0 引言

　　隨著城市機(jī)動(dòng)車(chē)的不斷增加，交通擁塞問(wèn)題日益嚴(yán)重，各種紅綠燈時(shí)長(zhǎng)設(shè)置的合理與否對(duì)交通的影響起著決定性作用，成為制約通行效率的瓶頸之一[1-3]?，F(xiàn)有的紅綠燈控制系統(tǒng)主要為定時(shí)控制，這種固定各交通信號(hào)時(shí)間長(zhǎng)度的方法不能適應(yīng)車(chē)流的動(dòng)態(tài)變化，通行效率相對(duì)較低。且執(zhí)行緊急任務(wù)的應(yīng)急車(chē)輛經(jīng)過(guò)十字路口時(shí)，容易受到交通堵塞的影響。

　　從提高城市交通控制系統(tǒng)效率的角度出發(fā)，設(shè)計(jì)一種無(wú)線(xiàn)智能交通監(jiān)控系統(tǒng)。本系統(tǒng)旨在實(shí)現(xiàn)平安交通、效率交通、民生交通和綠色交通。它采用電感線(xiàn)圈檢測(cè)車(chē)輛，根據(jù)道路車(chē)流量變化自動(dòng)調(diào)節(jié)紅綠燈時(shí)間，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)控制。提出一種采用主動(dòng)式無(wú)線(xiàn)射頻識(shí)別（Radio Frequency Identification，RFID）技術(shù)檢測(cè)應(yīng)急車(chē)輛的方法；值班人員對(duì)十字路口進(jìn)行視頻監(jiān)控，為有需求的應(yīng)急車(chē)輛開(kāi)綠燈，使其快速通過(guò)十字路口。設(shè)置盲人提醒音，用不同頻率的信號(hào)音告知盲人紅綠燈狀態(tài)。采用壓力傳感器檢測(cè)非十字路口人行道等候區(qū)的行人數(shù)量，根據(jù)行人數(shù)量動(dòng)態(tài)調(diào)整其紅綠燈時(shí)長(zhǎng)。系統(tǒng)電源可在太陽(yáng)能和市電間靈活切換，以節(jié)約用電。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　系統(tǒng)整體框架如圖1所示，它以ARM9嵌入式處理器S3C2440為控制核心，十字路口部分，主要包括4個(gè)方向的車(chē)流量檢測(cè)裝置、人行道交通燈、車(chē)行道交通燈、數(shù)碼管計(jì)時(shí)器及盲人提醒音，1個(gè)可遠(yuǎn)程操控的可旋轉(zhuǎn)攝像頭；非十字路口的人行道等候區(qū)，采用壓力傳感器、AD轉(zhuǎn)換器及CPLD檢測(cè)等候過(guò)馬路的人數(shù)，根據(jù)行人數(shù)量動(dòng)態(tài)調(diào)整非十字路口紅綠燈時(shí)間。操作者還可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控十字路口交通狀況，當(dāng)安裝有主動(dòng)式RFID標(biāo)簽的應(yīng)急車(chē)輛通過(guò)十字路口時(shí)，遠(yuǎn)程監(jiān)控室的值班人員可及時(shí)發(fā)現(xiàn)，并根據(jù)需要改變紅綠燈狀態(tài)，為其開(kāi)啟綠色通道。

2 主控制器

　　交通監(jiān)控系統(tǒng)的主控制器由S3C2440微處理器及其外圍器件組成，其硬件框架如圖2所示。S3C2440是三星公司生產(chǎn)的一款32位ARM9處理器，具有低功耗、高性能的特點(diǎn)，在工業(yè)嵌入式領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[4]。它通過(guò)SPI接口連接nRF24L01+無(wú)線(xiàn)通信模塊，采集各道路監(jiān)測(cè)點(diǎn)測(cè)得的車(chē)流量；根據(jù)車(chē)流量統(tǒng)籌控制各車(chē)行道、人行道的紅綠燈，用數(shù)碼管顯示紅綠燈剩余時(shí)長(zhǎng)，通過(guò)蜂鳴器模塊發(fā)出不同頻率的信號(hào)音以給盲人提醒交通燈狀態(tài)。同時(shí)，S3C2440微處理器通過(guò)USB控制器接攝像頭，用以太網(wǎng)控制器連接Internet，使得遠(yuǎn)程值班人員可通過(guò)攝像頭觀察十字路口的交通狀況。

　　nRF24L01+是Nordic公司生產(chǎn)的一款單片無(wú)線(xiàn)收發(fā)器芯片，它工作在2.4 GHz全球免許可證的ISM（Industrial Scientific Medical，工業(yè)科學(xué)醫(yī)療）頻段[5]。為了增加nRF24L01+的通信距離，無(wú)線(xiàn)模塊在原設(shè)計(jì)上增加功率放大器和低噪聲放大器。在發(fā)射部分通過(guò)功率放大器將nRF24L01+最大0 dBm的輸出功率放大到+22 dBm左右，同時(shí)在接收部分使用低噪聲放大器增加接收信號(hào)的強(qiáng)度。

