一種基于STM32 的智能交通信號(hào)燈設(shè)計(jì)的研究

（安徽三聯(lián)學(xué)院電子電氣工程學(xué)院，安徽 合肥 230000）

本文中的智能交通信號(hào)燈可以根據(jù)實(shí)時(shí)的車(chē)流量自行調(diào)節(jié)信號(hào)燈的紅綠信號(hào)時(shí)長(zhǎng)，使每輛車(chē)盡可能的順利通行，減少交通擁堵，優(yōu)化道路狀況，使出行更為順暢，節(jié)約能源消耗。實(shí)踐證明，該款智能化交通信號(hào)燈可以很好地提高人們的出行質(zhì)量，有利于節(jié)能減排，具有很強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

該款智能交通信號(hào)燈使用了交通模型，優(yōu)化了實(shí)時(shí)配時(shí)方案，靈活程度高；提供戶(hù)外工作終端。可以將便攜式個(gè)人計(jì)算機(jī)連接到任何一個(gè)路口交通信號(hào)機(jī)，從而進(jìn)入整個(gè)SCATS 系統(tǒng)；還可以通過(guò)電話(huà)撥號(hào)方式將計(jì)算機(jī)連入系統(tǒng)之中，從而進(jìn)行遠(yuǎn)程操作維護(hù)。該裝置以STM32為主控制芯片，采用SCATS 及SCOOT 系統(tǒng)相互配合機(jī)制，并結(jié)合光柵傳感器顯示模塊、時(shí)間顯示模塊、手動(dòng)模塊、電源、復(fù)位等功能模塊。下面詳細(xì)介紹該設(shè)計(jì)主要硬件模塊的電路。

1.2 主控制系統(tǒng)

本課題設(shè)計(jì)的智能交通信號(hào)燈以STM32 為主控制芯片，通過(guò)分析紅綠燈控制現(xiàn)狀缺點(diǎn)，提出運(yùn)用紅外傳感器實(shí)現(xiàn)車(chē)輛數(shù)量檢測(cè)，搭建紅外傳感器的控制平臺(tái)，分析了路口車(chē)流量大小，并進(jìn)行程序控制信號(hào)運(yùn)行，以感知十字路口的通堵?tīng)顟B(tài)進(jìn)而控制十字路口紅綠燈的狀態(tài)。通過(guò)多個(gè)紅外檢測(cè)器對(duì)車(chē)流量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)（并且搭配視覺(jué)處理技術(shù)），車(chē)輛檢測(cè)模塊主要根據(jù)紅外發(fā)射和紅外接收用來(lái)顯示機(jī)動(dòng)車(chē)道路上汽車(chē)的數(shù)量[1]，綜合分析當(dāng)前路口的狀況來(lái)調(diào)整時(shí)長(zhǎng)，反饋給后臺(tái)控制器，從而調(diào)節(jié)綠信比。該智能交通信號(hào)燈的設(shè)計(jì)思路如圖1 所示。

綠信比計(jì)算公式：

g：綠信比；t綠：有效綠燈時(shí)長(zhǎng)；T：信號(hào)燈周期時(shí)長(zhǎng)。

現(xiàn)在就目前的交通道路和交通法則情況先進(jìn)行說(shuō)明，道路多數(shù)以雙向六車(chē)道和雙向八車(chē)道為主，此時(shí)交通信號(hào)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(chē)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(hào)燈制，如圖2 所示。

圖1 智能交通信號(hào)燈的系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

圖2 信號(hào)燈的分布情況

由東向西的車(chē)流量為A，圖3 為由東向西的車(chē)流量路程圖，其他方向的統(tǒng)計(jì)方式亦是如此。

圖3 由東向西的車(chē)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(chē)輛的連續(xù)通行，而維持干線(xiàn)協(xié)調(diào)控制，這時(shí)產(chǎn)生的總延誤可能比單點(diǎn)信號(hào)控制要大。為避免這一缺點(diǎn)，在協(xié)調(diào)控制時(shí)采用感應(yīng)式信號(hào)控制機(jī)，并配以車(chē)輛檢測(cè)器。如果檢測(cè)到的交通量比較多，主控制機(jī)打開(kāi)，實(shí)行切調(diào)控制；如果測(cè)得的交通量較少，各交叉口各自獨(dú)立時(shí)使用單點(diǎn)信號(hào)控制。這樣的控制方式叫做感應(yīng)式協(xié)調(diào)控制，它又包括半感應(yīng)信號(hào)機(jī)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)、全感應(yīng)信號(hào)機(jī)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)和關(guān)鍵交叉口感應(yīng)式協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)。

