一種基于STM32 的智能交通信號燈設計的研究

（安徽三聯學院電子電氣工程學院，安徽 合肥 230000）

本文中的智能交通信號燈可以根據實時的車流量自行調節信號燈的紅綠信號時長，使每輛車盡可能的順利通行，減少交通擁堵，優化道路狀況，使出行更為順暢，節約能源消耗。實踐證明，該款智能化交通信號燈可以很好地提高人們的出行質量，有利于節能減排，具有很強的實用價值和現實意義。

1 系統設計

1.1 系統硬件電路設計

該款智能交通信號燈使用了交通模型，優化了實時配時方案，靈活程度高；提供戶外工作終端。可以將便攜式個人計算機連接到任何一個路口交通信號機，從而進入整個SCATS 系統；還可以通過電話撥號方式將計算機連入系統之中，從而進行遠程操作維護。該裝置以STM32為主控制芯片，采用SCATS 及SCOOT 系統相互配合機制，并結合光柵傳感器顯示模塊、時間顯示模塊、手動模塊、電源、復位等功能模塊。下面詳細介紹該設計主要硬件模塊的電路。

1.2 主控制系統

本課題設計的智能交通信號燈以STM32 為主控制芯片，通過分析紅綠燈控制現狀缺點，提出運用紅外傳感器實現車輛數量檢測，搭建紅外傳感器的控制平臺，分析了路口車流量大小，并進行程序控制信號運行，以感知十字路口的通堵狀態進而控制十字路口紅綠燈的狀態。通過多個紅外檢測器對車流量進行統計（并且搭配視覺處理技術），車輛檢測模塊主要根據紅外發射和紅外接收用來顯示機動車道路上汽車的數量[1]，綜合分析當前路口的狀況來調整時長，反饋給后臺控制器，從而調節綠信比。該智能交通信號燈的設計思路如圖1 所示。

綠信比計算公式：

g：綠信比；t綠：有效綠燈時長；T：信號燈周期時長。

現在就目前的交通道路和交通法則情況先進行說明，道路多數以雙向六車道和雙向八車道為主，此時交通信號燈共有5 種情況，分別是全紅、東西直行、南北直行、東西左右拐彎和南北左右拐彎。在不考慮行人道的情況下，以雙向六車道為例，以由南向北的行駛和由南向東（右拐）用一種由南向北的直行信號燈制，如圖2 所示。

圖1 智能交通信號燈的系統設計思路

圖2 信號燈的分布情況

由東向西的車流量為A，圖3 為由東向西的車流量路程圖，其他方向的統計方式亦是如此。

圖3 由東向西的車流量流程圖

在干道上交通量較小的情況下,為確保干道少量車輛的連續通行，而維持干線協調控制，這時產生的總延誤可能比單點信號控制要大。為避免這一缺點，在協調控制時采用感應式信號控制機，并配以車輛檢測器。如果檢測到的交通量比較多，主控制機打開，實行切調控制；如果測得的交通量較少，各交叉口各自獨立時使用單點信號控制。這樣的控制方式叫做感應式協調控制，它又包括半感應信號機協調控制系統、全感應信號機協調控制系統和關鍵交叉口感應式協調控制系統。

定時式協調控制和感應式協調控制的協調方案要靠人工作圖計算，十分繁雜，容易發生錯誤，而且效果不是很好。因此，可以使用計算機進行協調控制，不但能克服上述缺陷，而且能處理多相位復雜交叉口的協調控制。如圖4 所示，以30 s 為一個周期，用來統計由東到西的車輛數據，同理，由南到北的數據B 也是如此統計。下面進行數據比對，任何地區的紅綠燈路口有著不同的時間，在這里只假設時間t。

圖4 紅綠燈控制時長

A 代表東西方向，B 代表南北方向。同時在南北車道上也有著B 與A 的比較，與上面所述的流程相同。在南北與東西車流量達到一定程度時，即保持原有的紅綠燈時間設置，該系統是為了防止堵車而設計，便于交通通暢。

