基于A(yíng)RM的新型智能交通信號燈系統設計

引言

目前，國內交通信號燈普遍采用定周期程控技術(shù)，即主要靠經(jīng)驗和以往統計數據確定紅綠燈亮滅時(shí)間。要實(shí)現道路交通的智能化，就要引入變周期交通信號燈控制技術(shù)，實(shí)時(shí)檢測路口的交通流量以及擁塞量等數據，根據規則動(dòng)態(tài)地調節信號燈，獲得更加滿(mǎn)意的通行率。

普遍交通信號燈

本文提出了一種具有分布式特征的交通信號燈控制系統設計方案，它利用RFID技術(shù)提高路況信息的收集精度， 利用電流環(huán)遠距離傳輸方式，并且應用人工智能理論使得系統具有更強的自適應性和可擴充性。

1 系統功能與整體結構設計

從功能特點(diǎn)來(lái)看，智能交通信號燈系統應具有時(shí)間固定模式、時(shí)間設定模式、時(shí)間感應模式、現場(chǎng)遙控模式、遠程控制模式等信號控制模式；可以進(jìn)行日期、時(shí)間設定、分時(shí)段時(shí)間設定、感應參數設定、周期時(shí)間、相位差和綠信比等參數設定；可以進(jìn)行系統自檢、綠沖突檢測、燈故障檢測、線(xiàn)路故障檢測；具有強大的輸入/輸出功能，可實(shí)現對路口的不同相位燈控輸出和檢測功能。此外，系統提供友好的人機界面，用戶(hù)可通過(guò)手動(dòng)開(kāi)關(guān)、鍵盤(pán)或遙控器對信號機進(jìn)行設定和控制。

信號機是整個(gè)系統的核心。它由LCD屏、控制板、燈組驅動(dòng)板、開(kāi)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(xiàn)端子排等組成。本系統選擇基于ARM核的32位嵌入式RISC處理器AT91RM9200作為信號機控制板處理器，可以滿(mǎn)足信號機智能化的要求，使信號機在系統中成為收集與處理交通流量數據、通信聯(lián)網(wǎng)以及區域協(xié)調控制的平臺。

智能交通信號燈系統結構圖如圖1所示。

圖1 交通信號燈系統結構圖

信號燈采用發(fā)光二極管，即LED技術(shù)，發(fā)光功率大，抗震能力強，省電又穩定。系統內各組件，包括信號燈都由外部供電，并配有UPS。信號燈控制器對各種信號燈不提供工作電壓，僅進(jìn)行信號傳遞，完全實(shí)現弱電控制。信號燈亮度的控制采用脈寬調制的原理，將電壓全波整流，經(jīng)電阻分壓，由光耦將其轉成有一定占空比的方波，當電源電壓升高時(shí)，占空比會(huì )減小，抑制LED亮度的提高，當電源電壓降低時(shí)，占空比會(huì )增大，限制LED亮度的降低，從而實(shí)現了LED亮度的自動(dòng)控制。

信號燈遠距離通信控制可以采用電流環(huán)信號傳輸方式加以實(shí)現。這種遠距離通信控制電路簡(jiǎn)單、成本低、抗干擾能力強。它是由電流環(huán)傳輸串行移位的3種信號－－數據D、時(shí)鐘CLK、鎖存STR，交通燈則將控制器發(fā)來(lái)的串行信息轉換為并行輸出，準確實(shí)現位控制，不同的信號燈就可以在連線(xiàn)上采取并聯(lián)方式，這樣，一個(gè)線(xiàn)路輸出的負載能力足以控制十幾個(gè)信號燈，可以滿(mǎn)足各種交通路口的需要。

智能交通信號燈系統既是一個(gè)獨立的系統，又是整個(gè)地區智能信號燈系統的一部分。通過(guò)信息共享，可以實(shí)現交通信號的聯(lián)動(dòng)控制，進(jìn)行有效的交通預測和疏導。當路口車(chē)流相對均勻穩定時(shí)，地區內的信號燈協(xié)調運作，可以實(shí)現“綠波帶”控制。

以下給出地區交通信號燈聯(lián)動(dòng)系統結構圖，如圖2所示。

圖2 地區交通信號燈聯(lián)動(dòng)系統結構圖

2 系統硬件設計

2.1 信號機主控端模塊

主控制機采用處理器AT91RM9200，它是基于ARM的ARM920T內核，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，運算速度高。