　　系統(tǒng)采用太陽(yáng)能和市電相結(jié)合的供電方式，在白天日照較強(qiáng)的情況下，太陽(yáng)能板直接給系統(tǒng)供電；晚上或者陰雨天，系統(tǒng)則自動(dòng)切換到市電。兩種方式可相互切換，使得系統(tǒng)不掉電，正常工作。

　　2.1 視頻監(jiān)控器

　　本系統(tǒng)采用S3C2440微處理器與視頻服務(wù)器軟件MJPG-streamer實(shí)現(xiàn)嵌入式視頻監(jiān)控功能。微處理器將攝像頭拍攝圖像經(jīng)壓縮后通過(guò)UDP/IP協(xié)議傳到遠(yuǎn)程監(jiān)控終端，值班人員能在計(jì)算機(jī)上實(shí)時(shí)觀察十字路口交通狀況，還可以調(diào)整攝像頭的參數(shù)，獲得最佳的圖像。

　　MJPG-streamer是一個(gè)輕量級(jí)的視頻服務(wù)器軟件，一個(gè)可以從單一輸入組件獲取圖像并傳輸?shù)蕉鄠€(gè)輸出組件的命令行應(yīng)用程序[6]。該軟件可應(yīng)用在基于IP 協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)中，從網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)中獲取并傳輸JPEG 格式的圖像到瀏覽器或者是一個(gè)安裝TCPMP 播放器的Windows 移動(dòng)設(shè)備。它來(lái)源于uvc_streamer，為在RAM和CPU上存在資源限制的嵌入式設(shè)備而設(shè)計(jì)的。MJPG-streamer兼容Linux-uvc的攝像機(jī)，可以直接生成JPEG數(shù)據(jù)，即使是運(yùn)行OpenWRT Linux的嵌入式設(shè)備，也可以快速處理M-JPEG數(shù)據(jù)流[6]。圖3是在遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)通過(guò)攝像頭觀察到的十字路口畫(huà)面。

　　2.2 應(yīng)急車(chē)輛檢測(cè)裝置

　　交通局可根據(jù)需求，給救護(hù)車(chē)、消防車(chē)或警車(chē)等應(yīng)急車(chē)輛分配主動(dòng)式RFID標(biāo)簽。主動(dòng)式RFID標(biāo)簽本身具有內(nèi)部電源供應(yīng)器，擁有較長(zhǎng)的讀取距離和較大的記憶體容量，可以用來(lái)儲(chǔ)存讀取器所傳送的一些附加信息。本系統(tǒng)選用菁揚(yáng)科技公司生產(chǎn)的2.4 GHz雙通道有源RFID讀寫(xiě)器JY240DS，它采用高端的射頻SoC芯片設(shè)計(jì)主控單元，融合先進(jìn)的微功耗技術(shù)、防碰撞算法、無(wú)線(xiàn)電技術(shù)，采用雙通道天線(xiàn)設(shè)計(jì)，高增益射頻收發(fā)電路結(jié)構(gòu)優(yōu)化，抗干擾性強(qiáng)，可在線(xiàn)讀寫(xiě)設(shè)置，可連續(xù)上電運(yùn)行，無(wú)須人工參與，能夠滿(mǎn)足工業(yè)等惡劣使用環(huán)境的功能要求。選用全向天線(xiàn)，對(duì)目標(biāo)進(jìn)行遠(yuǎn)距離識(shí)別，最遠(yuǎn)讀卡距離可以達(dá)到100 m以上。

　　當(dāng)安裝有電子標(biāo)簽的應(yīng)急車(chē)輛進(jìn)入讀寫(xiě)器識(shí)別區(qū)域時(shí)，遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)監(jiān)控終端會(huì)主動(dòng)給值班人員報(bào)警，值班人員通過(guò)攝像頭觀察應(yīng)急車(chē)輛所處道路的交通狀況，決定是否有必要人為改變交通燈的狀態(tài)，為應(yīng)急車(chē)輛開(kāi)啟綠燈，使其以盡量快的速度通過(guò)十字路口。

