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具有分布式特征的交通信號燈控制系統(tǒng)設(shè)計

作者:佚名
來源:OFweek
日期:2018-03-19 11:22:08
摘要:本文提出了一種具有分布式特征的交通信號燈控制系統(tǒng)設(shè)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(yīng)用人工智能理論使得系統(tǒng)具有更強的自適應(yīng)性和可擴充性。

  引言

  目前,國內(nèi)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(tǒng)計數(shù)據(jù)確定紅綠燈亮滅時間。要實現(xiàn)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),實時檢測路口的交通流量以及擁塞量等數(shù)據(jù),根據(jù)規(guī)則動態(tài)地調(diào)節(jié)信號燈,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燈控制系統(tǒng)設(shè)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(yīng)用人工智能理論使得系統(tǒng)具有更強的自適應(yīng)性和可擴充性。

  1 系統(tǒng)功能與整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

  從功能特點來看,智能交通信號燈系統(tǒng)應(yīng)具有時間固定模式、時間設(shè)定模式、時間感應(yīng)模式、現(xiàn)場遙控模式、遠程控制模式等信號控制模式;可以進行日期、時間設(shè)定、分時段時間設(shè)定、感應(yīng)參數(shù)設(shè)定、周期時間、相位差和綠信比等參數(shù)設(shè)定;可以進行系統(tǒng)自檢、綠沖突檢測、燈故障檢測、線路故障檢測;具有強大的輸入/輸出功能,可實現(xiàn)對路口的不同相位燈控輸出和檢測功能。此外,系統(tǒng)提供友好的人機界面,用戶可通過手動開關(guān)、鍵盤或遙控器對信號機進行設(shè)定和控制。

  信號機是整個系統(tǒng)的核心。它由LCD屏、控制板、燈組驅(qū)動板、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作為信號機控制板處理器,可以滿足信號機智能化的要求,使信號機在系統(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。

  智能交通信號燈系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

具有分布式特征的交通信號燈控制系統(tǒng)設(shè)計

圖1 交通信號燈系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(wěn)定。系統(tǒng)內(nèi)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,僅進行信號傳遞,完全實現(xiàn)弱電控制。信號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,當電源電壓升高時,占空比會減小,抑制LED亮度的提高,當電源電壓降低時,占空比會增大,限制LED亮度的降低,從而實現(xiàn)了LED亮度的自動控制。

  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現(xiàn)。這種遠距離通信控制電路簡單、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(shù)據(jù)D、時鐘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,準確實現(xiàn)位控制,不同的信號燈就可以在連線上采取并聯(lián)方式,這樣,一個線路輸出的負載能力足以控制十幾個信號燈,可以滿足各種交通路口的需要。

  智能交通信號燈系統(tǒng)既是一個獨立的系統(tǒng),又是整個地區(qū)智能信號燈系統(tǒng)的一部分。通過信息共享,可以實現(xiàn)交通信號的聯(lián)動控制,進行有效的交通預(yù)測和疏導(dǎo)。當路口車流相對均勻穩(wěn)定時,地區(qū)內(nèi)的信號燈協(xié)調(diào)運作,可以實現(xiàn)“綠波帶”控制。

  以下給出地區(qū)交通信號燈聯(lián)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖,如圖2所示。

具有分布式特征的交通信號燈控制系統(tǒng)設(shè)計

圖2 地區(qū)交通信號燈聯(lián)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

  2 系統(tǒng)硬件設(shè)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(nèi)核,集成了豐富的外圍功能模塊,非常適合于實時控制,且支持實時操作系統(tǒng),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(tǒng)內(nèi)其它器件選擇工作電壓為3.3V和5V。

  信號機在系統(tǒng)內(nèi)部通訊和區(qū)域協(xié)調(diào)控制中需要時間同步,因此設(shè)計RTC(實時時鐘)用來對時。AT91RM9200內(nèi)部集成RTC單元,只需要外接晶振就能工作,十分方便。

  信號機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,還有其它在運行過程中需要保存的數(shù)據(jù),所以要通過外存儲單元來擴展存儲空間,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(yīng)用程序和數(shù)據(jù)。

  為方便人機界面的操作,AT91RM9200內(nèi)置LCD(液晶顯示器)驅(qū)動控制器,能自動產(chǎn)生LCD驅(qū)動控制信號,可以與LCD直接連接。鍵盤模塊通過ZLG7290B擴展一個4×4的鍵盤矩陣,ZLG7290B通過IIC串行總線與處理器進行連接。

  考慮到信號機的體積,也為了方便設(shè)備的升級、擴展,從信號機控制板引出數(shù)據(jù)總線、地址總線和必要的控制信號,設(shè)計統(tǒng)一的系統(tǒng)總線,通過總線來調(diào)度控制各個功能板塊,如車流信息采集板塊、信號燈控制器板塊、紅外線接收板塊、故障檢測板塊等。這些板塊與相應(yīng)的功能模塊一一對應(yīng),以插槽接口與信號機控制板相連。

