基于RTOS的智能交通燈設(shè)計(jì)方法
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關(guān)鍵詞：智能交通燈 車流量 實(shí)時(shí) 多任務(wù)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)
引言
隨著城市汽車保有量的越來(lái)越多，城市的交通擁擠問(wèn)題正逐漸引起人們的注意。交通燈是交管部分管理城市交通的重要工具。目前絕大部分交通燈其時(shí)間都是設(shè)定好的，不管是車流高峰還是低谷，紅綠燈的時(shí)間都固定不變；還有一些交通燈能根據(jù)簡(jiǎn)單劃分的時(shí)間段來(lái)調(diào)整時(shí)間，但控制起來(lái)都不是很靈活，這使得城市車流的調(diào)節(jié)不能達(dá)到最優(yōu)。本文所述設(shè)計(jì)正是針對(duì)這一弊端進(jìn)行了改進(jìn)，根據(jù)實(shí)時(shí)車流量對(duì)各路口的綠燈時(shí)間進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，大大加強(qiáng)了其靈活性和實(shí)時(shí)性；軟件編程采用了實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)RTX51，在確保實(shí)時(shí)性要求的同時(shí)，簡(jiǎn)化了復(fù)雜的軟件設(shè)計(jì)工作。
1 方案論證
圖1是一個(gè)典型的十字路口示意圖。分別用1、2、3、4表明四個(gè)流向的主車道，用a、b、c、p分別表示各主車道的左行車道、直行車道、右行車道以及人行橫道。
通過(guò)分析很容易得知，除了四個(gè)右行車道外，在同一時(shí)間，最多只能有兩個(gè)車道通行，如1a、1b通行時(shí)，其它車道都會(huì)被阻斷。所以在設(shè)計(jì)紅綠燈時(shí)，可以兩兩組合，共有四組（如la-1b、2a-2b、3a-3b、4a-4b）；而各車道的紅燈時(shí)間和人行橫道通停時(shí)間都由這四個(gè)組合的綠燈窗口時(shí)間決定。本文將以廣泛采用的圖2所示的通行順序來(lái)講述智能交通燈的設(shè)計(jì)。
2 系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)硬件上采用上位機(jī)和下位機(jī)設(shè)計(jì)，其中下位機(jī)四個(gè)，均采用AT89C52單片機(jī)，分別控制圖2所示的四個(gè)組合。AT89C52單片機(jī)具有MCS-51內(nèi)核，片內(nèi)有8KB Flash、256字節(jié)RAM、6個(gè)中斷源、1個(gè)串行口、最高工作頻率可達(dá)24MHz，完全可以滿足本系統(tǒng)的需要。
上位機(jī)和下位機(jī)之間的串行通信采用RS-485標(biāo)準(zhǔn)接口。在通信頻率為9600bps的情況下，有效通信距離可達(dá)2.1km。
軟件設(shè)計(jì)中，采用RTX51小型實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。它是一個(gè)專用于8051系列處理器的多任務(wù)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，能使用四個(gè)任務(wù)優(yōu)先權(quán)完成同時(shí)存在時(shí)間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度和搶先的任務(wù)切換，并可以簡(jiǎn)化那些復(fù)雜而且時(shí)間要求嚴(yán)格的工程軟件設(shè)計(jì)工作。
2.1 下位機(jī)設(shè)計(jì)
以控制1a-1b-3c-4c-2p組合的下位機(jī)為例說(shuō)明。
下位機(jī)外接動(dòng)態(tài)車輛檢測(cè)電路、LED和數(shù)碼相機(jī)。各下位機(jī)通過(guò)對(duì)車輛檢測(cè)電路定時(shí)掃描，讀取各車道當(dāng)前信息，判斷是否有車通過(guò)；LED顯示各車道方向箭頭及剩余時(shí)間；數(shù)碼相機(jī)則對(duì)違章車輛進(jìn)行抓拍。
動(dòng)態(tài)車輛檢測(cè)電路結(jié)構(gòu)如圖3所示。
