宋嘉炜 张程誉 何思卓

（海军工程大学电子工程学院 武汉 430033）

1 引言

随着社会的不断发展进步，“智能城市”的建设少不了有智能的交通灯控制系统，在车流量日益增大的趋势下，城市对车辆管理的重要性也显得尤为重要，这就考验着交通灯控制系统的逻辑功能，它时刻关系着人们出行的效率［1］。在这些要求下，交通灯的性能面临巨大挑战；早上七点到八点期间和晚上六点到七点之间都是这流量会明显攀升的高峰期，事故隐患也成倍的增加；而在零点以后，车辆较少，加上我国目前开始采用光电系统，夜晚持续照明不仅会浪费电能，同时容易损坏电池，导致路灯使用寿命缩短；一旦失效，带来的便是混乱的交通甚至事故，给人们出行带来严重不便。因此，急需研究一种具有车流量监测功能的交通灯。

随着现代科技的不断进步和发展，设计了一种采用交通监控和交通信号灯控制算法，以替代传统的交通自适应控制算法［2］。分为三个模块进行介绍：首先是设计具有常规控制系统功能的路灯控制系统模块，它可以完成基本的路灯控制和完备的计时器功能；其次在此基础上设计具有判断功能的系统模块，通过传感器来获取昼夜情况和天气情况，从而判断灯的亮灭，若亮则继续判断用何种方式来确定准确的绿灯时间，从而减少了平均延迟时间，一改以往时间固定的模式；最后是上传功能的优化设计模块，利用以往和现采集的数据对路况进行实时分析，给绿灯时间提供数据支持，并且能够及时上报路况和交通灯受损情况，以便相关部门及时处理［3］。

2 常规交通灯控制器的设计

2.1 设计要求

各路口均设红，绿，黄三色信号灯，任意时刻三色灯中只能有一个亮，绿灯亮允许通行，红灯亮禁止通行，黄灯亮适用于等待，各路口均设2 位数码管，显示放行时间和黄灯亮的时间。要求每次绿灯绿灯变红灯时，黄灯先亮5s；各路口要有数字显示，时间均以秒为单位作减技术［4］；主干道通行时间可在0s～99s 之间待定。通过分析可以得到常规交通灯的初步结构框图如图所示。它主要由时钟单元电路，状态控制器，状态译码器，减计数器及显示电路组成。状态控制器为核心部分，由它来控制交通灯四个路口的灯光亮暗情况，通过状态译码器点亮当前状态下的信号灯；时钟单元是该系统中控制器的标准时钟信号源；减计数器通过对秒脉冲计数来控制系统每一种状态的持续时间；状态译码器根据系统即将处于的状态决定计数器下一次减计数从何初值开始更有利于道路交通［5］。

2.2 时钟单元电路

该时钟单元电路是由555 定时器构成的多谐振荡器，该控制系统的单位是秒，因此为秒脉冲发生器，且其对信号的精度要求不高。555 定时器构成的秒脉冲CP1的周期为

取T=1s，令C=10uF，R1=50kΩ，取一个固定电阻47kΩ与一个5kΩ的电位器串联代替电阻R2。根据计算结果，脉冲发生器设计如图1。

图1 秒脉冲信号发生电路

它向计数电路提供的秒计时CP脉冲。

2.3 状态控制器

状态转移图如图所示，各状态说明如下：

状态1：主干道绿灯亮，允许通行；支干道红灯亮，禁止通行。

状态2：主干道黄灯亮，停车；支干道红灯亮，禁止通行。

状态3：主干道红灯亮，禁止通行；支干道绿灯亮，允许通行。

状态4：主干道红灯亮，禁止通行；支干道黄灯亮，停车。

首先把这4 中状态以数字的形式表示出来。可用2 位二进制数表示所需状态，循环状态（00—01—11—10—00），再利用74LS112（双下降沿JK触发器）设计模4 计数器作为主控部分电路。状态转移图如图2所示。

图2 状态转移图

2.4 状态译码器

状态译码器主要是将状态控制器输出信号译码后驱动相应信号灯，利用门电路即可实现，信号真值表如表1所示。

表1 信号真值表

2.5 减计数器

用两片74LS192构成2位十进制可预置数的减计数器，用三片8 路三态缓冲门74LS245 实现计数器分时置数控制，分别设置主支干道的通行时间和黄灯亮的时间，减计数器回零瞬间，状态控制器翻转为下一个新状态，状态译码器完成换灯同时选通下一片74LS245，计数器置入新的定时值，开始新状态下的减计数。