  2.2 車流量信息采集模塊

  射頻識別,即RFID(Radio Frequency IDentification ),俗稱電子標簽,它是一種非接觸式的自動識別技術(shù),通過射頻信號自動識別目標對象并獲取相關(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RFID設(shè)備包括射頻標簽,天線和讀寫器三個部分。天線和讀寫器安置在路邊,當帶有射頻標簽的車輛通過該路段時,讀寫器會通過天線接收返回載有RFID信息的射頻調(diào)制信號,經(jīng)處理后傳給信號機主控端,完成路況數(shù)據(jù)的信息采集。有關(guān)數(shù)據(jù)也經(jīng)由本地信號機向上位機--地區(qū)信號燈系統(tǒng)控制端發(fā)送。車流信息在信號機主控端內(nèi)經(jīng)過建模計算,可以獲得當前信號燈所需的周期時間。

  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個持續(xù)信號2個單次信號,串行口接入方便,且價格低,穩(wěn)定性強。紅外接收端與信號機控制板總線相連,可以將遙控器按鍵信號傳遞至信號機主控端進行中斷處理,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(fù)雜,可能存在各種難以預(yù)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(tǒng)的可靠運行,除了采用軟件對策外,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、手動復(fù)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時檢測,將返回的TTL電平信號傳遞至信號機主控板,信號機系統(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(shù)據(jù)進行處理轉(zhuǎn)化而成的。

  2.6 地區(qū)聯(lián)動模塊

  本地信號燈系統(tǒng)與地區(qū)信號燈系統(tǒng)管理端采用局域網(wǎng)絡(luò)(LAN)進行雙向通訊。本地信號機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)果返回給本地信號機。Web Service技術(shù)充分利用地區(qū)信號燈系統(tǒng)控制單元的計算能力,減輕了本地信號機的處理器開銷,使得信號燈系統(tǒng)更加穩(wěn)定和易于維護。

  3 軟件實現(xiàn)

  主程序流程圖如圖3所示。

具有分布式特征的交通信號燈控制系統(tǒng)設(shè)計

圖3 主程序流程圖

  交通信號燈系統(tǒng)程序可分為以下幾個模塊:

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

  定時控制程序模塊支持通過鍵盤輸入固定的時間數(shù)值,改變當前所執(zhí)行的信號燈周期,以人工經(jīng)驗與系統(tǒng)相結(jié)合,體現(xiàn)出人機交互能力。

  車流調(diào)節(jié)程序模塊是利用RFID技術(shù)識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],對路口交通情況進行實時分析計算,依據(jù)結(jié)果對信號燈周期進行調(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)的擴展技術(shù),即車輛自動識別管理(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。

  定時調(diào)節(jié)程序模塊是針對已經(jīng)形成一定路況規(guī)律的路段而設(shè)置的??梢砸淮涡灶A(yù)先設(shè)定每天不同時段對應(yīng)不同的信號燈周期。比如,晚上車流量較少,可做定時調(diào)節(jié)將紅綠燈改成閃爍的黃燈,當?shù)诙熘付〞r刻到來時,自動恢復(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段使用,可以提高通行效率。

  遙控強置程序模塊是為交警現(xiàn)場指揮交通而設(shè)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(xiàn)場的信號燈相位全部強制重置,特別適用于單向塞車車流的調(diào)節(jié)和像救護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)動處理程序模塊是用來處理上位機(交警聯(lián)動中心控制機)所發(fā)來的指令。信號燈聯(lián)網(wǎng)以后,整個區(qū)域的交通路口就可以進行協(xié)調(diào)聯(lián)動控制,如果一個路口發(fā)生擁堵,聯(lián)動中心可以發(fā)來指令,適當延長相鄰路口信號燈來車方向的通行時間,有效疏導(dǎo)交通。

  “看門狗”程序模塊在主程序運行異常時可產(chǎn)生的一個溢出信號,并通過引腳向處理器發(fā)送復(fù)位信號,使主程序重新開始運行。

  系統(tǒng)檢測及報警程序模塊是應(yīng)對信號燈故障而設(shè)置的,它根據(jù)返回的TTL電平信號作出判斷,一旦發(fā)現(xiàn)問題,將把出錯信息實時向上反映,為進一步的系統(tǒng)維護提供依據(jù)。

  4 結(jié)論

  研制智能型交通信號燈系統(tǒng),可以有效改善交通現(xiàn)狀,提高現(xiàn)有道路資源的利用率,節(jié)約社會成本。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)計上具有成本低,操作簡易,擴展方便,信息共享度高,靈活性強等特點,有很好的參考價值和較高的實用價值。