0 引言

　　隨著城市機動車的不斷增加，交通擁塞問題日益嚴重，各種紅綠燈時長設(shè)置的合理與否對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)主要為定時控制，這種固定各交通信號時間長度的方法不能適應(yīng)車流的動態(tài)變化，通行效率相對較低。且執(zhí)行緊急任務(wù)的應(yīng)急車輛經(jīng)過十字路口時，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)計一種無線智能交通監(jiān)控系統(tǒng)。本系統(tǒng)旨在實現(xiàn)平安交通、效率交通、民生交通和綠色交通。它采用電感線圈檢測車輛，根據(jù)道路車流量變化自動調(diào)節(jié)紅綠燈時間，實現(xiàn)最優(yōu)控制。提出一種采用主動式無線射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）技術(shù)檢測應(yīng)急車輛的方法；值班人員對十字路口進行視頻監(jiān)控，為有需求的應(yīng)急車輛開綠燈，使其快速通過十字路口。設(shè)置盲人提醒音，用不同頻率的信號音告知盲人紅綠燈狀態(tài)。采用壓力傳感器檢測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)量動態(tài)調(diào)整其紅綠燈時長。系統(tǒng)電源可在太陽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個方向的車流量檢測裝置、人行道交通燈、車行道交通燈、數(shù)碼管計時器及盲人提醒音，1個可遠程操控的可旋轉(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檢測等候過馬路的人數(shù)，根據(jù)行人數(shù)量動態(tài)調(diào)整非十字路口紅綠燈時間。操作者還可通過網(wǎng)絡(luò)遠程視頻監(jiān)控十字路口交通狀況，當(dāng)安裝有主動式RFID標(biāo)簽的應(yīng)急車輛通過十字路口時，遠程監(jiān)控室的值班人員可及時發(fā)現(xiàn)，并根據(jù)需要改變紅綠燈狀態(tài)，為其開啟綠色通道。

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，在工業(yè)嵌入式領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[4]。它通過SPI接口連接nRF24L01+無線通信模塊，采集各道路監(jiān)測點測得的車流量；根據(jù)車流量統(tǒng)籌控制各車行道、人行道的紅綠燈，用數(shù)碼管顯示紅綠燈剩余時長，通過蜂鳴器模塊發(fā)出不同頻率的信號音以給盲人提醒交通燈狀態(tài)。同時，S3C2440微處理器通過USB控制器接攝像頭，用以太網(wǎng)控制器連接Internet，使得遠程值班人員可通過攝像頭觀察十字路口的交通狀況。

　　nRF24L01+是Nordic公司生產(chǎn)的一款單片無線收發(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，無線模塊在原設(shè)計上增加功率放大器和低噪聲放大器。在發(fā)射部分通過功率放大器將nRF24L01+最大0 dBm的輸出功率放大到+22 dBm左右，同時在接收部分使用低噪聲放大器增加接收信號的強度。

　　系統(tǒng)采用太陽能和市電相結(jié)合的供電方式，在白天日照較強的情況下，太陽能板直接給系統(tǒng)供電；晚上或者陰雨天，系統(tǒng)則自動切換到市電。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UDP/IP協(xié)議傳到遠程監(jiān)控終端，值班人員能在計算機上實時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是一個輕量級的視頻服務(wù)器軟件，一個可以從單一輸入組件獲取圖像并傳輸?shù)蕉鄠€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)攝像機中獲取并傳輸JPEG 格式的圖像到瀏覽器或者是一個安裝TCPMP 播放器的Windows 移動設(shè)備。它來源于uvc_streamer，為在RAM和CPU上存在資源限制的嵌入式設(shè)備而設(shè)計的。MJPG-streamer兼容Linux-uvc的攝像機，可以直接生成JPEG數(shù)據(jù)，即使是運行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是在遠程計算機通過攝像頭觀察到的十字路口畫面。

　　2.2 應(yīng)急車輛檢測裝置

　　交通局可根據(jù)需求，給救護車、消防車或警車等應(yīng)急車輛分配主動式RFID標(biāo)簽。主動式RFID標(biāo)簽本身具有內(nèi)部電源供應(yīng)器，擁有較長的讀取距離和較大的記憶體容量，可以用來儲存讀取器所傳送的一些附加信息。本系統(tǒng)選用菁揚科技公司生產(chǎn)的2.4 GHz雙通道有源RFID讀寫器JY240DS，它采用高端的射頻SoC芯片設(shè)計主控單元，融合先進的微功耗技術(shù)、防碰撞算法、無線電技術(shù)，采用雙通道天線設(shè)計，高增益射頻收發(fā)電路結(jié)構(gòu)優(yōu)化，抗干擾性強，可在線讀寫設(shè)置，可連續(xù)上電運行，無須人工參與，能夠滿足工業(yè)等惡劣使用環(huán)境的功能要求。選用全向天線，對目標(biāo)進行遠距離識別，最遠讀卡距離可以達到100 m以上。

　　當(dāng)安裝有電子標(biāo)簽的應(yīng)急車輛進入讀寫器識別區(qū)域時，遠程計算機監(jiān)控終端會主動給值班人員報警，值班人員通過攝像頭觀察應(yīng)急車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)急車輛開啟綠燈，使其以盡量快的速度通過十字路口。