埋設(shè)在各車道安全線前方路面下的環(huán)形線圈傳感器與振蕩器匹配，形成一定頻率的周期信號(hào)。該信號(hào)經(jīng)施密特整形電路轉(zhuǎn)化為脈寬信號(hào)后可作為計(jì)數(shù)脈沖。當(dāng)有車輛通過(guò)該環(huán)形線圈時(shí)，線圈磁場(chǎng)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致計(jì)數(shù)脈沖數(shù)量的變化。將100ms時(shí)間內(nèi)沒(méi)有車通過(guò)時(shí)的頻率計(jì)數(shù)作為基準(zhǔn)計(jì)數(shù)Base，實(shí)際計(jì)數(shù)為Num。當(dāng)NumBase>0時(shí)，就可判定有車輛通過(guò)。
下面是下位機(jī)中多任務(wù)的分析與實(shí)現(xiàn)。
（1）初始化任務(wù)
初始化串行接口，并開(kāi)始全部其它任務(wù)。最后刪除自身，因?yàn)槌跏蓟恍枰淮巍?/P>
（2）數(shù)據(jù)采集任務(wù)
每隔100ms順次讀取四個(gè)車道（1a、1b、3c、4c）動(dòng)態(tài)車輛檢測(cè)電路的信息，判斷Num-Base是否大于0。若為真，則置相應(yīng)Flag為1，否則置0（Flash表示某一車道有無(wú)車輛通過(guò)的標(biāo)識(shí)）。令FLAG1、flag1分別標(biāo)志1a車道上一次和本次的檢測(cè)結(jié)果。若FLAG1-flag1=1，則表明有車通過(guò)（同樣，可以令FLAG2、flag2標(biāo)識(shí)1b車道，F(xiàn)LAG3、flag3標(biāo)識(shí)3c車道、FLAG4、flag4標(biāo)識(shí)4c車道前后兩次的檢測(cè)結(jié)果）。若任一車道有車通過(guò)，則向流量統(tǒng)計(jì)及違章監(jiān)測(cè)任務(wù)發(fā)送信號(hào)。程序如下：
void job2()_task_job2{
while(1){
讀取車輛檢測(cè)電路信息，通過(guò)判斷給flag1、flag2、flag3、flag4賦值；
if(FLAG1-flag1==1||FLAG2-flag2==1||FLAG3-flag3==1||FLAG4-flag4=1) //若某一車道有車通過(guò)
{
記錄有車通過(guò)的車道；
os_send_signal(job3);//向流量統(tǒng)計(jì)與違章監(jiān)測(cè)任務(wù)發(fā)出信號(hào)
}
FLAG1=flag1;FLAG2=flag2;FLAG3=flag3;FLAG4=flag4； //當(dāng)前標(biāo)識(shí)位成為前一標(biāo)識(shí)位
各計(jì)數(shù)器恢復(fù)初值；
os_wait(100ms)；
}
}
（3）流量統(tǒng)計(jì)與違章監(jiān)測(cè)任務(wù)
在接收到任務(wù)2發(fā)來(lái)的信號(hào)后，根據(jù)其提供的車道記錄及該車道的當(dāng)前顯示情況，實(shí)現(xiàn)流量統(tǒng)計(jì)或違章監(jiān)測(cè)的功能。
void job3()_task_job3{
while(1){
os_wait(K_SIG,0,0);
if(1a||1b車道有車通過(guò)){
if(當(dāng)前為紅燈)啟動(dòng)數(shù)碼相機(jī)抓拍，并讀取實(shí)時(shí)時(shí)鐘當(dāng)前時(shí)間；
else N1++; //在綠燈持續(xù)時(shí)間內(nèi)對(duì)通過(guò)車輛計(jì)數(shù)
}
else若當(dāng)前為紅燈，啟動(dòng)數(shù)碼相機(jī)抓拍，并讀取時(shí)間。3c、4c違章監(jiān)測(cè)
}
}
（4）顯示任務(wù)
圖2 十字路口典型通行順序示意圖
在外接的LED上分別顯示四個(gè)車道方向箭頭和人行橫道的紅綠燈，以及1a-1b車道剩余時(shí)間。最初的窗口時(shí)間由上位機(jī)給定。該顯示值每秒鐘刷新一次。
Void job4()_task_job4{
t1=T1; //T1為上位機(jī)給定綠燈窗口時(shí)間
while(1){
各路口方向箭頭、人行橫道紅綠燈顯示及1a、1b車道剩余時(shí)間（t1）顯示；
os_wait(1000ms)； //1s刷新
t1--;
if(t1==0)
{os_create_task(job6); //若時(shí)間到，創(chuàng)建通信任務(wù)
os_delete_task(job4)；} //刪除顯示任務(wù)
}
