基于MATLAB圖形圖像處理的智能交通燈設計方法

聶 影，程允麗

(廣州南洋理工職業(yè)學院，廣東 廣州 510925)

1 問題的引出

隨著我國經濟技術的快速發(fā)展，汽車制造技術的廣泛應用，公民對汽車的購買力明顯增強，汽車的保有量急劇上升，導致的結果是全國各大城市甚至是二、三線城市交通堵塞，車禍頻出。雖然交通局在車流量較大的十字路口都設計了紅、黃、綠交通燈(如圖1所示)，但這并不能緩解市中心高峰時期的車輛擁堵現象。有時候主干道的汽車排起了長龍，連綿不絕2 km，往往要等待好幾個紅綠燈，才能通過該十字路口。反觀另外一條次干道，卻車輛稀疏,而兩道的紅綠燈時間卻是完全一樣,這極大地浪費了車主的時間和道路資源。基于以上原因，筆者結合自己的專業(yè)，將所學知識應用到實際問題中，通過MATLAB圖形圖像處理將十字路口的車流量轉換成數字信號，再與單片機控制結合起來，通過設計、編程、仿真，實現可以通過車流量來控制十字路口紅綠燈延時的智能交通燈設計。

圖1 十字路口交通車輛模擬圖

2 設計思路

目前國內的交通燈大多采用單片機或者PLC控制，關于PLC控制和單片機控制的優(yōu)劣，筆者已經在文獻[1]中論述，因此本文決定采用51系列單片機AT89C51來控制交通燈信號。目前國內交通燈信號的轉換時間一般介于10 s～150 s之間。不同的轉換時間，駕駛人員會有不同的感受。具體分類情況見表1。

基于表1，筆者將車流量分成了A、B、C、D四個等級，并且取其中三個等級作為分支語句的條件，當主干道車流量不大時，紅燈延時20 s；當主干道車流量較大時，紅燈延時50 s；當主干道車流量巨大時，紅燈延時100 s。

表1 交通燈信號轉換周期分類

3 交通燈車流量信息的提取

3.1 車流量檢測

檢測道路車流量的方法大致可分為兩大類：一類是傳感器檢測，比如基于壓電回路的永久埋入式系統，但這種系統施工復雜,不便于維護；另一類是懸掛式系統,包括微波、紅外線、雷達等檢測系統，這類系統造價較高,采集信息單一。

隨著計算機和圖像處理技術的發(fā)展,基于圖像處理技術的車流量檢測方法因具有覆蓋范圍大、檢測信息豐富、維護方便、安裝簡單等優(yōu)點成為車流量檢測技術的發(fā)展趨勢。而且現在交通信號燈均已安裝了攝像頭抓拍鏡頭，用以處理交通違章現象。因此通過圖像處理技術來進行智能交通燈的改造，只需要解決軟件技術問題，硬件部分不再需要額外補充，大大節(jié)約了硬件成本。

3.2 差分混合處理技術

攝像頭抓拍的照片，若是直接讀取其車流量會造成很大的誤差，原因如下：①抓拍的圖片是動態(tài)圖，圖像清晰度不高；②不同時間段(早晚、晴雨、風雪、春夏)自然光強度不同，對圖片信息的判斷也會有誤差；③道路上汽車有各種各樣的顏色，深色車(如紅色、黑色)和淺色車(如銀色、白色)對光電勢也有影響,顏色越淺光電勢越強,反之則越弱；④抓取的圖片角度不同，近處的車能夠全部讀取，遠處的車就會被前面的車遮住車頭，只剩下車尾，這樣在圖片信息轉換時，讀取量也勢必減半。

基于以上各種原因，我們很難從攝像頭中直接讀取到有用的信息，因此筆者借鑒了模電放大電路中的知識點。我們知道，由于溫度對三極管的影響比較大，因此由三極管構成的共射級放大電路經常會由于靜態(tài)工作點的不穩(wěn)定而造成信號失真(飽和失真、截止失真)，因此設計者采用差分電路來消除電路的零點漂移。對于攝像頭抓拍照片存在的問題，它在X道和Y道都是一樣存在的，所以我們只要將兩條道路的值取出來進行比較，即可得到道路的相對擁堵情況，進而進行延時處理。

設東西方向道路為X，南北方向道路為Y(如圖1所示)，我們將交通燈攝像頭抓怕的照片傳到電腦終端，通過MATLAB進行圖形圖像處理。其具體步驟如下：①讀取攝像頭抓拍的照片；②利用MATLAB進行灰度、閾值處理；③提取X軸車流量密度Rx；④提取Y軸車流量密度Ry；⑤混合差分處理。

將X方向與Y方向進行對比：

4 編程單片機控制智能交通燈流程

通過以上分析，我們可以編寫出單片機控制智能交通燈的流程圖如圖2所示。

有了主程序，再加上延時子程序、顯示子程序、中斷子程序等(此處略)，就可構成智能交通燈的控制。為了得到更好的效果，我們可以通過Proteus軟件進行仿真，或者自制出PCB板加上外圍硬件電路對其進行實驗驗證。通過驗證，可以發(fā)現理論中設想不到的問題，再根據實際問題進行更正、測試，不斷完善以檢查電路設計的正確性。

圖2 智能交通燈主程序流程圖

5 Proteus仿真

由于實驗環(huán)境的局限性，本次設計只停留在Proteus仿真階段。由于Proteus內部沒有元件庫與MATLAB相結合，我們可以采用智能溫度傳感器DS18B20來代替MATLAB傳遞的電路信號。

通過Keil軟件進行編程，將寫好的程序通過編譯、鏈接，轉換成機器代碼.hex文件。最后將Keil與Proteus進行聯調，仿真得到十字路口交通燈的紅綠燈控制。十字路口交通燈的Proteus仿真如圖3所示。

圖3 十字路口交通燈的Proteus仿真

6 總結

智能交通燈的實現，可以使得各方向上的車流達到合理均衡的狀態(tài)，減少停車次數，疏通交通擁擠，也提高了交通安全，同時還能夠有效地減少汽車尾氣的排放，保護了人們賴以生存的自然環(huán)境，給人們創(chuàng)造一個美好的出行環(huán)境。

參考文獻：

[1] 聶影.交通燈設計方法探討 ——比較單片機和PLC設計方法的優(yōu)劣[J].中國科技縱橫,2017(12):70-71.

[2] 聶影.MATLAB軟件應用研究[J].軟件導刊,2014,13(7):102-104.

[3] 楊潔,葉晶晶,劉海民.基于STC89C52RC十字路口交通燈的設計[J].電子測試,2016(19):14-16.

[4] 郭循釗,鄺帆,邵平,等.基于單片機的多功能交通燈控制系統設計與仿真實現[J].公路交通技術,2010(1):128-131.

[5] 杜瑞雪,丁洪偉,梁竹關,等.基于FPGA的輪詢控制智能交通燈系統的設計[J/OL].實驗科學與技術,1-7(2017-07-03).http://kns.cnki.net/kcms/detail/51.1653.N.20170703.1800.010.html.