定時(shí)式協(xié)調(diào)控制和感應(yīng)式協(xié)調(diào)控制的協(xié)調(diào)方案要靠人工作圖計(jì)算，十分繁雜，容易發(fā)生錯(cuò)誤，而且效果不是很好。因此，可以使用計(jì)算機(jī)進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，不但能克服上述缺陷，而且能處理多相位復(fù)雜交叉口的協(xié)調(diào)控制。如圖4 所示，以30 s 為一個(gè)周期，用來(lái)統(tǒng)計(jì)由東到西的車(chē)輛數(shù)據(jù)，同理，由南到北的數(shù)據(jù)B 也是如此統(tǒng)計(jì)。下面進(jìn)行數(shù)據(jù)比對(duì)，任何地區(qū)的紅綠燈路口有著不同的時(shí)間，在這里只假設(shè)時(shí)間t。

圖4 紅綠燈控制時(shí)長(zhǎng)

A 代表東西方向，B 代表南北方向。同時(shí)在南北車(chē)道上也有著B(niǎo) 與A 的比較，與上面所述的流程相同。在南北與東西車(chē)流量達(dá)到一定程度時(shí)，即保持原有的紅綠燈時(shí)間設(shè)置，該系統(tǒng)是為了防止堵車(chē)而設(shè)計(jì)，便于交通通暢。

1.3 交通信號(hào)燈的狀態(tài)

表1 交通信號(hào)狀態(tài)表

假設(shè)該路口的信號(hào)燈時(shí)間為50 s，車(chē)流量造成堵車(chē)數(shù)目為100。以此類(lèi)推，當(dāng)南北的車(chē)流量與東西車(chē)流量成表1上的關(guān)系時(shí)，時(shí)間和上述發(fā)生相同改變。

2 硬軟件設(shè)計(jì)

2.1 車(chē)輛檢測(cè)信號(hào)模塊

車(chē)流量檢測(cè)模塊主要包括紅外線(xiàn)傳感器、計(jì)時(shí)器、延時(shí)電路等部分，通過(guò)紅外光源被阻擋時(shí)開(kāi)始到結(jié)束，來(lái)判斷有信號(hào)輸出，即有物體通過(guò)[2]。由于紅外傳感器自身的靈敏度比較高，它對(duì)金屬（車(chē)輛）和非金屬都具有較強(qiáng)的敏感性，可以很容易的檢測(cè)有無(wú)物體通行。紅外傳感器的工作原理主要是利用光電開(kāi)關(guān)將電泳信號(hào)轉(zhuǎn)化成光信號(hào)發(fā)射出去，接收器根據(jù)光線(xiàn)是否被阻擋來(lái)對(duì)目標(biāo)物體進(jìn)行探測(cè)，例如公共汽車(chē)通過(guò)光電門(mén)時(shí)，有一部分或者全部光線(xiàn)被阻擋，此時(shí)，紅外傳感器會(huì)立即收到信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)流量的檢測(cè)，數(shù)據(jù)自行輸入單片機(jī)開(kāi)始進(jìn)行計(jì)數(shù)。目前，紅外傳感器的技術(shù)比較成熟，人們還經(jīng)常使用紅外傳感器來(lái)檢測(cè)車(chē)輛的輪廓，從而得到車(chē)輛的相關(guān)數(shù)據(jù)信息，紅外傳感器抗干擾能力非常強(qiáng)，能夠適應(yīng)一年四季各種惡劣天氣的影響，并且安裝相對(duì)來(lái)說(shuō)比較簡(jiǎn)單。

本文所研究的智能交通信號(hào)燈也是依靠紅外傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)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(dāng)車(chē)輛經(jīng)過(guò)時(shí)，紅外傳感器1 開(kāi)始工作，并將獲得的數(shù)據(jù)信息傳到計(jì)數(shù)器1 里，將車(chē)輛數(shù)據(jù)寄存起來(lái)，當(dāng)車(chē)輛通過(guò)紅綠燈路口時(shí)，紅外傳感器2 開(kāi)始工作，將獲得的數(shù)據(jù)信息傳到計(jì)數(shù)器2 里，將數(shù)據(jù)寄存起來(lái)，計(jì)數(shù)器1 與計(jì)數(shù)器2 的差值即為車(chē)流量數(shù)據(jù)。然后將差值反饋給主控制芯片STM32，它將根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)自主調(diào)節(jié)紅綠燈信號(hào)時(shí)長(zhǎng)，從而控制綠信比。

2.2 交通信號(hào)燈的軟件設(shè)計(jì)