3 系统设计

在常规交通灯设计的基础上进行优化设计，优化后的系统整体的工作方式为，该智能灯控制系统的监测中心服务器对整个路灯控制系统进行统一管理，

首先会通过光传感器采集数据判断昼夜情况，若光传感器判断此刻为夜晚，并且有足够的电能保证工作，则进入下一个数值选择器，该选择器旨在判断由采集数据计算出来的实时车流量数值是否大于基于道路宽窄等固定参数计算出来的拥挤和疏通的临界值，其次若没有大于临界值，则进入空气质量采集单元，此传感器集合湿度采集模块，雾霾采集模块等，通过或非门判断天气情况，判断结果若为空气质量良好，则关闭交通灯已达到节约和保护作用，若空气质量达不到标准，则保持交通灯的正常运行，防止事故的发生；若大于临界值，则省略上面的步骤，直接保持交通灯的正常运行。若一开始判断为白天，则交通灯在正常运行的同时启动充电功能。

最后进入空气质量采集单元，若空气质量良好，则利用俯瞰摄像的方式利用软件分析此刻车流量的大小，并用计算出的数据来进一步确定绿灯时间，舒缓交通压力；若空气质量未达到标准，则利用估算系统对车流量进行实时准确的估算来确定绿灯时间，进而达到预定的目的。系统框图如图3 所示。

图3 系统工作流程框图

3.1 空气质量采集单元

如图4 为空气质量采集单元框图，主要负责路口周边的环境参数，采集的参数包括湿度采集单元，雾霾采集单元和光照采集单元，该模块是一个模块化装置，可以实时将参数传达至控制总线进行进一步处理便于管理和拓展。空气质量采集单元集合湿度传感器HM1500LF 采集周围路口的湿度参数，雾霾传感器DSM510 采集当天的实时雾霾参数和光传感器BH1750FVI 判断昼夜情况。同时将光传感器，湿度传感器和雾霾传感器通过或非门连接，若有一个未达到预定质量标准，都会导致交通灯进入自动控制系统而正常工作，只有都达到标准才会输出0来关闭交通灯。

图4 空气质量采集单元

3.2 俯瞰摄影单元

如今，摄像头基本覆盖每个街道的各个路口，设计摄像头的初衷在于防止道路交通紊乱，进行违章拍照等。若将摄像头的功能进一步改进，在白天且空气质量良好的情况下启动实时摄像并将画面导入软件中，将摄影中的车辆量化，量化包含单位时间的车流量和车型大小，利用车型查找车辆长宽和质量等数据，结合汽车的数量，计算出该时刻的相对车流量大小，利用此数值便可进一步确定绿灯的时间，减缓交通压力。

3.3 估算单元

对于交通灯控制器来说，最重要的信息是每个信号组的队列长度。因此，提出了改进队列测量的三种算法。第一次使用GPS 数据，是以为车载GPS是未来的趋势，同时结合同路口历史车辆行驶方向百分比来确定车辆是否排队向右转、向左或向右行驶。此设计好处在于随着时间的推移，没有积累错误的优势。第二种算法还使用了交通灯状态的信息，并利用加速车辆的波浪速度模型确定了绿色开始时的排队长度，车辆仅在交叉口上游检测一次，其到达时间以平均速度为模型。第三种算法是低渗透，结合传统的停止线检测与合作检测来估计队列长度。将前两种算法与传统的队列估计算法进行了比较，并将平均队列估计误差从5.6 个提高到2.6，而对GPS 算法和波速算法的平均队列估计误差为1.7，该算法不考虑将百分比转化为考虑因素，模拟对比了不同的场景［6］。这些算法随后应用到交通控制中，利用改进的队列估计可以更好地规划放行多久后断开绿灯。

