孫耀杰，高騫

（河北工業(yè)大學(xué) 信息工程學(xué)院，天津 300401）

由于目前各種公共汽車、私家車數(shù)量的與日俱增，給城市居民行車安全以及道路交通的指揮管理帶來很大壓力，城市的交通擁擠問題逐漸引起人們的注意，人、車、路三者關(guān)系協(xié)調(diào)，已成為交通管理部門所面臨重要問題[1]。

交叉路口是城市道路網(wǎng)絡(luò)的基本節(jié)點(diǎn)，也是道路網(wǎng)絡(luò)交通流的瓶頸。目前，大部分無控制交叉口都存在高峰小時(shí)車流混亂、車速緩慢、延誤情況嚴(yán)重、事故多發(fā)、通行能力和服務(wù)水平低下等問題[2-4]。特別是隨著城市車流量的快速增長，城市無控制道路交叉口的交通壓力越來越大。因此，做好交叉口信號(hào)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)是緩解交通阻塞、提高城市道路交叉口車輛通行效率的有效方法。

道路交通系統(tǒng)是一個(gè)具有隨機(jī)性、模糊性和不確定性的復(fù)雜系統(tǒng)[5]，建立數(shù)學(xué)模型非常困難，有時(shí)甚至無法用現(xiàn)有的數(shù)學(xué)方法加以描述[6-7]。對于這種高隨機(jī)性的系統(tǒng)，時(shí)間固定和簡單劃分時(shí)間段的方法都不能很靈活地控制交通燈，而且難以實(shí)現(xiàn)區(qū)域性協(xié)調(diào)控制，這使得城市車流的調(diào)節(jié)不能達(dá)到最優(yōu)。目前絕大部分交通燈的時(shí)間分配都是預(yù)先設(shè)定好的，不管是車流高峰還是低谷，紅綠燈的時(shí)間都固定不變的；還有一些交通燈能根據(jù)簡單劃分的時(shí)間段來調(diào)整時(shí)間。雖然有許多前人研究出富有成效的成果，但是實(shí)際應(yīng)用的畢竟是少數(shù)，交通擁堵狀況仍然形勢嚴(yán)峻。

文中設(shè)計(jì)了一個(gè)能對某特定區(qū)域內(nèi)多個(gè)路口交通信號(hào)燈進(jìn)行控制的系統(tǒng)，并采用無線通信技術(shù)連接各路口控制單元。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

區(qū)域交通控制是指路口不太多、各路口間距離不太遠(yuǎn)的某個(gè)特定范圍內(nèi)的幾個(gè)路口交通燈的聯(lián)合控制。在此，假定某區(qū)域內(nèi)路口數(shù)量為3～5個(gè)，各個(gè)路口間距離為800 m左右。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，為了達(dá)到預(yù)期的設(shè)計(jì)目的，需要完成的任務(wù)主要包括車輛檢測接口、時(shí)鐘模塊、鍵盤和顯示模塊、繼電器及其接口、無線通信模塊以及與上位機(jī)通信的串行接口模塊的軟、硬件設(shè)計(jì)。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of system

1.2 系統(tǒng)工作原理

區(qū)域交通信號(hào)控制系統(tǒng)管理模式就是集中管理和控制，充分利用現(xiàn)有通信和控制技術(shù)，按實(shí)際交通現(xiàn)狀先進(jìn)行單個(gè)交叉路口控制，使系統(tǒng)能夠根據(jù)輸入車流量信號(hào)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)紅綠燈點(diǎn)亮?xí)r間，然后考慮主干線協(xié)調(diào)控制，通過無線通信共享區(qū)域內(nèi)各個(gè)路口的車流量狀態(tài)，以實(shí)現(xiàn)多路口集中控制，最終實(shí)現(xiàn)區(qū)域性協(xié)調(diào)控制。

圖2 無線網(wǎng)絡(luò)示意圖Fig.2 Wireless network diagram

如圖2所示，各交叉路口均有一個(gè)控制單元，其作用有3個(gè)：1）采集道路狀態(tài)檢測系統(tǒng)提供的車流量信號(hào)；2）控制該路口交通燈的亮滅；3）通過無線傳輸模塊發(fā)送該路口車流量信號(hào)。另外，其中一個(gè)路口控制單元作為主機(jī)，用來接收其他各路口發(fā)送的車流量信號(hào)，并根據(jù)此信號(hào)決定各路口交通燈的控制策略，并由無線通信模塊發(fā)送給其他各路口控制單元。因此，整個(gè)系統(tǒng)采用多路口集中控制，通過無線通信連接主機(jī)和各路口從機(jī)，以實(shí)現(xiàn)所謂的區(qū)域性協(xié)調(diào)控制。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 車流量信號(hào)接口

目前車流量檢測方法量有多種，例如電磁感應(yīng)法、超聲波檢測法，還有基于機(jī)器視覺的檢測方法等。超聲波檢測精度不高，容易受車輛遮擋和行人的影響，檢測的距離短；電磁感應(yīng)線圈檢測精度高，但要求敷設(shè)于路面土木結(jié)構(gòu)中，對路面有損壞，施工和安裝不便。文中假設(shè)是使用計(jì)算機(jī)視覺的方法檢測車流量，于控制器設(shè)置8位數(shù)字信號(hào)輸入端口或模擬信號(hào)輸入端口。

