引言

　　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(shí)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(dòng)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(jì)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(jì)

　　從功能特點(diǎn)來看,，智能交通信號燈系統(tǒng)應(yīng)具有時(shí)間固定模式、時(shí)間設(shè)定模式,、時(shí)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(shí)間設(shè)定,、分時(shí)段時(shí)間設(shè)定、感應(yīng)參數(shù)設(shè)定,、周期時(shí)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(dòng)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(gè)系統(tǒng)的核心。它由LCD屏,、控制板、燈組驅(qū)動(dòng)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(shí),，占空比會(huì)減小,，抑制LED亮度的提高，當(dāng)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(xiàn)了LED亮度的自動(dòng)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(shí)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(gè)線路輸出的負(fù)載能力足以控制十幾個(gè)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(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)，又是整個(gè)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(dòng)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(shí),，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(dòng)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(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

　　2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　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(shí)控制，且支持實(shí)時(shí)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(shí)間同步，因此設(shè)計(jì)RTC(實(shí)時(shí)時(shí)鐘)用來對時(shí),。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(dòng)控制器,，能自動(dòng)產(chǎn)生LCD驅(qū)動(dòng)控制信號,，可以與LCD直接連接。鍵盤模塊通過ZLG7290B擴(kuò)展一個(gè)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(jì)統(tǒng)一的系統(tǒng)總線,，通過總線來調(diào)度控制各個(gè)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(dòng)識別技術(shù),，通過射頻信號自動(dòng)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(gè)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(shí),，讀寫器會(huì)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(jì)算,，可以獲得當(dāng)前信號燈所需的周期時(shí)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(gè)持續(xù)信號2個(gè)單次信號，串行口接入方便,，且價(jià)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(dòng)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(shí)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(bào)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(dòng)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(jì)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(gè)模塊：

　　信號機(jī)主程序模塊是整個(gè)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(shí)控制程序模塊支持通過鍵盤輸入固定的時(shí)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(shí)分析計(jì)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(dòng)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(shí)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(shí)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(shí)調(diào)節(jié)將紅綠燈改成閃爍的黃燈,，當(dāng)?shù)诙熘付〞r(shí)刻到來時(shí),，自動(dòng)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(shí)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(jì)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(dòng)處理程序模塊是用來處理上位機(jī)(交警聯(lián)動(dòng)中心控制機(jī))所發(fā)來的指令。信號燈聯(lián)網(wǎng)以后,，整個(gè)區(qū)域的交通路口就可以進(jìn)行協(xié)調(diào)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)來指令,，適當(dāng)延長相鄰路口信號燈來車方向的通行時(shí)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(shí)可產(chǎn)生的一個(gè)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(bào)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(cuò)信息實(shí)時(shí)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

　　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(jì)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(jià)值和較高的實(shí)用價(jià)值,。