流量信號。另外，其中一個路口控制單元作為主機，用來接收其他各路口發送的車流量信號，并根據此信號決定各路口交通燈的控制策略，并由無線通信模塊發送給其他各路口控制單元。因此，整個系統采用多路口集中控制，通過無線通信連接主機和各路口從機，以實現所謂的區域性協調控制。

2 系統硬件設計

2.1 車流量信號接口

目前車流量檢測方法量有多種，例如電磁感應法、超聲波檢測法，還有基于機器視覺的檢測方法等。超聲波檢測精度不高，容易受車輛遮擋和行人的影響，檢測的距離短；電磁感應線圈檢測精度高，但要求敷設于路面土木結構中，對路面有損壞，施工和安裝不便。文中假設是使用計算機視覺的方法檢測車流量，于控制器設置8位數字信號輸入端口或模擬信號輸入端口。

2.2 無線通信模塊

由多路口聯合控制的特點可知，采用鋪設通信線纜進行數據通信的方法是不可行的，不但施工不便，而且通信效率低，抗干擾性差。因此采用無線通信方式，不僅能克服以上缺點，而且便于增加和減少路口的數目。通過比較常用無線收發芯片主要參數，綜合考慮其無線傳輸性能之后，文中采用nRF905射頻模塊建立無線通信網絡。

采用通用的單片機STC89C52RC作為主控芯片，nRF905作為無線收發模塊，利用單片機模擬SPI口實現雙向通訊，SPI支持高速數據傳輸，從而滿足了射頻帶寬的要求。nRF905與單片機STC89C52RC的連接方式如圖3所示。

實驗階段使用無增益的PCB天線，射頻模塊設置為最大功率輸出時，通信距離可達100 m左右，實際應用時可采用帶有增益的天線，無線通信距離能夠大大提高，最高可達1 km以上，足以滿足本課題的需要。

2.3 顯示模塊

圖3 nRF905與STC89C52RC的接口電路圖Fig.3 Interface circuit of nRF905 and STC89C52RC

如圖4所示，采用字符液晶顯示器1602作為人機接口，通過1602液晶以及按鍵，我們可以方便地對控制器控制參數進行設定和修改，如實時時鐘設定，路口設定，交通信號燈延時時間設定等。

圖4 液晶顯示模塊Fig.4 LCD module

2.4 時鐘模塊

協調控制的主要目的是實現干線上的綠波控制，減少延誤時間。利用相鄰路口之間的相位差，讓通行車輛盡量遇到較多的綠燈。與單個交叉口控制不同，協調控制要求各路口控制器在相同的時下運行，并且執行完全相同的信號周期。

時鐘模塊采用芯片DS1302，它是美國DALLAS公司推出的實時時鐘芯片，具有功耗低、采用串行通信方式等優點。DS1302為系統提供精準時鐘，在接收和發送數據的同時記下當前的時間，從而實現系統的實時性控制。

3 系統軟件設計

3.1 相位設計

相位設計對信號系統起著重大作用，尤其是左轉相位。左轉相位使用保護許可型左轉相位，因為許可型左轉相位可以減少交叉口的延誤，但可能會影響交叉口的安全；保護型左轉相位能夠減少左轉車輛的延誤，但可能會增加整個交叉口的延誤。

左轉機動車是交叉口信號控制的難點，也是信號控制非常重要的設計對象。其他相位也是如此，盡量考慮到效率與安全的統一。

3.2 相序設計

通過設計控制環來描述一系列沖突相位啟動順序，控制環可以是單環控制、雙環控制或多環控制。下面以雙環控制單元為例說明控制環的設計方法。

如圖5所示，在隔離線兩側，兩個控制環之間的相位選擇應注意以下兩點：

1）同一控制環上的相位是相互沖突的；

2）隔離線同側的不同控制環上的相位可同時運行。

圖5 雙環控制單元相位相序圖Fig.5 Phase and phase sequence of double-loop control unit

3.3 無線模塊軟件設計

無線通信模塊軟件設計重點在于nRF905的寄存器配置，單片機通過SPI通信讀、寫nRF905的內部寄存器，完成控制命令的傳送以及有效數據的讀寫。實驗階段對nRF905寄存器的配置如下：

3.4 主程序流程

系統上電后首先要進行一系列參數設置，如實時時鐘、交通燈配時等，以適合當前路口路況。系統主程序流程如圖6所示。

圖6 主程序流程Fig.6 Flow of the main program

4 結束語

實驗表明，文中介紹的基于單片機的區域交通信號控制系統不僅穩定可靠、使用方便，而且功耗低、便于升級和功能擴展，能夠滿足大多數交通信號燈的控制要求，對提高城市道路交叉口車輛通行效率以及減少交通事故都有著深遠的意義。

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