一種智能交通燈控制系統

陳震 李 平

（泰州職業技術學院信息技術學院，江蘇 泰州225300）

1 概述

隨著我國城市化進程的加快，城市道路交通越來越發達，但是機動車數量的快速增多也使得道路交通的擁堵問題變得越來越嚴重，因此交通燈控制的重要性也與日俱增[1-2]。目前，交通燈的時間大部分都是人工設置好的，在遇到早晚上下班高峰時段，都需要人工根據路口的交通擁堵情況手動控制交通燈的時長，智能化程度很低。雖然也有很多智能化交通燈控制系統出現和應用，使得交通擁堵問題得到一定程度的緩解，但是系統的控制算法相對復雜，成本較高。本文提出一種簡便的交通燈控制系統，通過兩個檢測器自動判斷道路車輛的擁堵程度，并根據道路車輛的擁堵程度實時調整交通燈的時長。

2 車道擁堵的判斷

以單交叉路口為例，單交叉路口是一個4 相位系統，四個方向均有右轉直行和左轉2 個車道。東西向右轉直行是第1 相位，東西向左轉是第2 相位，南北向右轉直行是第3 相位，南北向左轉是第4 相位。在車道離路口一定的距離前后分別埋設2個車速檢測模塊，●為一號檢測點，◆為二號檢測點，1 為左轉道，2 為右轉直行道，如圖1 所示。

圖1 單交叉路口示意圖

車速檢測模塊會感應到其上方是否有車輛通過，若有車輛經過其上方，檢測模塊輸出高電平，否則檢測模塊輸出低電平。因此，當車輛通過車速檢測模塊時，會產生一個脈沖信號，脈沖信號的寬度代表車輛通過檢測器的時長，脈沖寬度越小，說明車速很快，反之說明車速很慢。本系統在路口交通燈變為綠燈后，忽略掉起動損失時間，根據車道前后2 個檢測器上方車輛通過的速度與設定的閾值做比較，自動判斷車道的擁堵程度。判斷規則如下所示：

一號點不擁堵，二號點不擁堵，說明車道不擁堵；

一號點擁堵，二號點不擁堵，說明車道輕微堵擁；

一號點擁堵，二號點擁堵，說明車道嚴重堵擁。

3 紅綠燈時長的設置策略

根據前后2 相的擁堵情況，自動設置紅綠燈的時長。以第1相位和第2 相位為例：

若東西右轉直行方向不擁堵，東西左轉方向不擁堵，東西右轉直行方向綠燈時長不變，東西左轉方向綠燈時長不變；若東西右轉直行方向不擁堵，東西左轉方向輕微擁堵，東西右轉直行方向綠燈時長減少10 秒，東西左轉方向綠燈時長增加10 秒；