交通信號(hào)燈正常的工作模式：要求東西直行左轉(zhuǎn)車(chē)道與南北直行左轉(zhuǎn)車(chē)道上的車(chē)輛交替運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)交通燈的傳統(tǒng)功能，即紅綠燈的時(shí)間固定[3]。

南北紅燈時(shí)間和東西紅燈時(shí)間計(jì)算如下：

交通信號(hào)燈的智能工作模式：基于車(chē)流量的智能交通燈控制器，能夠在東西、南北兩大方向進(jìn)行交替時(shí)，對(duì)比各直行車(chē)道與左轉(zhuǎn)車(chē)道等候區(qū)車(chē)輛的數(shù)目，同一方向選取最大值[4]，然后根據(jù)主控制芯片獲得的反饋信息，自主調(diào)整一個(gè)方向的直行方向和左轉(zhuǎn)方向的綠燈時(shí)間。

南北紅燈時(shí)間和東西紅燈時(shí)間計(jì)算如下：

綠燈時(shí)間＝初始綠燈時(shí)間+車(chē)輛差（車(chē)輛差有正負(fù)）

舉例說(shuō)明，東西直行綠燈時(shí)間＝初始綠燈時(shí)間+［Max（東西方向的直行車(chē)輛）—Max（南北直行的車(chē)輛）］，東西左轉(zhuǎn)綠燈時(shí)間＝初始綠燈時(shí)間+［Max（向東左轉(zhuǎn)車(chē)輛，向西左轉(zhuǎn)輛）—Max（向南左轉(zhuǎn)車(chē)輛、向北左轉(zhuǎn)車(chē)輛）］

交通信號(hào)燈的緊急工作模式：緊急情況發(fā)生時(shí)，如救護(hù)車(chē)、消防車(chē)等緊急車(chē)輛通過(guò)啟動(dòng)緊急程序，要求四個(gè)路口同時(shí)變成黃燈，由數(shù)碼管顯示黃燈的狀態(tài)，當(dāng)黃燈顯示為0 時(shí)，讓已經(jīng)超過(guò)停止線(xiàn)的車(chē)輛快速通過(guò)，四個(gè)路口的黃燈全部顯示紅燈，數(shù)碼管顯示紅燈狀態(tài)時(shí)間。當(dāng)紅燈倒計(jì)時(shí)為零時(shí)轉(zhuǎn)入緊急情況前的工作模式。

3 傳統(tǒng)交通信號(hào)燈與智能交通信號(hào)燈的對(duì)比

傳統(tǒng)信號(hào)燈雖然給大家的生活帶來(lái)了前所未有的便利，但同時(shí)它還有很多不足之處，需要改進(jìn)。而本文設(shè)計(jì)的智能交通信號(hào)燈正是為了彌補(bǔ)這些不足而研究的，智能交通信號(hào)燈與傳統(tǒng)交通信號(hào)燈的不同之處如表2 所示。

表2 傳統(tǒng)交通信號(hào)燈與智能交通信號(hào)燈的對(duì)比

4 仿真實(shí)驗(yàn)

筆者通過(guò)分工合作，編寫(xiě)出正確的核心板程序，制作模型，做出了可以實(shí)現(xiàn)本文研究目標(biāo)的智能交通信號(hào)燈的模型，如圖5 所示，證明了該設(shè)計(jì)方案具有可行性、合理性、可操作性，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)目標(biāo)，同時(shí)驗(yàn)證了本文設(shè)計(jì)的正確性。

圖5 智能交通信號(hào)燈模型

5 結(jié)語(yǔ)

本文研制的智能信號(hào)燈智能調(diào)變系統(tǒng)安裝方便，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可實(shí)現(xiàn)各路段的快速普及，從而提高路口車(chē)輛的通過(guò)率。現(xiàn)代車(chē)流量增加，交通堵塞現(xiàn)象越來(lái)越嚴(yán)重，傳統(tǒng)交通信號(hào)燈已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足日益增長(zhǎng)的車(chē)流量的需求，有時(shí)還需要投入大量的交警來(lái)指揮車(chē)輛通行，這就造成了大量人力物力的浪費(fèi)，而研發(fā)和改進(jìn)后的交通指示燈必將為現(xiàn)代社會(huì)的交通帶來(lái)巨大的便捷。

當(dāng)前，關(guān)于智能調(diào)變紅綠燈的產(chǎn)品少之又少，一旦成功研發(fā)這類(lèi)產(chǎn)品，將會(huì)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)價(jià)值。一方面可以緩解當(dāng)前交通擁堵現(xiàn)象，另一方面產(chǎn)品的研發(fā)、組裝、調(diào)試需要人工來(lái)操作，就可以產(chǎn)生更多的就業(yè)崗位，緩解就業(yè)壓力。