基于多傳感器的惡劣天氣行人預(yù)警信號(hào)燈設(shè)計(jì)★

湯 敏 鄒常豐 李玉英

(東北林業(yè)大學(xué)交通學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150040)

隨著我國(guó)城市道路的迅猛發(fā)展以及機(jī)動(dòng)車(chē)保有量的日益增加，交通安全問(wèn)題已成為人民十分關(guān)注的問(wèn)題[1]。大雪大霧等惡劣氣象會(huì)降低能見(jiàn)度，極易出現(xiàn)嚴(yán)重的交通事故[2]，對(duì)行人以及車(chē)輛造成不可估量的損失，我國(guó)是一個(gè)人口大國(guó)，道路交通設(shè)施以及管理設(shè)施雖然有了很大的改進(jìn)，但是大多數(shù)城市的交通系統(tǒng)不夠完善更不提先進(jìn)了，盡管建立了交通控制中心，只是起到了監(jiān)視的作用，與管理，控制沒(méi)有太大關(guān)系[3]。無(wú)論是霧還是霾，一旦形成就會(huì)給外出活動(dòng)帶來(lái)極大的不便，尤其對(duì)道路交通造成嚴(yán)重阻礙。霧霾中行車(chē)，駕駛員看不清前面的路，信號(hào)燈辨識(shí)度很差，行人看不清信號(hào)燈或者低頭玩手機(jī)，導(dǎo)致闖紅燈過(guò)公路，由于是霧霾天氣，駕駛員很難看清是否有行人在過(guò)公路，極容易造成追尾等事故。

本文設(shè)計(jì)了一種基于多傳感器的惡劣天氣行人預(yù)警信號(hào)燈，該信號(hào)燈通過(guò)PM2.5傳感器GP2Y1010AU0F、溫濕度傳感器DHT11以及紅外光柵傳感器DQY-4004-NB-NK-PB-PK-J；并以嵌入式智能硬件Arduino為核心控制單元，將智能溫濕度數(shù)據(jù)、PM2.5數(shù)據(jù)以及行人過(guò)街信息進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，通過(guò)單片機(jī)軟件編程開(kāi)發(fā)一種具有環(huán)境數(shù)據(jù)檢測(cè)與行人預(yù)警功能的智能交通信號(hào)燈，可在惡劣天氣環(huán)境下極大程度的避免交通事故的發(fā)生。

1 系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

基于多傳感器的惡劣天氣行人預(yù)警信號(hào)燈如圖1所示。該裝置由紅色信號(hào)燈、黃色信號(hào)燈、綠色信號(hào)燈、報(bào)警指示燈、單片機(jī)、PM2.5傳感器、溫濕度傳感器、紅外光柵傳感器、顯示屏組成。其中單片機(jī)型號(hào)為ATmega328；PM2.5傳感器的型號(hào)為GP2Y1010AU0F；溫濕度傳感器的型號(hào)為DHT11；紅外光柵傳感器的型號(hào)為DQY-4004-NB-NK-PB-PK-J；顯示屏的型號(hào)為L(zhǎng)CD2004。

系統(tǒng)的核心是ATmega328控制器，它與PM2.5傳感器、溫濕度傳感器以及紅外光柵傳感器通過(guò)單片機(jī)內(nèi)部集成的串口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的通訊，以此獲取溫濕度數(shù)據(jù)、PM2.5數(shù)據(jù)以及行人過(guò)街信息，并對(duì)信號(hào)燈進(jìn)行控制，降低交通事故發(fā)生概率，提高交通安全性。

2 硬件設(shè)計(jì)

基于多傳感器的惡劣天氣行人預(yù)警信號(hào)燈中的數(shù)據(jù)采集傳感器包括以下三種元件：選擇DHT-11作為溫濕度傳感器，GP2Y1010AU0F作為PM2.5傳感器獲取空氣中霧霾濃度，DQY-4004-NB-NK-PB-PK-J紅外光柵傳感器獲取行人通過(guò)人行道信號(hào)燈等候區(qū)信息。

DHT-11數(shù)字溫濕度傳感器是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器[4]。DHT-11典型應(yīng)用電路如圖2所示。它應(yīng)用專(zhuān)用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，確保產(chǎn)品具有極高的可靠性與卓越的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。該產(chǎn)品具有品質(zhì)卓越、超快響應(yīng)、抗干擾能力強(qiáng)、性?xún)r(jià)比極高等優(yōu)點(diǎn)[5]。每個(gè)DHT-11傳感器都在極為精確的濕度校驗(yàn)室中進(jìn)行校準(zhǔn)。校準(zhǔn)系數(shù)以程序的形式儲(chǔ)存在OTP內(nèi)存中，傳感器內(nèi)部在檢測(cè)信號(hào)的處理過(guò)程中要調(diào)用這些校準(zhǔn)系數(shù)。單線制串行接口，使系統(tǒng)集成變得簡(jiǎn)易快捷。超小的體積、極低的功耗，信號(hào)傳輸距離可達(dá)20 m以上，使其成為各類(lèi)應(yīng)用甚至最為苛刻的應(yīng)用場(chǎng)合的最佳選擇。