信號機采用12/5V電源供電，AT91RM9200工作于3.3V和2.5V，系統內其它器件選擇工作電壓為3.3V和5V。

信號機在系統內部通訊和區域協(xié)調控制中需要時(shí)間同步，因此設計RTC（實(shí)時(shí)時(shí)鐘）用來(lái)對時(shí)。AT91RM9200內部集成RTC單元，只需要外接晶振就能工作，十分方便。

信號機主控端需要存放引導程序、嵌入式操作系統及其文件系統和應用程序，還有其它在運行過(guò)程中需要保存的數據，所以要通過(guò)外存儲單元來(lái)擴展存儲空間，包括SDRAM、NorFlash和NandFlash。NorFlash主要用于存放引導程序Bootloader和操作系統linux內核鏡像，系統上電或復位后從FlashROM中運行Bootloader，由Bootloader初始化硬件并將linux拷貝到SDRAM中運行。

NandFlash主要用于存放應用程序和數據。

為方便人機界面的操作，AT91RM9200內置LCD（液晶顯示器）驅動(dòng)控制器，能自動(dòng)產(chǎn)生LCD驅動(dòng)控制信號，可以與LCD直接連接。鍵盤(pán)模塊通過(guò)ZLG7290B擴展一個(gè)4×4的鍵盤(pán)矩陣，ZLG7290B通過(guò)IIC串行總線(xiàn)與處理器進(jìn)行連接。

考慮到信號機的體積，也為了方便設備的升級、擴展，從信號機控制板引出數據總線(xiàn)、地址總線(xiàn)和必要的控制信號，設計統一的系統總線(xiàn)，通過(guò)總線(xiàn)來(lái)調度控制各個(gè)功能板塊，如車(chē)流信息采集板塊、信號燈控制器板塊、紅外線(xiàn)接收板塊、故障檢測板塊等。這些板塊與相應的功能模塊一一對應，以插槽接口與信號機控制板相連。

2.2 車(chē)流量信息采集模塊

射頻識別，即RFID（Radio Frequency IDentification ），俗稱(chēng)電子標簽，它是一種非接觸式的自動(dòng)識別技術(shù)，通過(guò)射頻信號自動(dòng)識別目標對象并獲取相關(guān)數據，工作過(guò)程無(wú)需人工干預，可應用于各種惡劣環(huán)境。一套RFID設備包括射頻標簽，天線(xiàn)和讀寫(xiě)器三個(gè)部分。天線(xiàn)和讀寫(xiě)器安置在路邊，當帶有射頻標簽的車(chē)輛通過(guò)該路段時(shí)，讀寫(xiě)器會(huì )通過(guò)天線(xiàn)接收返回載有RFID信息的射頻調制信號，經(jīng)處理后傳給信號機主控端，完成路況數據的信息采集。有關(guān)數據也經(jīng)由本地信號機向上位機－－地區信號燈系統控制端發(fā)送。車(chē)流信息在信號機主控端內經(jīng)過(guò)建模計算，可以獲得當前信號燈所需的周期時(shí)間。

2.3 緊急干預模塊

在系統中加載遙控電路，以支持用紅外遙控器作緊急干預。采用8通道紅外發(fā)射/接收專(zhuān)用集成電路BA5104/BA5204，它能發(fā)射6個(gè)持續信號2個(gè)單次信號，串行口接入方便，且價(jià)格低，穩定性強。紅外接收端與信號機控制板總線(xiàn)相連，可以將遙控器按鍵信號傳遞至信號機主控端進(jìn)行中斷處理，且優(yōu)先級最高。

2.4 故障檢測模塊

交通信號燈工作環(huán)境較為復雜，可能存在各種難以預測的電源、電磁干擾及信號機自身的隨機性障礙。為了保證系統的可靠運行，除了采用軟件對策外，專(zhuān)門(mén)引入了硬件看門(mén)狗復位電路MAX708CPA ,該器件具有μP復位、掉電監測、手動(dòng)復位等功能，可以起到較好的保護作用。此外，利用含有電壓檢測與電流檢測的故障檢測電路，對信號燈控制器和信號燈作出實(shí)時(shí)檢測，將返回的TTL電平信號傳遞至信號機主控板，信號機系統可以根據不同的結果選擇繼續執行，或者向上報警，甚至自行關(guān)機。