4 优化设计

4.1 设计目的

此设计旨在为整个控制系统提供技术保障，设计目的包括三大点：第一点是交通灯的自动控制系统，这是一个交通灯的最基本要求，利用普通的单片机即可完成；第二点是无线传输的保证，这是为了让车载GPS信号能及时传输到终端，为进一步的互联网+和大数据的总结分析提供坚强有力的保障，同时还可以为一些辅助功能提供技术支持，包括交通灯的损坏情况的及时上报等。同时保证路灯之间的通信，此功能是为了保证监测单元工作的准确性，比如同一个路口对同一个方向进行监测，若东边的检测单元传输的数据和西边上传的数据不同，在实现路灯通信的情况下可以迅速地判断错误并对检测单元下重新监测的指令，保证交通安全通畅［7］。第三种是路灯控制器，此单元可以及时分析无论检测单元还是大数据的各种数据，并且控制各个单元工作。

4.2 路灯控制器

该控制器相当于交通灯的心脏，是主控单元，本单元可以基于门电路来实现，此方法简单方便，但是需要的数目太多，导致工作量太大。另一种是基于ARM7结构的STM32F103芯片为控制器，用到可以通用的4 个定时器，2 个HC 接口，1 个FSMC 接口和112 个通用I/O 口［8］。该单元主要负责处理空气质量和相对车流量的数据，结合大数据判断，并对各类情况进行分析，判断下一步进入和指令。

4.3 无线传输

无线传输主要采用GPRS 和ZigBee 传输数据，之所以采用GPRS，是因为其可充分利用现有资源，方便，快捷；并且能实时的提供在线功能“alwaysonline”，这为用户始终处于连线和在线状态做了保证［9］；GPRS 传输速率高，最高可以达到115Kbps～170Kbs，下一代GPRS 预计可以达到384Kbit/s，其接入等待时间也较短，可以快速建立连接，一般在两秒左右。其基于TPC/IP 网络协议并且控制GPRS网络连接，利用的方式为透明传输，结合TPC协议实现从控制器到服务器的可靠连接。

ZigBee技术是一种低功耗，低成本的双向无线通讯技术，是一种局域网协议，这很适合应用于城市交通灯之间的通信，事实证明近距离更适合应用ZigBee 技术，同时，一个星型结构的ZigBee 网络最多可以容纳254 个从设备和一个主设备，且ZigBee网络节点还具有自动接收别的网络节点传输过来的数据资讯的特点［10］，并且结合自己信号覆盖的范围内，和多个不承担网络信息中转任务的孤立子节点无线连接［11］，这不仅提高了工作效率，也更大程度地保证了整个系统工作时的可靠性。ZigBee 路由算法是在网络层定义的，MAC 层的数据传输模式为完全确认模式，每个传输的数据资料都必须得到接收方的确认信息，避免了冲突，同时还提供专用时隙为需要固定带宽的通信业务，避开了发送数据的竞争和冲突。ZigBee 模块可采用2.4GHz 的CC2530，与单片机连接较为方便。

在现代城市中工作，难免会收到随机信号的干扰使数据发生连接中断情况，GPRS 能主动提供心跳包，检测中心模块会及时对数据连接进行诊断，对重要数据传输的时效性，完备性和优先级的控制做出保障，同时有所有节点在局域网中连接在一起的特点，即任意两个节点之间会通过多种方式连接，并且表现出清晰的去中心化态势［12］。综合以上要求，Mash 网络便脱颖而出，其部署速度快，安装简单［13］，通常只需要连接电源并进入配置页面即可，再协调器选择合适的网络进行建立，同时为自己分派一个0X0000 的短地址，其它网络地址由协调器随机分派，路由器节点按照一定的规则接入网络，组成一个拥有协调器功能的系统，整个工作过程如图5所示［14］。

图5 事件传输处理流程图

5 结语

本文设计了一种基于环境参数检测单元，实时车流量检测估算，GPRS，ZigBee 的具有车流量检测功能的智能交通灯控制系统。系统可以判断昼夜情况，完成对周边坏境的采集，并且按照不同实际情况通过俯瞰或估算的方法确定绿灯时间，信息来自监测单元，大数据等，利用自组网互相分享并通过GPRS 发送至检测中心［15］。与传统交通灯相比提高了出行效率，进行了实时监控，帮助市民规划出行道路和方式，同时可以判断昼夜，在一定情况下能节约能源，延长路灯寿命；系统可以实时报修故障情况，减少了后期大量人力的投入；环境检测单元还可以为环境部门提供精确到街道的环境信息，进一步提高了预报水平和实时性。