}
（5）看門狗復(fù)位任務(wù)
定期對(duì)看門狗進(jìn)行復(fù)位，表明程序正常運(yùn)行。
（6）通信任務(wù)
當(dāng)時(shí)間到時(shí)，根據(jù)當(dāng)前情況進(jìn)行紅綠燈顯示切換若1a、1b當(dāng)前為綠燈，則時(shí)間到后通知上位機(jī)，并將統(tǒng)計(jì)的車流量經(jīng)串行口傳送給上位機(jī)，由上位機(jī)觸發(fā)下一組綠燈顯示；右1a、1b當(dāng)前為紅燈，則時(shí)間到后等待上位機(jī)觸發(fā)信號(hào)。這樣由上位機(jī)統(tǒng)一調(diào)度，可以避免各下位機(jī)各自為政所造成的時(shí)間差。由于通信任務(wù)對(duì)時(shí)間特性的要求很高，所以應(yīng)將通信任務(wù)設(shè)為高優(yōu)先級(jí)。
Void job6()_task_job6_prority_1{
if(綠燈時(shí)間間到){
V1=N1*60/(2*T1); //N1表示1a、2b車道在T1時(shí)間內(nèi)通過(guò)的車輛總和，V1為該綠燈周期內(nèi)兩個(gè)車道平均每分鐘車流量
將V1值傳送上位機(jī)；
N1清0；
1a、1b、3c、2p轉(zhuǎn)紅色顯示；
}
if(紅燈時(shí)間到){
os_wait(K_SIG,0,0)； //等待上位機(jī)信號(hào)
根據(jù)上位機(jī)計(jì)算數(shù)據(jù)更新T1；
1a、1b、4c、2p轉(zhuǎn)綠色顯示；
}
os_create_task(job4); //創(chuàng)建顯示任務(wù)
os_delete_task(job6); //刪除自身
}
2.2 上位機(jī)設(shè)計(jì)
上位機(jī)主要完成人機(jī)交互的功能。它外接一個(gè)字符型LCD顯示器和鍵盤。LCD顯示器在睡眠狀態(tài)下顯示各路口的當(dāng)前綠燈窗口時(shí)間。當(dāng)有鍵盤響應(yīng)時(shí)，作相應(yīng)的輔助顯示。
本系統(tǒng)的鍵盤采用9按鍵輸入。
當(dāng)主車道上有緊急車輛（如警車、消防車或急救車等）要求通行時(shí)，可以按下此鍵。
本系統(tǒng)設(shè)定了6種功能選項(xiàng)：4個(gè)主車道的綠燈窗口時(shí)間調(diào)節(jié)選項(xiàng)、手動(dòng)/自動(dòng)操作模式切換選項(xiàng)以及違章記錄查詢選項(xiàng)。這6項(xiàng)功能，可以通過(guò)按功能鍵進(jìn)行切換。
下面是上位機(jī)中多任務(wù)的分析與實(shí)現(xiàn)。
（1）初始化任務(wù)
初始化串行接口及各車道組合的綠燈窗口時(shí)間（20s），并開(kāi)始其它任務(wù)，最后刪除自身。
（2）鍵盤掃描任務(wù)
利用順序查詢的方式，定時(shí)對(duì)鍵盤進(jìn)行掃描，判斷是否有按鍵被按下。若有，則判斷是哪個(gè)鍵被按下，并向任務(wù)3發(fā)出信號(hào)。
void job2_task_job2{
while(1){
掃描鍵盤；
if(有鍵被按下){
判斷是哪個(gè)鍵；
os_send_signal(job3);
}
os_wait(10ms);
}
}
(3)鍵盤處理任務(wù)
若在初始情況下按下功能鍵，則進(jìn)入6個(gè)功能項(xiàng)。再次按下功能鍵，則在這6個(gè)功能項(xiàng)之間進(jìn)行切換；若按下的是確定鍵，則創(chuàng)建相應(yīng)功能項(xiàng)所定義的任務(wù)。在任何情況下按下緊急通行鍵，將創(chuàng)建緊急通行任務(wù)。
（4）顯示任務(wù)
當(dāng)鍵盤掃描任務(wù)在一定的時(shí)間內(nèi)沒(méi)有檢測(cè)到輸入信號(hào)時(shí)，將LCD轉(zhuǎn)入睡眠狀態(tài)，面板顯示各車道組合的當(dāng)前綠燈窗口時(shí)間。若該窗口時(shí)間由于任務(wù)5被更新，當(dāng)有按鍵被按下時(shí)，則根據(jù)按鍵情況作相應(yīng)的輔助顯示。
（5）時(shí)間自動(dòng)調(diào)節(jié)任務(wù)
在自動(dòng)操作模式下，每隔10min，對(duì)各下位機(jī)上傳的各車道組合的車流量進(jìn)行分析，根據(jù)模糊算法確定各車道組合的最優(yōu)時(shí)間分配。
分別用V1、V2、V3、V4表示1a-1b、2a-2b、3a-3b、4a-4b四個(gè)車道組合當(dāng)前每分鐘平衡車流量，t1、t2、t3、t4表示各自綠燈窗口時(shí)間，則綠燈時(shí)間分配如表1所列。