若東西右轉直行方向不擁堵，東西左轉方向擁堵嚴重，東西右轉直行方向綠燈時長減少20 秒，東西左轉方向綠燈時長增加20 秒；

若東西右轉直行方向輕微擁堵，東西左轉方向不擁堵，東西右轉直行方向綠燈時長增加10 秒，東西左轉方向綠燈時長減少10 秒；

若東西右轉直行方向輕微擁堵，東西左轉方向輕微擁堵，東西右轉直行方向綠燈時長增加10 秒，東西左轉方向綠燈時長增加10 秒；

若東西右轉直行方向輕微擁堵，東西左轉方向擁堵嚴重，東西右轉直行方向綠燈時長增加10 秒，東西左轉方向綠燈時長增加20 秒；

若東西右轉直行方向擁堵嚴重，東西左轉方向不擁堵，東西右轉直行方向綠燈時長增加20 秒，東西左轉方向綠燈時長減少20 秒；

若東西右轉直行方向擁堵嚴重，東西左轉方向輕微擁堵，東西右轉直行方向綠燈時長增加20 秒，東西左轉方向綠燈時長增加10 秒；

若東西右轉直行方向擁堵嚴重，東西左轉方向擁堵嚴重，東西右轉直行方向綠燈時長增加20 秒，東西左轉方向綠燈時長增加20 秒。

4 系統硬件設計

整個系統由車速檢測模塊、智能控制主機、交通燈模塊組成。車速檢測模塊、智能控制主機和交通燈模塊通過Zigbee 通信技術組網，實現無線通信。

4.1 車速檢測模塊

車速檢測模塊用于采集交通路口擁堵的情況，由超聲波模塊和控制器模塊組成?？刂破髂K采用STC8A8K64S4A12 作為主控芯片，負責超聲波模塊的驅動和車速檢測。

車道處于綠燈通行時，超聲波發射探頭發出超聲波，其上方有車輛經過時，接收探頭會接收到反射波，超聲波模塊輸出高電平給控制器，若沒有車輛經過，接收探頭接收不到反射波，超聲波模塊輸出低電平給控制器。這樣，控制器根據高電平的時長就可以估算出車輛的速度，并根據策略判斷出檢測點的擁堵程度，再通過ZigBee 模塊將檢測點的擁堵信息發送到智能控制主機。

4.2 智能控制主機

智能控制主機采用STM32 作為主控芯片，通過Zigbee 模塊與車速檢測模塊和交通燈模塊組成無線通信網絡。智能控制主機根據接收到的路口擁堵信息智能判斷出路口紅綠燈的時長，再通過Zigbee 模塊將控制信號發送給交通燈模塊，動態控制紅綠燈的時長，緩解路口擁堵的壓力。

同時，主控芯片通過串口擴展一個藍牙模塊BTM4504C1X，用于與手機實現通信，這樣通過手機APP 可以隨時掌握路口的擁堵情況，并可以對交通燈系統進行人工控制。

4.3 通信模塊

Zigbee 模塊采用順舟智能的SZ05-L-PRO-2，該模塊基于TI-CC2530 芯片方案[3-4]。模塊體積小巧，可以很容易的嵌入其他設備，提供快速便捷低成本的無線網絡接口，可節省開發時間和成本。模塊符合Zigbee Pro 國際規范，具有通訊距離遠、超低功耗、抗干擾能力強、組網靈活穩定等優點和特性。通過模塊的串口可實現一點對多點及多點對多點之間的設備間數據的無線透明傳輸。

SZ05-L-PRO-2 模塊采用5～9V 電源供電，而STM32 芯片是3.3V 供電，因此，需要通過電平轉換芯片SP3232 與模塊連接，典型應用如圖2 所示。

圖2 平轉換接口電路

整個系統中，智能控制主機作為中心協調器是網絡的中心節點，負責網絡的發起組織、網絡維護和管理功能；車速檢測模塊和交通燈模塊是終端節點，只進行本節點數據的發送和接收；根據現場通信距離的遠近決定是否增加模塊作為路由器，負責數據的中繼轉發和網絡維護功能。

藍牙模塊采用金甌公司的百米藍牙模塊BTM4504C1X。模塊采用CSR BC04 External 芯片設計，內置了金甌公司專用數據傳輸軟件固件，兼容藍牙3.0 規范及以下的設備，數據傳輸穩定，傳輸距離可達100 米。數據通過UART 串口透明傳輸，UART信號為3.3V 的TTL 電平，與STM32 可以直接連接，使用方便。

4.4 顯示模塊

交通燈倒計時顯示采用2 位7 段LED 共陰數碼管。四個方向的倒計時顯示分為兩組，相當于兩組數碼管，LED 驅動控制專用芯片TM1616 可以直接驅動4 位數碼管，因此，四個方向的數碼管用一片TM1616 驅動即可。主控芯片與TM1616 只需3根線連接，通過串行通信對數碼管進行控制。電路如圖3 所示。采用紅黃綠三種LED 燈模擬十字路口的交通燈。

圖3 交通燈驅動電路

5 軟件設計

根據系統的整體功能需求，智能控制主機的程序流程圖如圖4 所示。

圖4 控制主機程序流程圖

6 結論

本文提出一種簡便方法，通過檢測器檢測車輛通過交通路口的時速來判斷路口的擁堵程度，同時根據前后兩相的擁堵情況，動態改變紅綠燈的時長。根據此方法完成了系統的軟硬件設計，并通過仿真實驗，驗證了該方法能有效降低路口的擁堵程度。但該方法仍有不足之處，紅綠燈動態調整的時長目前是固定不變的，不一定適用于所有的交通路口，今后還需要對不同路口的車流量實際數據進行分析，才能得到精確的動態調整時長。