GP2Y1010AU0F與ATmega328控制器的連接圖如圖3所示。GP2Y1010AU0F是一種可以感知空氣中塵埃粒子濃度的光學(xué)空氣質(zhì)量傳感器[6]，其內(nèi)部包括光電晶體管和紅外發(fā)光二極管，通過(guò)探測(cè)空氣中細(xì)小顆粒的反射光實(shí)現(xiàn)對(duì)空氣中塵埃粒子濃度的檢測(cè)。

將上述選擇的傳感器連于單片機(jī)，單片機(jī)的作用是接收紅外傳感器傳回的數(shù)據(jù),并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理再傳輸?shù)缴衔粰C(jī)中[7],實(shí)現(xiàn)從傳感器到上位機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸及數(shù)據(jù)處理，通過(guò)單片機(jī)引腳自動(dòng)分壓后可提供上述傳感器所需的工作電壓。傳感器含發(fā)射紅外線的二極管以及檢測(cè)紅外線的PSD(位置敏感檢測(cè)器)[8],紅外測(cè)距傳感器有三根引線，從左到右依次為黃色，功能為連接電源線VCC；黑色，功能為接地線GND；紅色，功能為傳輸數(shù)據(jù)[9]，連接于單片機(jī)的模擬信號(hào)輸入ANALOG IN。

3 系統(tǒng)工作流程

基于多傳感器的惡劣天氣行人預(yù)警信號(hào)燈工作流程如圖4所示。環(huán)境數(shù)據(jù)檢測(cè)與行人預(yù)警交通信號(hào)燈，按照下述步驟進(jìn)行：首先進(jìn)行初始參數(shù)設(shè)置，包括每個(gè)相位的紅綠黃燈的周期時(shí)長(zhǎng)；將PM2.5傳感器的數(shù)據(jù)輸出端與單片機(jī)的串口讀取端相連，實(shí)時(shí)檢測(cè)信號(hào)燈周?chē)諝庵蠵M2.5含量；將溫濕度傳感器的數(shù)據(jù)輸出端與單片機(jī)的數(shù)字量讀取端相連，實(shí)時(shí)檢測(cè)信號(hào)燈周?chē)諝庵袦貪穸葦?shù)據(jù)；通過(guò)單片機(jī)外圍電路中的模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器將紅外光柵傳感器輸出端輸出的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，再將模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器的數(shù)字量輸出端與單片機(jī)的數(shù)字量輸入端相連，通過(guò)單片機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)紅外光柵傳感器的狀態(tài)信息，檢測(cè)是否有行人通過(guò)；通過(guò)單片機(jī)中的定時(shí)器進(jìn)行計(jì)時(shí)，根據(jù)各相位中紅綠黃燈的周期時(shí)長(zhǎng)控制紅色信號(hào)燈LED1、黃色信號(hào)燈LED2、綠色信號(hào)燈LED3的亮滅；顯示屏與單片機(jī)的數(shù)字量輸入端連接，顯示當(dāng)前信號(hào)燈剩余時(shí)間、PM2.5含量以及溫濕度數(shù)據(jù)；系統(tǒng)判斷當(dāng)前被點(diǎn)亮的信號(hào)燈的顏色狀態(tài)，若紅色信號(hào)燈或黃色信號(hào)燈被點(diǎn)亮，則報(bào)警指示燈LED4一直處于關(guān)閉狀態(tài)，若綠色信號(hào)燈被點(diǎn)亮，則系統(tǒng)根據(jù)步驟四判斷是否行人通過(guò)，若無(wú)行人通過(guò)，則報(bào)警指示燈LED4處于關(guān)閉狀態(tài)；若有行人通過(guò)，則報(bào)警指示燈LED4發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著我國(guó)城市道路的迅猛發(fā)展以及機(jī)動(dòng)車(chē)保有量的日益增加，交通安全問(wèn)題已成為人民十分關(guān)注的問(wèn)題，針對(duì)惡劣天氣下，駕駛員看不清前面道路情況，信號(hào)燈辨識(shí)度很差，行人看不清信號(hào)燈或低頭玩手機(jī)，導(dǎo)致闖紅燈過(guò)公路，極容易造成追尾等事故的發(fā)生。本文通過(guò)PM2.5傳感器GP2Y1010AU0F、溫濕度傳感器DHT11以及紅外光柵傳感器DQY-4004-NB-NK-PB-PK-J；并以嵌入式智能硬件Arduino為核心控制單元，將智能溫濕度數(shù)據(jù)、PM2.5數(shù)據(jù)以及行人過(guò)街信息進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，通過(guò)單片機(jī)軟件編程開(kāi)發(fā)一種具有環(huán)境數(shù)據(jù)檢測(cè)與行人預(yù)警功能的智能交通信號(hào)燈。可實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)燈周?chē)諝庵械臏貪穸葦?shù)據(jù)以及PM2.5值進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，為環(huán)保局等有關(guān)部門(mén)以及相關(guān)領(lǐng)域的科研人員提供大數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)的科學(xué)研究，并在霧天等能見(jiàn)度較差的天氣下，當(dāng)信號(hào)燈處于紅燈相位并通過(guò)光柵傳感器檢測(cè)出來(lái)人行道有行人通過(guò)時(shí)，系統(tǒng)可將檢測(cè)信號(hào)傳給信號(hào)燈，通過(guò)信號(hào)燈上的報(bào)警指示燈為對(duì)應(yīng)車(chē)道的司機(jī)提出預(yù)警，避免交通事故的發(fā)生。