2.5 信號燈控制器模塊

信號燈控制器是信號機與信號燈之間必需的硬件連接。路口信號燈的各種燈色狀態(tài)是由信號燈控制器對信號機數據進(jìn)行處理轉化而成的。

2.6 地區聯(lián)動(dòng)模塊

本地信號燈系統與地區信號燈系統管理端采用局域網(wǎng)絡(luò )（LAN）進(jìn)行雙向通訊。本地信號機控制端將待處理的數據信息通過(guò)Web Service應用程序接口封裝好發(fā)給地區信號燈系統控制端，處理工作由后者完成，再把最終結果返回給本地信號機。Web Service技術(shù)充分利用地區信號燈系統控制單元的計算能力，減輕了本地信號機的處理器開(kāi)銷(xiāo)，使得信號燈系統更加穩定和易于維護。

3 軟件實(shí)現

主程序流程圖如圖3所示。

圖3 主程序流程圖

交通信號燈系統程序可分為以下幾個(gè)模塊：

信號機主程序模塊是整個(gè)系統的主要模塊，它按優(yōu)先級利用其它模塊的執行結果，生成當前信號燈周期。

定時(shí)控制程序模塊支持通過(guò)鍵盤(pán)輸入固定的時(shí)間數值，改變當前所執行的信號燈周期，以人工經(jīng)驗與系統相結合，體現出人機交互能力。

車(chē)流調節程序模塊是利用RFID技術(shù)識別交通路口附近的車(chē)流量，經(jīng)由GA（遺傳算法）并引入模糊邏輯理論[6]，對路口交通情況進(jìn)行實(shí)時(shí)分析計算，依據結果對信號燈周期進(jìn)行調整。本系統中，此模塊也是最能體現智能化的部分。此外，通過(guò)RFID技術(shù)的擴展技術(shù)，即車(chē)輛自動(dòng)識別管理（AVIM） 系統，把車(chē)流信息與車(chē)輛信息監控管理中心連接起來(lái)，就可構成車(chē)輛信息管理平臺。

定時(shí)調節程序模塊是針對已經(jīng)形成一定路況規律的路段而設置的?？梢砸淮涡灶A先設定每天不同時(shí)段對應不同的信號燈周期。比如，晚上車(chē)流量較少，可做定時(shí)調節將紅綠燈改成閃爍的黃燈，當第二天指定時(shí)刻到來(lái)時(shí)，自動(dòng)恢復紅綠燈。

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(chē)流量很小的時(shí)段使用，可以提高通行效率。

遙控強置程序模塊是為交警現場(chǎng)指揮交通而設計的，只需用遙控器對紅外接收端按下特定的按鈕，就可以對現場(chǎng)的信號燈相位全部強制重置，特別適用于單向塞車(chē)車(chē)流的調節和像救護車(chē)救火車(chē)這樣需要無(wú)障礙通行的交通工具快速通過(guò)路口。

聯(lián)動(dòng)處理程序模塊是用來(lái)處理上位機（交警聯(lián)動(dòng)中心控制機）所發(fā)來(lái)的指令。信號燈聯(lián)網(wǎng)以后，整個(gè)區域的交通路口就可以進(jìn)行協(xié)調聯(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(lái)指令，適當延長(cháng)相鄰路口信號燈來(lái)車(chē)方向的通行時(shí)間，有效疏導交通。

“看門(mén)狗”程序模塊在主程序運行異常時(shí)可產(chǎn)生的一個(gè)溢出信號，并通過(guò)引腳向處理器發(fā)送復位信號，使主程序重新開(kāi)始運行。

系統檢測及報警程序模塊是應對信號燈故障而設置的，它根據返回的TTL電平信號作出判斷，一旦發(fā)現問(wèn)題，將把出錯信息實(shí)時(shí)向上反映，為進(jìn)一步的系統維護提供依據。

4 結論

研制智能型交通信號燈系統，可以有效改善交通現狀，提高現有道路資源的利用率，節約社會(huì )成本。本系統基于AT91RM9200處理器，以應用為中心，采用嵌入式操作系統，設計上具有成本低，操作簡(jiǎn)易，擴展方便，信息共享度高，靈活性強等特點(diǎn)，有很好的參考價(jià)值和較高的實(shí)用價(jià)值。