引言
要實(shí)現(xiàn)道路交通的智能化,就要引入變周期交通信號(hào)燈控制技術(shù),實(shí)時(shí)檢測(cè)路口的交通流量以及擁塞量等數(shù)據(jù),根據(jù)規(guī)則動(dòng)態(tài)地調(diào)節(jié)信號(hào)燈,獲得更加滿意的通行率。
本文提出了一種具有分布式特征的交通信號(hào)燈控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案,它利用RFID技術(shù)提高路況信息的收集精度,利用電流環(huán)遠(yuǎn)距離傳輸方式,并且應(yīng)用人工智能理論使得系統(tǒng)具有更強(qiáng)的自適應(yīng)性和可擴(kuò)充性。
1 系統(tǒng)功能與整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
從功能特點(diǎn)來看,智能交通信號(hào)燈系統(tǒng)應(yīng)具有時(shí)間固定模式、時(shí)間設(shè)定模式、時(shí)間感應(yīng)模式、現(xiàn)場(chǎng)遙控模式、遠(yuǎn)程控制模式等信號(hào)控制模式;可以進(jìn)行日期、時(shí)間設(shè)定、分時(shí)段時(shí)間設(shè)定、感應(yīng)參數(shù)設(shè)定、周期時(shí)間、相位差和綠信比等參數(shù)設(shè)定;可以進(jìn)行系統(tǒng)自檢、綠沖突檢測(cè)、燈故障檢測(cè)、線路故障檢測(cè);具有強(qiáng)大的輸入/輸出功能,可實(shí)現(xiàn)對(duì)路口的不同相位燈控輸出和檢測(cè)功能。此外,系統(tǒng)提供友好的人機(jī)界面,用戶可通過手動(dòng)開關(guān)、鍵盤或遙控器對(duì)信號(hào)機(jī)進(jìn)行設(shè)定和控制。
信號(hào)機(jī)是整個(gè)系統(tǒng)的核心。它由LCD屏、控制板、燈組驅(qū)動(dòng)板、開關(guān)電源、按鈕板等共5種功能模塊插件板,以及配電板、接線端子排等組成。本系統(tǒng)選擇基于ARM核的32位嵌入式RISC處理器AT91RM9200作為信號(hào)機(jī)控制板處理器,可以滿足信號(hào)機(jī)智能化的要求,使信號(hào)機(jī)在系統(tǒng)中成為收集與處理交通流量數(shù)據(jù)、通信聯(lián)網(wǎng)以及區(qū)域協(xié)調(diào)控制的平臺(tái)。
智能交通信號(hào)燈系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。
圖1 交通信號(hào)燈系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
信號(hào)燈采用發(fā)光二極管,即LED技術(shù),發(fā)光功率大,抗震能力強(qiáng),省電又穩(wěn)定。系統(tǒng)內(nèi)各組件,包括信號(hào)燈都由外部供電,并配有UPS。信號(hào)燈控制器對(duì)各種信號(hào)燈不提供工作電壓,僅進(jìn)行信號(hào)傳遞,完全實(shí)現(xiàn)弱電控制。信號(hào)燈亮度的控制采用脈寬調(diào)制的原理,將電壓全波整流,經(jīng)電阻分壓,由光耦將其轉(zhuǎn)成有一定占空比的方波,當(dāng)電源電壓升高時(shí),占空比會(huì)減小,抑制LED亮度的提高,當(dāng)電源電壓降低時(shí),占空比會(huì)增大,限制LED亮度的降低,從而實(shí)現(xiàn)了LED亮度的自動(dòng)控制。