1.3 交通信號燈的狀態

表1 交通信號狀態表

假設該路口的信號燈時間為50 s，車流量造成堵車數目為100。以此類推，當南北的車流量與東西車流量成表1上的關系時，時間和上述發生相同改變。

2 硬軟件設計

2.1 車輛檢測信號模塊

車流量檢測模塊主要包括紅外線傳感器、計時器、延時電路等部分，通過紅外光源被阻擋時開始到結束，來判斷有信號輸出，即有物體通過[2]。由于紅外傳感器自身的靈敏度比較高，它對金屬（車輛）和非金屬都具有較強的敏感性，可以很容易的檢測有無物體通行。紅外傳感器的工作原理主要是利用光電開關將電泳信號轉化成光信號發射出去，接收器根據光線是否被阻擋來對目標物體進行探測，例如公共汽車通過光電門時，有一部分或者全部光線被阻擋，此時，紅外傳感器會立即收到信號，從而實現對車流量的檢測，數據自行輸入單片機開始進行計數。目前，紅外傳感器的技術比較成熟，人們還經常使用紅外傳感器來檢測車輛的輪廓，從而得到車輛的相關數據信息，紅外傳感器抗干擾能力非常強，能夠適應一年四季各種惡劣天氣的影響，并且安裝相對來說比較簡單。

本文所研究的智能交通信號燈也是依靠紅外傳感器來實現的。在距離道路路口一定距離的地方和路口處裝上紅外傳感器1、2，當車輛經過時，紅外傳感器1 開始工作，并將獲得的數據信息傳到計數器1 里，將車輛數據寄存起來，當車輛通過紅綠燈路口時，紅外傳感器2 開始工作，將獲得的數據信息傳到計數器2 里，將數據寄存起來，計數器1 與計數器2 的差值即為車流量數據。然后將差值反饋給主控制芯片STM32，它將根據采集到的數據自主調節紅綠燈信號時長，從而控制綠信比。

2.2 交通信號燈的軟件設計

交通信號燈正常的工作模式：要求東西直行左轉車道與南北直行左轉車道上的車輛交替運行，實現交通燈的傳統功能，即紅綠燈的時間固定[3]。

南北紅燈時間和東西紅燈時間計算如下：

交通信號燈的智能工作模式：基于車流量的智能交通燈控制器，能夠在東西、南北兩大方向進行交替時，對比各直行車道與左轉車道等候區車輛的數目，同一方向選取最大值[4]，然后根據主控制芯片獲得的反饋信息，自主調整一個方向的直行方向和左轉方向的綠燈時間。

南北紅燈時間和東西紅燈時間計算如下：

綠燈時間＝初始綠燈時間+車輛差（車輛差有正負）

舉例說明，東西直行綠燈時間＝初始綠燈時間+［Max（東西方向的直行車輛）—Max（南北直行的車輛）］，東西左轉綠燈時間＝初始綠燈時間+［Max（向東左轉車輛，向西左轉輛）—Max（向南左轉車輛、向北左轉車輛）］

交通信號燈的緊急工作模式：緊急情況發生時，如救護車、消防車等緊急車輛通過啟動緊急程序，要求四個路口同時變成黃燈，由數碼管顯示黃燈的狀態，當黃燈顯示為0 時，讓已經超過停止線的車輛快速通過，四個路口的黃燈全部顯示紅燈，數碼管顯示紅燈狀態時間。當紅燈倒計時為零時轉入緊急情況前的工作模式。

3 傳統交通信號燈與智能交通信號燈的對比

傳統信號燈雖然給大家的生活帶來了前所未有的便利，但同時它還有很多不足之處，需要改進。而本文設計的智能交通信號燈正是為了彌補這些不足而研究的，智能交通信號燈與傳統交通信號燈的不同之處如表2 所示。

表2 傳統交通信號燈與智能交通信號燈的對比

4 仿真實驗

筆者通過分工合作，編寫出正確的核心板程序，制作模型，做出了可以實現本文研究目標的智能交通信號燈的模型，如圖5 所示，證明了該設計方案具有可行性、合理性、可操作性，實現了設計目標，同時驗證了本文設計的正確性。

圖5 智能交通信號燈模型

5 結語

本文研制的智能信號燈智能調變系統安裝方便，結構簡單，可實現各路段的快速普及，從而提高路口車輛的通過率。現代車流量增加，交通堵塞現象越來越嚴重，傳統交通信號燈已經無法滿足日益增長的車流量的需求，有時還需要投入大量的交警來指揮車輛通行，這就造成了大量人力物力的浪費，而研發和改進后的交通指示燈必將為現代社會的交通帶來巨大的便捷。

當前，關于智能調變紅綠燈的產品少之又少，一旦成功研發這類產品，將會帶來巨大的經濟和社會價值。一方面可以緩解當前交通擁堵現象，另一方面產品的研發、組裝、調試需要人工來操作，就可以產生更多的就業崗位，緩解就業壓力。