2.2 無線通信模塊

由多路口聯(lián)合控制的特點(diǎn)可知，采用鋪設(shè)通信線纜進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的方法是不可行的，不但施工不便，而且通信效率低，抗干擾性差。因此采用無線通信方式，不僅能克服以上缺點(diǎn)，而且便于增加和減少路口的數(shù)目。通過比較常用無線收發(fā)芯片主要參數(shù)，綜合考慮其無線傳輸性能之后，文中采用nRF905射頻模塊建立無線通信網(wǎng)絡(luò)。

采用通用的單片機(jī)STC89C52RC作為主控芯片，nRF905作為無線收發(fā)模塊，利用單片機(jī)模擬SPI口實(shí)現(xiàn)雙向通訊，SPI支持高速數(shù)據(jù)傳輸，從而滿足了射頻帶寬的要求。nRF905與單片機(jī)STC89C52RC的連接方式如圖3所示。

實(shí)驗(yàn)階段使用無增益的PCB天線，射頻模塊設(shè)置為最大功率輸出時(shí)，通信距離可達(dá)100 m左右，實(shí)際應(yīng)用時(shí)可采用帶有增益的天線，無線通信距離能夠大大提高，最高可達(dá)1 km以上，足以滿足本課題的需要。

2.3 顯示模塊

圖3 nRF905與STC89C52RC的接口電路圖Fig.3 Interface circuit of nRF905 and STC89C52RC

如圖4所示，采用字符液晶顯示器1602作為人機(jī)接口，通過1602液晶以及按鍵，我們可以方便地對控制器控制參數(shù)進(jìn)行設(shè)定和修改，如實(shí)時(shí)時(shí)鐘設(shè)定，路口設(shè)定，交通信號(hào)燈延時(shí)時(shí)間設(shè)定等。

圖4 液晶顯示模塊Fig.4 LCD module

2.4 時(shí)鐘模塊

協(xié)調(diào)控制的主要目的是實(shí)現(xiàn)干線上的綠波控制，減少延誤時(shí)間。利用相鄰路口之間的相位差，讓通行車輛盡量遇到較多的綠燈。與單個(gè)交叉口控制不同，協(xié)調(diào)控制要求各路口控制器在相同的時(shí)下運(yùn)行，并且執(zhí)行完全相同的信號(hào)周期。

時(shí)鐘模塊采用芯片DS1302，它是美國DALLAS公司推出的實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片，具有功耗低、采用串行通信方式等優(yōu)點(diǎn)。DS1302為系統(tǒng)提供精準(zhǔn)時(shí)鐘，在接收和發(fā)送數(shù)據(jù)的同時(shí)記下當(dāng)前的時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性控制。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 相位設(shè)計(jì)

相位設(shè)計(jì)對信號(hào)系統(tǒng)起著重大作用，尤其是左轉(zhuǎn)相位。左轉(zhuǎn)相位使用保護(hù)許可型左轉(zhuǎn)相位，因?yàn)樵S可型左轉(zhuǎn)相位可以減少交叉口的延誤，但可能會(huì)影響交叉口的安全；保護(hù)型左轉(zhuǎn)相位能夠減少左轉(zhuǎn)車輛的延誤，但可能會(huì)增加整個(gè)交叉口的延誤。

左轉(zhuǎn)機(jī)動(dòng)車是交叉口信號(hào)控制的難點(diǎn)，也是信號(hào)控制非常重要的設(shè)計(jì)對象。其他相位也是如此，盡量考慮到效率與安全的統(tǒng)一。

3.2 相序設(shè)計(jì)

通過設(shè)計(jì)控制環(huán)來描述一系列沖突相位啟動(dòng)順序，控制環(huán)可以是單環(huán)控制、雙環(huán)控制或多環(huán)控制。下面以雙環(huán)控制單元為例說明控制環(huán)的設(shè)計(jì)方法。

如圖5所示，在隔離線兩側(cè)，兩個(gè)控制環(huán)之間的相位選擇應(yīng)注意以下兩點(diǎn)：

1）同一控制環(huán)上的相位是相互沖突的；

2）隔離線同側(cè)的不同控制環(huán)上的相位可同時(shí)運(yùn)行。

圖5 雙環(huán)控制單元相位相序圖Fig.5 Phase and phase sequence of double-loop control unit

3.3 無線模塊軟件設(shè)計(jì)

無線通信模塊軟件設(shè)計(jì)重點(diǎn)在于nRF905的寄存器配置，單片機(jī)通過SPI通信讀、寫nRF905的內(nèi)部寄存器，完成控制命令的傳送以及有效數(shù)據(jù)的讀寫。實(shí)驗(yàn)階段對nRF905寄存器的配置如下：

3.4 主程序流程

系統(tǒng)上電后首先要進(jìn)行一系列參數(shù)設(shè)置，如實(shí)時(shí)時(shí)鐘、交通燈配時(shí)等，以適合當(dāng)前路口路況。系統(tǒng)主程序流程如圖6所示。

圖6 主程序流程Fig.6 Flow of the main program

4 結(jié)束語

實(shí)驗(yàn)表明，文中介紹的基于單片機(jī)的區(qū)域交通信號(hào)控制系統(tǒng)不僅穩(wěn)定可靠、使用方便，而且功耗低、便于升級(jí)和功能擴(kuò)展，能夠滿足大多數(shù)交通信號(hào)燈的控制要求，對提高城市道路交叉口車輛通行效率以及減少交通事故都有著深遠(yuǎn)的意義。

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