信號(hào)燈遠(yuǎn)距離通信控制可以采用電流環(huán)信號(hào)傳輸方式加以實(shí)現(xiàn)。這種遠(yuǎn)距離通信控制電路簡(jiǎn)單、成本低、抗干擾能力強(qiáng)。它是由電流環(huán)傳輸串行移位的3種信號(hào)--數(shù)據(jù)D、時(shí)鐘CLK、鎖存STR,交通燈則將控制器發(fā)來的串行信息轉(zhuǎn)換為并行輸出,準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)位控制,不同的信號(hào)燈就可以在連線上采取并聯(lián)方式,這樣,一個(gè)線路輸出的負(fù)載能力足以控制十幾個(gè)信號(hào)燈,可以滿足各種交通路口的需要。
智能交通信號(hào)燈系統(tǒng)既是一個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng),又是整個(gè)地區(qū)智能信號(hào)燈系統(tǒng)的一部分。通過信息共享,可以實(shí)現(xiàn)交通信號(hào)的聯(lián)動(dòng)控制,進(jìn)行有效的交通預(yù)測(cè)和疏導(dǎo)。當(dāng)路口車流相對(duì)均勻穩(wěn)定時(shí),地區(qū)內(nèi)的信號(hào)燈協(xié)調(diào)運(yùn)作,可以實(shí)現(xiàn)“綠波帶”控制。
以下給出地區(qū)交通信號(hào)燈聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖,如圖2所示。
圖2 地區(qū)交通信號(hào)燈聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
2.1 信號(hào)機(jī)主控端模塊
主控制機(jī)采用處理器AT91RM9200,它是基于ARM的ARM920T內(nèi)核,集成了豐富的外圍功能模塊,非常適合于實(shí)時(shí)控制,且支持實(shí)時(shí)操作系統(tǒng),運(yùn)算速度高。
信號(hào)機(jī)采用12/5V電源供電,AT91RM9200工作于3.3V和2.5V,系統(tǒng)內(nèi)其它器件選擇工作電壓為3.3V和5V。
信號(hào)機(jī)在系統(tǒng)內(nèi)部通訊和區(qū)域協(xié)調(diào)控制中需要時(shí)間同步,因此設(shè)計(jì)RTC(實(shí)時(shí)時(shí)鐘)用來對(duì)時(shí)。AT91RM9200內(nèi)部集成RTC單元,只需要外接晶振就能工作,十分方便。
信號(hào)機(jī)主控端需要存放引導(dǎo)程序、嵌入式操作系統(tǒng)及其文件系統(tǒng)和應(yīng)用程序,還有其它在運(yùn)行過程中需要保存的數(shù)據(jù),所以要通過外存儲(chǔ)單元來擴(kuò)展存儲(chǔ)空間,包括SDRAM、NorFlash和NandFlash。NorFlash主要用于存放引導(dǎo)程序Bootloader和操作系統(tǒng)linux內(nèi)核鏡像,系統(tǒng)上電或復(fù)位后從FlashROM中運(yùn)行Bootloader,由Bootloader初始化硬件并將linux拷貝到SDRAM中運(yùn)行。
NandFlash主要用于存放應(yīng)用程序和數(shù)據(jù)。
為方便人機(jī)界面的操作,AT91RM9200內(nèi)置LCD(液晶顯示器)驅(qū)動(dòng)控制器,能自動(dòng)產(chǎn)生LCD驅(qū)動(dòng)控制信號(hào),可以與LCD直接連接。鍵盤模塊通過ZLG7290B擴(kuò)展一個(gè)4×4的鍵盤矩陣,ZLG7290B通過IIC串行總線與處理器進(jìn)行連接。
考慮到信號(hào)機(jī)的體積,也為了方便設(shè)備的升級(jí)、擴(kuò)展,從信號(hào)機(jī)控制板引出數(shù)據(jù)總線、地址總線和必要的控制信號(hào),設(shè)計(jì)統(tǒng)一的系統(tǒng)總線,通過總線來調(diào)度控制各個(gè)功能板塊,如車流信息采集板塊、信號(hào)燈控制器板塊、紅外線接收板塊、故障檢測(cè)板塊等。這些板塊與相應(yīng)的功能模塊一一對(duì)應(yīng),以插槽接口與信號(hào)機(jī)控制板相連。
2.2 車流量信息采集模塊