3 十字路口紅綠燈

　　3.1 車(chē)流量檢測(cè)裝置

　　國(guó)內(nèi)外檢測(cè)車(chē)輛的傳感器主要有電感環(huán)、地磁、超聲波和紅外線(xiàn)等，各有特點(diǎn)?？紤]到成本、精度、性能和抗干擾能力等因素，本系統(tǒng)采用基于電磁感應(yīng)原理的電感環(huán)檢測(cè)器[7]。如圖4所示，在十字路口斑馬線(xiàn)前及相距100 m遠(yuǎn)的路面下各安裝一個(gè)電感環(huán)，當(dāng)有車(chē)輛經(jīng)過(guò)時(shí)，由于互感作用將在金屬組成的車(chē)體內(nèi)產(chǎn)生渦流。根據(jù)楞次定律，渦流的磁場(chǎng)要阻礙引起渦流的磁場(chǎng)的變化，即渦流的磁場(chǎng)對(duì)感應(yīng)線(xiàn)圈磁場(chǎng)有去磁作用，使感應(yīng)線(xiàn)圈的電感量變小。單片機(jī)對(duì)振蕩電路的振蕩頻率進(jìn)行檢測(cè)，可計(jì)算其電感變化量，從而推斷上方是否有車(chē)輛經(jīng)過(guò)。

　　好的振蕩波形有利于單片機(jī)測(cè)頻，保持短期頻率穩(wěn)定可減少誤判和紕漏的發(fā)生。因此，從工作頻段、頻率穩(wěn)定性和振蕩波形三方面考慮，采用電容三點(diǎn)式振蕩電路。圖4中的電感環(huán)與振蕩電路中的電容和反相器74LS05A構(gòu)成電容三點(diǎn)式振蕩電路。整形電路的功能是把振蕩電路產(chǎn)生的正弦信號(hào)整形成同頻率的方波信號(hào)，以便于單片機(jī)測(cè)量。實(shí)現(xiàn)整形功能可直接由開(kāi)環(huán)連接的反相放大器實(shí)現(xiàn)。

　　監(jiān)測(cè)點(diǎn)的單片機(jī)將測(cè)得的數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線(xiàn)模塊發(fā)送給嵌入式系統(tǒng)，后者根據(jù)兩個(gè)檢測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)可計(jì)算出在100 m范圍內(nèi)有多少車(chē)輛等候通過(guò)紅綠燈。

　　3.2 紅綠燈時(shí)長(zhǎng)方案

　　紅綠燈時(shí)長(zhǎng)設(shè)置需要考慮的因素有：車(chē)流量、道路寬度、人流量和時(shí)間段等。非車(chē)輛高峰期，在各路紅燈時(shí)檢測(cè)等候區(qū)的車(chē)輛數(shù)，采用動(dòng)態(tài)時(shí)長(zhǎng)模式，以有效疏導(dǎo)車(chē)輛；在車(chē)輛高峰期，采用固定時(shí)長(zhǎng)模式。

　　3.2.1 動(dòng)態(tài)時(shí)長(zhǎng)模式

　　普通中小型車(chē)平均長(zhǎng)約4.5 m，大型車(chē)平均長(zhǎng)約10 m，假設(shè)紅綠燈等候區(qū)中小型車(chē)與大型車(chē)的比例是7:1，車(chē)間保持1 m的安全距離。經(jīng)計(jì)算，100 m的單行道，可容下14輛中小型車(chē)和2輛大型車(chē)，共16輛車(chē)。設(shè)車(chē)輛經(jīng)過(guò)紅綠燈時(shí)，平均速度為10 km/h（即2.8 m/s）。以直行車(chē)道為例，設(shè)定綠燈時(shí)長(zhǎng)為20 s，每輛車(chē)通過(guò)斑馬線(xiàn)的平均時(shí)間約為2 s，20 s內(nèi)可以疏通10輛車(chē)。設(shè)計(jì)從第11輛車(chē)開(kāi)始，至第16輛車(chē)，每多1輛車(chē)紅綠燈延遲2 s，同一路口各車(chē)道的平均車(chē)流量x與該路口綠燈增加時(shí)間y的關(guān)系滿(mǎn)足代價(jià)函數(shù)(1)。

　　3.2.2 固定時(shí)長(zhǎng)模式

　　上下班高峰期，各路口車(chē)流量和人流量通常都較大，交通信號(hào)燈宜采用固定時(shí)長(zhǎng)模式，不同路口信號(hào)燈時(shí)長(zhǎng)根據(jù)日常統(tǒng)計(jì)出的車(chē)流量多少而設(shè)定，不進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。