3 十字路口紅綠燈

　　3.1 車流量檢測裝置

　　國內(nèi)外檢測車輛的傳感器主要有電感環(huán)、地磁、超聲波和紅外線等，各有特點?？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)檢測器[7]。如圖4所示，在十字路口斑馬線前及相距100 m遠的路面下各安裝一個電感環(huán)，當(dāng)有車輛經(jīng)過時，由于互感作用將在金屬組成的車體內(nèi)產(chǎn)生渦流。根據(jù)楞次定律，渦流的磁場要阻礙引起渦流的磁場的變化，即渦流的磁場對感應(yīng)線圈磁場有去磁作用，使感應(yīng)線圈的電感量變小。單片機對振蕩電路的振蕩頻率進行檢測，可計算其電感變化量，從而推斷上方是否有車輛經(jīng)過。

　　好的振蕩波形有利于單片機測頻，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)生的正弦信號整形成同頻率的方波信號，以便于單片機測量。實現(xiàn)整形功能可直接由開環(huán)連接的反相放大器實現(xiàn)。

　　監(jiān)測點的單片機將測得的數(shù)據(jù)通過無線模塊發(fā)送給嵌入式系統(tǒng)，后者根據(jù)兩個檢測點的數(shù)據(jù)可計算出在100 m范圍內(nèi)有多少車輛等候通過紅綠燈。

　　3.2 紅綠燈時長方案

　　紅綠燈時長設(shè)置需要考慮的因素有：車流量、道路寬度、人流量和時間段等。非車輛高峰期，在各路紅燈時檢測等候區(qū)的車輛數(shù)，采用動態(tài)時長模式，以有效疏導(dǎo)車輛；在車輛高峰期，采用固定時長模式。

　　3.2.1 動態(tài)時長模式

　　普通中小型車平均長約4.5 m，大型車平均長約10 m，假設(shè)紅綠燈等候區(qū)中小型車與大型車的比例是7:1，車間保持1 m的安全距離。經(jīng)計算，100 m的單行道，可容下14輛中小型車和2輛大型車，共16輛車。設(shè)車輛經(jīng)過紅綠燈時，平均速度為10 km/h（即2.8 m/s）。以直行車道為例，設(shè)定綠燈時長為20 s，每輛車通過斑馬線的平均時間約為2 s，20 s內(nèi)可以疏通10輛車。設(shè)計從第11輛車開始，至第16輛車，每多1輛車紅綠燈延遲2 s，同一路口各車道的平均車流量x與該路口綠燈增加時間y的關(guān)系滿足代價函數(shù)(1)。

　　3.2.2 固定時長模式

　　上下班高峰期，各路口車流量和人流量通常都較大，交通信號燈宜采用固定時長模式，不同路口信號燈時長根據(jù)日常統(tǒng)計出的車流量多少而設(shè)定，不進行動態(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等候過馬路的行人數(shù)量，根據(jù)行人多少自動調(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側(cè)行人等候區(qū)地下，其測得的壓力值與等待過馬路的人數(shù)是成正比的。壓力傳感器輸出的微弱電信號經(jīng)過電阻應(yīng)變式電橋后，再由信號調(diào)理電路進行放大、去噪及電平移位等，變成適合模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC0804識別的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，從而動態(tài)調(diào)整紅綠燈的狀態(tài)，為行人過馬路提供方便。圖5中的LED燈用于指示車行道及人行道的紅綠燈狀態(tài)，數(shù)碼管則用于提醒車輛和行人紅綠燈剩余時長。

　　EPM7128SLC84-15是Altera公司生產(chǎn)的一款MAX-7000S系列CPLD器件，可用門為2 500個，有8個邏輯陣列塊、128個宏單元、60個可用I/O口，可單獨配置為輸入、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延，并支持多種編程方式[8]。系統(tǒng)中EPM7128的程序用VHDL語言設(shè)計，由Altera公司的開發(fā)軟件Quartus II進行編譯、仿真、綜合和下載。

5 實驗結(jié)果

　　設(shè)計制作的無線智能交通監(jiān)控系統(tǒng)實驗?zāi)Ｐ腿鐖D6所示。經(jīng)模擬實驗測試，系統(tǒng)能夠根據(jù)十字路口車流量自動調(diào)節(jié)紅綠燈時長；根據(jù)等候過馬路的人流量自動調(diào)節(jié)非十字路口紅綠燈時長，以有效疏導(dǎo)交通；盲人信號音可向盲人傳遞紅綠燈的狀態(tài)信息。遠程值班人員能通過攝像頭實時觀察十字路口交通狀況，當(dāng)安裝有主動式RFID電子標(biāo)簽的應(yīng)急車輛進入識別區(qū)域時，遠程計算機可在2 s內(nèi)給值班人員發(fā)報警信息，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)急車輛開啟綠色通道。

6 結(jié)束語

　　本系統(tǒng)使用電感線圈檢測十字路口各車道的車流量，各檢測節(jié)點由無線模塊聯(lián)系起來，可減少饋線，減小工程的安裝量；提出一種動態(tài)時長和固定時長相結(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流量；市電和太陽能相結(jié)合的供電模式，充分利用太陽能，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)路口行人較多車輛較少時，動態(tài)調(diào)整紅綠燈時長，使交通控制更加人性化。通過嵌入式系統(tǒng)對十字路口進行遠程視頻監(jiān)控，采用主動式RFID技術(shù)檢測經(jīng)過紅綠燈的應(yīng)急車輛，為其開啟綠色通道。

　　系統(tǒng)可實現(xiàn)平安交通、效率交通、民生交通和綠色交通，對實際交通系統(tǒng)建設(shè)有一定的參考價值。

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