表1 綠燈時(shí)間分配表
| Vi(i=1～4) | Vi≤5 | 5<5i≤10 | 10<Vi≤15 | 15<Vi≤20 | Vi>20 |
| ti/S | 15 | 20 | 25 | 30 | 35 |
不難理解，每一組合的紅燈窗口時(shí)間等于其它三個(gè)組合的綠燈窗口時(shí)間之和。為了避免某一組車道等待的時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，當(dāng)有兩個(gè)以上的車道組合的每分鐘平衡車流量都大于15時(shí)，將它們的綠燈時(shí)間都定為30s。這樣，最長(zhǎng)的等待時(shí)間不超過(guò)90s。
（6）時(shí)間手動(dòng)調(diào)節(jié)任務(wù)
每按一下“+鍵”，將當(dāng)前車道組合的綠燈窗口時(shí)間加1，按“-鍵”則減1。當(dāng)按確定鍵后，則當(dāng)前設(shè)定時(shí)間被保存到變量Ti中。
（7）手動(dòng)/自動(dòng)切換任務(wù)
當(dāng)切換到自動(dòng)操作模式時(shí)，創(chuàng)建任務(wù)5，并發(fā)出信號(hào)使任務(wù)3中“主車道綠燈窗口時(shí)間調(diào)節(jié)”功能項(xiàng)不可選。當(dāng)切換到手動(dòng)操作模式時(shí)，刪除任務(wù)5，并解除時(shí)間調(diào)節(jié)功能項(xiàng)的限制。
（8）違章查詢?nèi)蝿?wù)
讀取各個(gè)位機(jī)的違章記錄，包括違章車道和違章時(shí)間，并在LCD上顯示出來(lái)。違章車輛的圖像信息可由數(shù)碼相機(jī)獲取。
（9）緊急通行任務(wù)
當(dāng)緊急通告鍵被按下時(shí)，該任務(wù)被創(chuàng)建。任務(wù)首先保存當(dāng)前各車道組合的綠燈窗口時(shí)間，然后強(qiáng)制有緊急情況的車道組合綠燈顯示、其它車道組合紅燈顯示，以保障緊一輛順序通行。延時(shí)10s后，恢復(fù)以前的順序顯示。由于該任務(wù)時(shí)間特性要求很高，所以應(yīng)將其優(yōu)先級(jí)設(shè)為2，高于通信任務(wù)。最后刪除自身。
（10）看門狗復(fù)位任務(wù)
定期對(duì)看門狗進(jìn)行復(fù)位，表明程序正常運(yùn)行。
（11）通信任務(wù)
當(dāng)某一下位機(jī)因綠燈時(shí)間到而觸發(fā)串行口中斷后，該取該下位機(jī)的當(dāng)前車流量Vi，并觸發(fā)控制下一車道組合的下位機(jī)進(jìn)行綠燈顯示；同時(shí)，將更新的綠燈窗口時(shí)間ti(i=1～4)賦給各下位機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)車流量的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。由于該任務(wù)時(shí)間特性要求較高，將其優(yōu)先級(jí)設(shè)為1。
結(jié)語(yǔ)
本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便；既可現(xiàn)場(chǎng)控制，又可遠(yuǎn)程控制；擁有手動(dòng)和自動(dòng)兩種控制模式，具有一定的智能性；能根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)狀況，合理地調(diào)節(jié)車流，對(duì)優(yōu)化城市交通具有一定的意義。
另外，利用RTX51實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)提供的系統(tǒng)特征，可以簡(jiǎn)化多任務(wù)程序設(shè)計(jì)，滿足多個(gè)任務(wù)的時(shí)間特性要求，可完成前后臺(tái)編程方法難以完成的編程任務(wù)。同時(shí)基于實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)，可以將各任務(wù)進(jìn)行細(xì)分包裝，使各任務(wù)保持相對(duì)獨(dú)立；能有效改善程序結(jié)構(gòu)，便于模塊化處理，使程序的可讀性、可維護(hù)性和可移植性都得到進(jìn)一步的提高。
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