基于光電監測及無線網絡的無線交通監測控制系統

文/何劍明 陳佳怡

1 無線傳感器網絡概述

由大量廉價的微型傳感器節點構成了無線傳感器網絡，并且通過無線通信的方式組成了一個多條自組織的無線分布系統，其主要作用是將網絡覆蓋區域中的感知對象信息發送至數據中心，無線傳感器網絡的三大要素包括感知對象、傳感器以及觀察者，涉及的領域較廣，包括傳感器、芯片制造、嵌入式計算、計算機網絡以及軟件技術等，屬于多種學科交叉的研究領域，發展過程如圖1所示。

無線傳感器網絡主要包括了節點約束、節點角色以及節點功能需求等方面。其中無線傳感器的節點通常分為三類，包括中繼節點、感知節點以及匯聚節點等，在不同的監測區都存在大量的感知節點，以自組織的方式形成多條通信網，通過中繼節點逐條進行傳輸，在傳輸期間也同樣可以被其他節點使用，通過多條傳輸后的數據監測達到匯聚點。在對無線傳輸的網絡節點進行設計期間，往往會考慮到便攜性、低成本以及低能耗，這能夠讓傳感器的處理能力、存儲能力以及通信能力非常弱，這種能量的供給僅來自于攜帶的電池，除了需要信息的感知和處理之外，更需要對信息進行存儲和融合處理，與其他節點共同完成協作任務。無線傳感器網絡節點功能需求如圖2所示。

無線傳感器網絡節點絕非僅僅只是在單獨某一項功能，在實際生活中需要根據具體情況，結合低能耗、低成本的原則，使得無線網絡節點能夠承擔不同的角色任務。

2 系統設計原理

交通流量具有非線性以及時變性等諸多特點，更是具有較大的隨機性，在建立精確的數學模型時具有較高的難度，基于這種情況，該系統設計了一種根據汽車流量，決定信號燈配時的控制系統。其內容主要包括以下幾方面：

（1）信號燈的亮、滅可以通過控制器用手動或者自動的方式控制，在采用手動模式時，能夠對交通信號燈的放行以及停止時間進行設定，而在自動模式下時，能夠根據車流量的大小和具體交通情況（例如上下班高峰期），對交通信號燈的放行、停止時間進行有效控制。

（2）通過這種控制器能夠對車輛的流量起到良好的控制和記錄。

（3）若是遇到特殊車輛通過，能夠在第一時間指揮特殊車輛優先通過。

3 無線交通監測控制系統達成目標的過程

3.1 設計后信號燈的功能

交通燈管理系統除了讓現階段交通燈系統的基本功能充分發揮效果，還額外增加了以下幾個方面的功能：

（1）因為車輛在車道放行通過的時間是有限制的，以至于在主車道的路口容易出現擁堵的情況，從而導致車輛不能在限定的時間內通過，因此其可以在車輛具體通行數量和不同時段的基礎上自動調節交通信號燈綠燈（放行）或者紅燈（停止）的時間；

（2）一旦發生緊急交通情況則要進行手動控制，從而使系統的可控性和安全性提高；

（3）可以判斷車輛故障，并且如果某個車道出現事故車輛，信號燈也可以提醒后面行駛的車輛變道，從而讓道路更加暢通。

3.2 選擇科學合理的方案

單片機方案：單片機是一種集成電路芯片，其主控芯片主要使用TI公司的MSP430F5529。MSP430F5529作為混合信號微控制器，其功耗低，操作簡單方便，同時配置集成的USB層及物理層支持USB2.0，1臺性能較高的12位模擬數字轉換器，4臺16位定時器，2個通用串行通信接口，此外還包含了硬件乘法器、DMA、實時時鐘模塊和報警功能和63 I/O口線，這樣使得其特征能夠更為明顯的體現出來。

無線通信芯片方案：其無線通信芯片主要使用TI公司的CC2630。CC2630是一種無線MCU，其主要是針對ZigBee和6LoWPAN的應用，這個組件是CC26xx系列中的效果好、經濟實惠、低功耗2.4GHz RF組件。其具備功率非常低的有源RF和MVU電流，同時也正因為其功率消耗低，使得電池使用壽命有效增加，此外，在能源采集型應用中，小型紐扣電池也可以被有效使用，在工作模式處于發射狀態的情況下，并且當發射功率處于0dBm的時候，其電流消耗為5.9mA,當工作處于接受模式時，其電流消耗為6.1mA。從無線通信芯片低功率消耗特性可以證明，在ZigBee和6LoWPAN網絡中，能量采集終端節點以及電池供電的最佳選擇就是CC2630。

車輛檢測方案：紅外檢測技術是車輛監測方案所應用的最主要的方案。首先把紅外傳感器鑲嵌進道路的表面，同時在紅外傳感器上面安裝鋼化玻璃板對其進行保護。再借助紅外線感應的原理進行監控，一旦車輛在設有紅外傳感器的路面經過或者經停時，紅外傳感器便會被觸發，其電平也隨之發生變化，從而進行車輛通行的判斷。

3.3 無線交通監測控制系統的工作流程

首先由紅外傳感器對車輛通行情況進行監測，之后將實際的交通情況通過無線通信發送到主機，當主機記錄并整合每一個時刻的車輛流經信息后，再分析最近一次紅綠燈交替時每個路口的路況，從而控制接下來紅綠燈的交替時間，從而讓自動調整交通的目標得以落實。此外，要懂得在交通擁堵時合理使用特殊的信號燈為遠方車輛進行指示，使其能夠及時進行變道行駛，進而預防發生更嚴重的交通擁堵狀況。若遇到緊急特殊的交通情況，如120、110、119等救急車輛所發出的警報，就要及時將該車輛行駛方向的信號燈手動強制更換為綠燈，使得救急車輛在通行時盡量不受到任何影響。

圖1：無線傳感器網絡技術發展

圖2：無線傳感器網絡節點內部功能結構

4 分析整合測試的結果

從測試結果可以看出，本文的設計讓無線交通監測控制系統增加了一些有效功能，首先控制器對信號燈的亮滅以及智能指揮可以手動和自動隨時切換，自動控制時可以根據車輛的具體交通情況和不同時段來使得交通信號燈綠燈和紅燈的交替時間自動調節，手動控制時可以根據實際狀況自由設置交通信號燈綠燈和紅燈的交替時間。其次當緊急車輛經過時，可以及時指揮緊急車輛優先通過。此外，控制器還可以統計路口車輛的流量，當某個路口發生交通事故或造成交通擁堵的時候，可以及時指示車輛變道通行。最后，其還具備記憶路況的功能，可以根據具體車輛的通行情況自動調整交通信號燈紅燈和綠燈交替的時間。

5 結束語

總結而言，在現階段包括未來的交通管控過程中，科學技術的發展只會要求交通信號燈的技術水平不斷提高，經過對交通信號燈控制電路的設計，可以采用通用化和模塊化來使得無線交通控制系統更加智能，使得其緊跟時代發展的腳步，逐漸創新升級，從而讓交通更加便利。