引言
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，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)設計方案，它利用RFID技術提高路況信息的收集精度,，利用電流環(huán)遠距離傳輸方式,，并且應用人工智能理論使得系統(tǒng)具有更強的自適應性和可擴充性。
1 系統(tǒng)功能與整體結構設計
從功能特點來看,，智能交通信號燈系統(tǒng)應具有時間固定模式,、時間設定模式、時間感應模式,、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、時間設定,、分時段時間設定,、感應參數(shù)設定、周期時間,、相位差和綠信比等參數(shù)設定;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、鍵盤或遙控器對信號機進行設定和控制,。
信號機是整個系統(tǒng)的核心,。它由LCD屏、控制板,、燈組驅動板,、開關電源、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)調控制的平臺,。
智能交通信號燈系統(tǒng)結構圖如圖1所示,。
圖1 交通信號燈系統(tǒng)結構圖
信號燈采用發(fā)光二極管，即LED技術,，發(fā)光功率大,，抗震能力強,，省電又穩(wěn)定。系統(tǒng)內各組件,，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制的原理,，將電壓全波整流,，經(jīng)電阻分壓，由光耦將其轉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,，進行有效的交通預測和疏導。當路口車流相對均勻穩(wěn)定時,，地區(qū)內的信號燈協(xié)調運作,，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)結構圖，如圖2所示,。
圖2 地區(qū)交通信號燈聯(lián)動系統(tǒng)結構圖
2 系統(tǒng)硬件設計
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)內其它器件選擇工作電壓為3.3V和5V,。
信號機在系統(tǒng)內部通訊和區(qū)域協(xié)調控制中需要時間同步,，因此設計RTC(實時時鐘)用來對時。AT91RM9200內部集成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程序,、嵌入式操作系統(tǒng)及其文件系統(tǒng)和應用程序,，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主要用于存放引導程序Bootloader和操作系統(tǒng)linux內核鏡像,，系統(tǒng)上電或復位后從FlashROM中運行Bootloader,，由Bootloader初始化硬件并將linux拷貝到SDRAM中運行。
NandFlash主要用于存放應用程序和數(shù)據(jù),。
為方便人機界面的操作,，AT91RM9200內置LCD(液晶顯示器)驅動控制器，能自動產生LCD驅動控制信號,，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，設計統(tǒng)一的系統(tǒng)總線,，通過總線來調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,。這些板塊與相應的功能模塊一一對應，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,，通過射頻信號自動識別目標對象并獲取相關數(shù)據(jù)，工作過程無需人工干預,，可應用于各種惡劣環(huán)境,。一套RFID設備包括射頻標簽，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,。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)境較為復雜,，可能存在各種難以預測的電源、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位電路MAX708CPA ,該器件具有μP復位,、掉電監(jiān)測,、手動復位等功能，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)不同的結果選擇繼續(xù)執(zhí)行，或者向上報警,，甚至自行關機,。
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(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,，再把最終結果返回給本地信號機,。Web Service技術充分利用地區(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。
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)相結合，體現(xiàn)出人機交互能力,。
車流調節(jié)程序模塊是利用RFID技術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)結果對信號燈周期進行調整,。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技術的擴展技術，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,，就可構成車輛信息管理平臺。
定時調節(jié)程序模塊是針對已經(jīng)形成一定路況規(guī)律的路段而設置的,?？梢砸淮涡灶A先設定每天不同時段對應不同的信號燈周期,。比如，晚上車流量較少,，可做定時調節(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，有效疏導交通,。
“看門狗”程序模塊在主程序運行異常時可產生的一個溢出信號,，并通過引腳向處理器發(fā)送復位信號，使主程序重新開始運行,。
系統(tǒng)檢測及報警程序模塊是應對信號燈故障而設置的,，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 結論
本系統(tǒng)基于AT91RM9200處理器,，以應用為中心,，采用嵌入式操作系統(tǒng)，設計上具有成本低,，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。