射頻識(shí)別,即RFID(Radio Frequency IDentification ),俗稱電子標(biāo)簽,它是一種非接觸式的自動(dòng)識(shí)別技術(shù),通過射頻信號(hào)自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)對(duì)象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù),工作過程無需人工干預(yù),可應(yīng)用于各種惡劣環(huán)境。一套R(shí)FID設(shè)備包括射頻標(biāo)簽,天線和讀寫器三個(gè)部分。天線和讀寫器安置在路邊,當(dāng)帶有射頻標(biāo)簽的車輛通過該路段時(shí),讀寫器會(huì)通過天線接收返回載有RFID信息的射頻調(diào)制信號(hào),經(jīng)處理后傳給信號(hào)機(jī)主控端,完成路況數(shù)據(jù)的信息采集。有關(guān)數(shù)據(jù)也經(jīng)由本地信號(hào)機(jī)向上位機(jī)--地區(qū)信號(hào)燈系統(tǒng)控制端發(fā)送。車流信息在信號(hào)機(jī)主控端內(nèi)經(jīng)過建模計(jì)算,可以獲得當(dāng)前信號(hào)燈所需的周期時(shí)間。
2.3 緊急干預(yù)模塊
在系統(tǒng)中加載遙控電路,以支持用紅外遙控器作緊急干預(yù)。采用8通道紅外發(fā)射/接收專用集成電路BA5104/BA5204,它能發(fā)射6個(gè)持續(xù)信號(hào)2個(gè)單次信號(hào),串行口接入方便,且價(jià)格低,穩(wěn)定性強(qiáng)。紅外接收端與信號(hào)機(jī)控制板總線相連,可以將遙控器按鍵信號(hào)傳遞至信號(hào)機(jī)主控端進(jìn)行中斷處理,且優(yōu)先級(jí)最高。
2.4 故障檢測(cè)模塊
交通信號(hào)燈工作環(huán)境較為復(fù)雜,可能存在各種難以預(yù)測(cè)的電源、電磁干擾及信號(hào)機(jī)自身的隨機(jī)性障礙。為了保證系統(tǒng)的可靠運(yùn)行,除了采用軟件對(duì)策外,專門引入了硬件看門狗復(fù)位電路MAX708CPA ,該器件具有μP復(fù)位、掉電監(jiān)測(cè)、手動(dòng)復(fù)位等功能,可以起到較好的保護(hù)作用。此外,利用含有電壓檢測(cè)與電流檢測(cè)的故障檢測(cè)電路,對(duì)信號(hào)燈控制器和信號(hào)燈作出實(shí)時(shí)檢測(cè),將返回的TTL電平信號(hào)傳遞至信號(hào)機(jī)主控板,信號(hào)機(jī)系統(tǒng)可以根據(jù)不同的結(jié)果選擇繼續(xù)執(zhí)行,或者向上報(bào)警,甚至自行關(guān)機(jī)。
2.5 信號(hào)燈控制器模塊
信號(hào)燈控制器是信號(hào)機(jī)與信號(hào)燈之間必需的硬件連接。路口信號(hào)燈的各種燈色狀態(tài)是由信號(hào)燈控制器對(duì)信號(hào)機(jī)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理轉(zhuǎn)化而成的。
2.6 地區(qū)聯(lián)動(dòng)模塊
本地信號(hào)燈系統(tǒng)與地區(qū)信號(hào)燈系統(tǒng)管理端采用局域網(wǎng)絡(luò)(LAN)進(jìn)行雙向通訊。本地信號(hào)機(jī)控制端將待處理的數(shù)據(jù)信息通過Web Service應(yīng)用程序接口封裝好發(fā)給地區(qū)信號(hào)燈系統(tǒng)控制端,處理工作由后者完成,再把最終結(jié)果返回給本地信號(hào)機(jī)。Web Service技術(shù)充分利用地區(qū)信號(hào)燈系統(tǒng)控制單元的計(jì)算能力,減輕了本地信號(hào)機(jī)的處理器開銷,使得信號(hào)燈系統(tǒng)更加穩(wěn)定和易于維護(hù)。
