一種智能交通指揮引導系統設計

熊國良，朱正清，王小明

（華東交通大學 機電工程學院，南昌 330013）

0 引言

隨著城市的發展和商業化水平的提高，交通區域不斷擴大，交通路線不斷延伸，城市軌道交通已經逐步形成網絡化、規模化格局[1]。我國霧霾天氣時有發生，特別在經濟發達的北上廣等一線城市，嚴重的霧霾天氣不僅影響著人們的健康還影響著人們的出行，此時的交通系統往往會失去其應有的作用。為了緩解霧霾天氣下的交通狀況，提高交通通行效率和安全，本文在現有交通系統的基礎上，設計了一種可應用于霧霾天氣下的智能交通指揮引導系統。

1 系統的結構與工作原理

1.1 系統的結構

系統以ARM9嵌入式處理器S3C2440為主控制器[2]，主要包括交通路口部分、STC89C51單片機模塊、2個方向的車輛檢測模塊和行人檢測模塊、交通信號燈、PMS5003型霧霾傳感器、指揮引導模塊、ZigBee模塊、視頻監控模塊、電源模塊等，其中指揮引導模塊包括語音提醒模塊和爆閃燈模塊，如圖1所示。

1.2 系統的工作原理

本系統在現有交通系統的基礎上，以圖2所示的交通路口為例進行設計，將路口分為具有相同工作原理的A區域和B區域。以A區域為例進行介紹，并將A區域劃分為A11、A12、A21和A22區域。

工作原理：通過霧霾傳感器檢測空氣中的霧霾含量，當空氣中霧霾濃度超過國家規定的紅色標準線時，單片機模塊、車輛檢測模塊、行人檢測模塊、指揮引導模塊、ZigBee模塊開始工作，否則，本系統和現有系統工作狀態一樣。

圖1 系統框圖

圖2 交通路口設計圖

當霧霾濃度超過國家規定的紅色標準線時，嵌入式系統將信號通過ZigBee無線網絡輸送給單片機，系統對車輛和過斑馬線行人的指揮引導工作原理如下：

1）對車輛的指揮引導：因受霧霾天氣的影響，駕駛員不能看清交通信號燈上的紅綠燈信號。當車輛經過機動車道處的電感環檢測器時，單片機判斷有車輛。如果此時所對應車道的交通信號燈上的紅綠燈信號為紅燈或者黃燈，單片機控制爆閃燈模塊工作，爆閃燈閃爍強光，駕駛員看到強光閃爍停車。當駕駛員沒有看到強光閃爍時，可以正常行駛。

2）對行人的指揮引導：因受霧霾天氣的影響，行人不能判斷是否可以安全通過斑馬線。當行人需要過斑馬線時，將根據地面上的引導標線走到非機動車道的壓力傳感器A區域，單片機檢測到壓力傳感器A模塊輸入的信號并通過ZigBee無線網絡將信號輸送給嵌入式系統，嵌入式系統控制語音提醒模塊播報語音：“X路方向可以通行”或者“X路方向，還有X秒可以通行”，從而提醒行人是否可以通行或者需要等待的時間。

針對出現行人強行通過斑馬線或者在通過斑馬線途中不能繼續通行的情況，系統提供的解決方案原理：行人在經過壓力傳感器B檢測區域時，并且該壓力傳感器臨近兩條車道上的電感環檢測器有檢測到車輛，該兩車道對應的爆閃燈閃爍強光，例如行人走到左轉道和直行道中間的壓力傳感器B檢測區域，如果左轉道或者直行道的電感環檢測器檢測到車輛，則這兩條車道的爆閃燈都閃爍強光，提醒司機有行人正在通過斑馬線。當行人走到位于A區域和B區域中間處的壓力傳感器C檢測區域時，如果A11區域的左轉車道或者B21區域的左轉車道檢測到車輛，則這兩條車道上的爆閃燈都閃爍強光，并且單片機通過ZigBee無線網絡將信號輸送給嵌入式系統，嵌入式系統控制語音提醒模塊播報語音：“X路方向可以通行”或者“X路方向，還有X秒可以通行”。

