基于ARM的新型智能交通信號燈系統(tǒng)設(shè)計

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(yàn)和以往統(tǒng)計數(shù)據(jù)確定紅綠燈亮滅時間。要實(shí)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(shí)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。

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(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(yuǎn)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(qiáng)的自適應(yīng)性和可擴(kuò)充性。

1  系統(tǒng)功能與整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

從功能特點(diǎn)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(yuǎn)程控制模式等信號控制模式；可以進(jìn)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(jìn)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(qiáng)大的輸入/輸出功能，可實(shí)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(jī)界面，用戶可通過手動開關(guān)、鍵盤或遙控器對信號機(jī)進(jìn)行設(shè)定和控制。

信號機(jī)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(jī)控制板處理器，可以滿足信號機(jī)智能化的要求，使信號機(jī)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。

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(qiáng)，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(jìn)行信號傳遞，完全實(shí)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(dāng)電源電壓升高時，占空比會減小，抑制LED亮度的提高，當(dāng)電源電壓降低時，占空比會增大，限制LED亮度的降低，從而實(shí)現(xiàn)了LED亮度的自動控制。

信號燈遠(yuǎn)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(xiàn)。這種遠(yuǎn)距離通信控制電路簡單、成本低、抗干擾能力強(qiáng)。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(zhǔn)確實(shí)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(fù)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(dú)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(shí)現(xiàn)交通信號的聯(lián)動控制，進(jìn)行有效的交通預(yù)測和疏導(dǎo)。當(dāng)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(yùn)作，可以實(shí)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。

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(jī)主控端模塊

主控制機(jī)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(shí)時控制，且支持實(shí)時操作系統(tǒng)，運(yùn)算速度高。

信號機(jī)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(jī)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(shí)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(jī)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(yùn)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(kuò)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(yùn)行Bootloader，由Bootloader初始化硬件并將linux拷貝到SDRAM中運(yùn)行。

NandFlash主要用于存放應(yīng)用程序和數(shù)據(jù)。

為方便人機(jī)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(kuò)展一個4×4的鍵盤矩陣，ZLG7290B通過IIC串行總線與處理器進(jìn)行連接。

考慮到信號機(jī)的體積，也為了方便設(shè)備的升級、擴(kuò)展，從信號機(jī)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(jī)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(biāo)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(biāo)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(biāo)簽，天線和讀寫器三個部分。天線和讀寫器安置在路邊，當(dāng)帶有射頻標(biāo)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(jī)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(jī)向上位機(jī)－－地區(qū)信號燈系統(tǒng)控制端發(fā)送。車流信息在信號機(jī)主控端內(nèi)經(jīng)過建模計算，可以獲得當(dāng)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(qiáng)。紅外接收端與信號機(jī)控制板總線相連，可以將遙控器按鍵信號傳遞至信號機(jī)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(fù)雜，可能存在各種難以預(yù)測的電源、電磁干擾及信號機(jī)自身的隨機(jī)性障礙。為了保證系統(tǒng)的可靠運(yùn)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(hù)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)時檢測，將返回的TTL電平信號傳遞至信號機(jī)主控板，信號機(jī)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(jī)。

2.5 信號燈控制器模塊

信號燈控制器是信號機(jī)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(jī)數(shù)據(jù)進(jìn)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(jìn)行雙向通訊。本地信號機(jī)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(jī)。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(jī)的處理器開銷，使得信號燈系統(tǒng)更加穩(wěn)定和易于維護(hù)。

3  軟件實(shí)現(xiàn)

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(tǒng)程序可分為以下幾個模塊：

信號機(jī)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(dāng)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(dāng)前所執(zhí)行的信號燈周期，以人工經(jīng)驗(yàn)與系統(tǒng)相結(jié)合，體現(xiàn)出人機(jī)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(jìn)行實(shí)時分析計算，依據(jù)結(jié)果對信號燈周期進(jìn)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(kuò)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。可以一次性預(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(dāng)?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(qiáng)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(qiáng)制重置，特別適用于單向塞車車流的調(diào)節(jié)和像救護(hù)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(jī)（交警聯(lián)動中心控制機(jī)）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(jìn)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(dāng)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(yùn)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(yùn)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(shí)時向上反映，為進(jìn)一步的系統(tǒng)維護(hù)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(kuò)展方便，信息共享度高，靈活性強(qiáng)等特點(diǎn)，有很好的參考價值和較高的實(shí)用價值。