3 軟件實(shí)現(xiàn)
主程序流程圖如圖3所示。
圖3 主程序流程圖
交通信號(hào)燈系統(tǒng)程序可分為以下幾個(gè)模塊:
信號(hào)機(jī)主程序模塊是整個(gè)系統(tǒng)的主要模塊,它按優(yōu)先級(jí)利用其它模塊的執(zhí)行結(jié)果,生成當(dāng)前信號(hào)燈周期。
定時(shí)控制程序模塊支持通過鍵盤輸入固定的時(shí)間數(shù)值,改變當(dāng)前所執(zhí)行的信號(hào)燈周期,以人工經(jīng)驗(yàn)與系統(tǒng)相結(jié)合,體現(xiàn)出人機(jī)交互能力。
車流調(diào)節(jié)程序模塊是利用RFID技術(shù)識(shí)別交通路口附近的車流量,經(jīng)由GA(遺傳算法)并引入模糊邏輯理論[6],對(duì)路口交通情況進(jìn)行實(shí)時(shí)分析計(jì)算,依據(jù)結(jié)果對(duì)信號(hào)燈周期進(jìn)行調(diào)整。本系統(tǒng)中,此模塊也是最能體現(xiàn)智能化的部分。此外,通過RFID技術(shù)的擴(kuò)展技術(shù),即車輛自動(dòng)識(shí)別管理(AVIM) 系統(tǒng),把車流信息與車輛信息監(jiān)控管理中心連接起來,就可構(gòu)成車輛信息管理平臺(tái)。
定時(shí)調(diào)節(jié)程序模塊是針對(duì)已經(jīng)形成一定路況規(guī)律的路段而設(shè)置的。可以一次性預(yù)先設(shè)定每天不同時(shí)段對(duì)應(yīng)不同的信號(hào)燈周期。比如,晚上車流量較少,可做定時(shí)調(diào)節(jié)將紅綠燈改成閃爍的黃燈,當(dāng)?shù)诙熘付〞r(shí)刻到來時(shí),自動(dòng)恢復(fù)紅綠燈。
黃閃警告程序模塊可以立刻中斷所有的紅綠燈,全部改成閃爍黃燈。主要是在車流量很小的時(shí)段使用,可以提高通行效率。
遙控強(qiáng)置程序模塊是為交警現(xiàn)場(chǎng)指揮交通而設(shè)計(jì)的,只需用遙控器對(duì)紅外接收端按下特定的按鈕,就可以對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的信號(hào)燈相位全部強(qiáng)制重置,特別適用于單向塞車車流的調(diào)節(jié)和像救護(hù)車救火車這樣需要無障礙通行的交通工具快速通過路口。
聯(lián)動(dòng)處理程序模塊是用來處理上位機(jī)(交警聯(lián)動(dòng)中心控制機(jī))所發(fā)來的指令。信號(hào)燈聯(lián)網(wǎng)以后,整個(gè)區(qū)域的交通路口就可以進(jìn)行協(xié)調(diào)聯(lián)動(dòng)控制,如果一個(gè)路口發(fā)生擁堵,聯(lián)動(dòng)中心可以發(fā)來指令,適當(dāng)延長(zhǎng)相鄰路口信號(hào)燈來車方向的通行時(shí)間,有效疏導(dǎo)交通。
“看門狗”程序模塊在主程序運(yùn)行異常時(shí)可產(chǎn)生的一個(gè)溢出信號(hào),并通過引腳向處理器發(fā)送復(fù)位信號(hào),使主程序重新開始運(yùn)行。
系統(tǒng)檢測(cè)及報(bào)警程序模塊是應(yīng)對(duì)信號(hào)燈故障而設(shè)置的,它根據(jù)返回的TTL電平信號(hào)作出判斷,一旦發(fā)現(xiàn)問題,將把出錯(cuò)信息實(shí)時(shí)向上反映,為進(jìn)一步的系統(tǒng)維護(hù)提供依據(jù)。
4 結(jié)論
本系統(tǒng)基于AT91RM9200處理器,以應(yīng)用為中心,采用嵌入式操作系統(tǒng),設(shè)計(jì)上具有成本低,操作簡(jiǎn)易,擴(kuò)展方便,信息共享度高,靈活性強(qiáng)等特點(diǎn),有很好的參考價(jià)值和較高的實(shí)用價(jià)值。