2 主要模塊設計

系統的主控制器由S3C2440微處理器及其外圍電路組成，副控制器由STC89C51單片機及其外圍電路組成。主控制器和副控制器通過ZigBee模塊構建的ZigBee無線網絡[3]實現信號間的傳輸。

2.1 車輛檢測模塊

系統采用基于電磁感應原理的電感環檢測器[4]作為車輛檢測模塊的傳感器，電感環檢測器設置在靠近紅燈停止線3～6米的車道上。當有車輛經過時，由于互感作用將在金屬車體內產生渦流，進而使得感應線圈的電感量減小，單片機對振蕩電路的振蕩頻率進行檢測，計算電感變化量，從而判斷是否有車輛經過。車輛檢測模塊原理框圖，如圖3所示。

圖3 車輛檢測模塊框圖

圖3中，電感環檢測器和振蕩電路中的電容、反相器74LSO4構成便于單片機檢測的電容三點式振蕩電路，振蕩電路輸出的正弦信號經過整形電路變成同頻率的方波信號輸入到單片機中。

2.2 行人檢測模塊

系統采用壓阻式壓力傳感器作為檢測行人模塊的傳感器，在壓力傳感器上方設有硬質保護殼并構成整體，保護殼與車道路面持平。根據系統設計的交通路口，共需要18個壓力傳感器，并將傳感器分為壓力傳感器A、壓力傳感器B和壓力傳感器C。A區域和B區域的壓力傳感器A模塊的輸出端通過或門74LS32輸入到單片機中；A11區域和A21區域對應的兩個壓力傳感器B模塊的輸出端通過或門74HC32輸入到單片機中；兩個壓力傳感器C模塊的輸出端通過或門74HC32輸入到單片機中。壓力傳感器模塊原理框圖，如圖4所示。

圖4 壓力傳感器模塊框圖

2.3 霧霾傳感器

經過研究過程中的反復對比，最終選用PMS5003型霧霾傳感器[4]作為系統檢測霧霾數據的傳感器。該傳感器通過激光散射到空氣中測定空氣中懸浮顆粒物，折算得出顆粒物濃度。傳感器設置在交通信號燈上方，是一款經濟型的TTL串口輸出霧霾傳感器。原理框圖如圖5所示。

圖5 霧霾傳感器原理框圖

2.4 語音提醒模塊

語音提醒模塊播報的內容包括：“X路方向可以通行”和“X路方向，還有X秒可以通行”。系統選用MP3語音模塊，該模塊采用集成語音芯片可直接讀取SD卡中的語音文件，并與嵌入式系統進行串口通信。

2.5 爆閃燈模塊

爆閃燈位于紅燈停止線一側，其外部設有硬質保護殼并構成整體，保護殼與車道路面持平。系統選用12V直流電壓供電的爆閃燈，爆閃燈模塊電路圖如圖6所示。

圖6 爆閃燈模塊電路圖

3 系統軟件設計

系統的軟件設計從結構上分別包括兩部分：ARM控制板的軟件設計和單片機控制系統的軟件設計[6]。

3.1 ARM控制板主程序流程圖

ARM控制板主程序流程圖，如圖7所示。

圖7 ARM控制板主程序流程圖

3.2 單片機控制系統主程序流程圖

單片機控制系統主程序流程圖，如圖8所示。

圖8 單片機系統主程序流程圖

4 結論

本文對一種可應用于霧霾天氣下的智能交通指揮引導系統的解決方案進行了探討和研究，基本上實現了系統的設計要求，可以滿足交通系統在霧霾天氣下的使用。本系統的創新之處：在現有交通系統的基礎上，通過ZigBee模塊實現了主控制器和副控制器之間的通信，系統更容易維護，成本更低；通過霧霾傳感器可以控制副控制器的工作狀態，節約了能源損耗；通過車輛檢測模塊、行人檢測模塊和指揮引導模塊可以實現霧霾天氣下對車輛和行人的正確指揮引導，提高了交通通行效率和安全，有效的減少了交通堵塞和交通事故的發生，使得交通系統智能化水平更高、更便捷、更可靠和更安全，本系統的研究實現具有很強的使用價值和社會意義。