4 非十字路口紅綠燈控制器

　　非十字路口紅綠燈控制器的主要功能是檢測(cè)等候過(guò)馬路的行人數(shù)量，根據(jù)行人多少自動(dòng)調(diào)節(jié)控制紅綠燈。該控制器的結(jié)構(gòu)如圖5所示，壓力傳感器埋于斑馬線(xiàn)側(cè)行人等候區(qū)地下，其測(cè)得的壓力值與等待過(guò)馬路的人數(shù)是成正比的。壓力傳感器輸出的微弱電信號(hào)經(jīng)過(guò)電阻應(yīng)變式電橋后，再由信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)行放大、去噪及電平移位等，變成適合模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC0804識(shí)別的0~5 V模擬電壓，由EPM7128SLC84-15控制ADC0804采集模數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)果，根據(jù)結(jié)果估算行人數(shù)量，從而動(dòng)態(tài)調(diào)整紅綠燈的狀態(tài)，為行人過(guò)馬路提供方便。圖5中的LED燈用于指示車(chē)行道及人行道的紅綠燈狀態(tài)，數(shù)碼管則用于提醒車(chē)輛和行人紅綠燈剩余時(shí)長(zhǎng)。

　　EPM7128SLC84-15是Altera公司生產(chǎn)的一款MAX-7000S系列CPLD器件，可用門(mén)為2 500個(gè)，有8個(gè)邏輯陣列塊、128個(gè)宏單元、60個(gè)可用I/O口，可單獨(dú)配置為輸入、輸出及雙向工作方式。EPM7128SLC84-15支持多種電壓口，具有最小5 ns的引腳到引腳邏輯時(shí)延，并支持多種編程方式[8]。系統(tǒng)中EPM7128的程序用VHDL語(yǔ)言設(shè)計(jì)，由Altera公司的開(kāi)發(fā)軟件Quartus II進(jìn)行編譯、仿真、綜合和下載。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　設(shè)計(jì)制作的無(wú)線(xiàn)智能交通監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D6所示。經(jīng)模擬實(shí)驗(yàn)測(cè)試，系統(tǒng)能夠根據(jù)十字路口車(chē)流量自動(dòng)調(diào)節(jié)紅綠燈時(shí)長(zhǎng)；根據(jù)等候過(guò)馬路的人流量自動(dòng)調(diào)節(jié)非十字路口紅綠燈時(shí)長(zhǎng)，以有效疏導(dǎo)交通；盲人信號(hào)音可向盲人傳遞紅綠燈的狀態(tài)信息。遠(yuǎn)程值班人員能通過(guò)攝像頭實(shí)時(shí)觀察十字路口交通狀況，當(dāng)安裝有主動(dòng)式RFID電子標(biāo)簽的應(yīng)急車(chē)輛進(jìn)入識(shí)別區(qū)域時(shí)，遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)可在2 s內(nèi)給值班人員發(fā)報(bào)警信息，值班人員能夠根據(jù)需要改變紅綠燈狀態(tài)，為執(zhí)行緊急任務(wù)的應(yīng)急車(chē)輛開(kāi)啟綠色通道。

6 結(jié)束語(yǔ)

　　本系統(tǒng)使用電感線(xiàn)圈檢測(cè)十字路口各車(chē)道的車(chē)流量，各檢測(cè)節(jié)點(diǎn)由無(wú)線(xiàn)模塊聯(lián)系起來(lái)，可減少饋線(xiàn)，減小工程的安裝量；提出一種動(dòng)態(tài)時(shí)長(zhǎng)和固定時(shí)長(zhǎng)相結(jié)合的智能交通方案，兩種模式能相互切換，可望以較高效率疏通車(chē)流量；市電和太陽(yáng)能相結(jié)合的供電模式，充分利用太陽(yáng)能，減少資源的損耗；在人行道紅綠燈處設(shè)置三種不同頻率的信號(hào)音，提醒盲人紅綠燈狀況；設(shè)置非十字路口紅綠燈，當(dāng)路口行人較多車(chē)輛較少時(shí)，動(dòng)態(tài)調(diào)整紅綠燈時(shí)長(zhǎng)，使交通控制更加人性化。通過(guò)嵌入式系統(tǒng)對(duì)十字路口進(jìn)行遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控，采用主動(dòng)式RFID技術(shù)檢測(cè)經(jīng)過(guò)紅綠燈的應(yīng)急車(chē)輛，為其開(kāi)啟綠色通道。

　　系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)平安交通、效率交通、民生交通和綠色交通，對(duì)實(shí)際交通系統(tǒng)建設(shè)有一定的參考價(jià)值。

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