李承遠

摘 要：目前常用的人行橫道信號燈無法對實際的交通進行自動調控，因此會耗費行人和車輛大量的等待時間。在此基礎上，本文提出基于壓力傳感器的信號燈控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)將該裝置放置于人行橫道的等待區(qū)域地面上，當有行人經(jīng)過時，壓力傳感器會檢測到壓力并輸出相應的信號，從而判斷是否有行人在等待紅綠燈。該裝置實現(xiàn)了對信號燈的自動調控，根據(jù)行人狀態(tài)控制信號燈的變換，一定程度上緩解了交通擁堵問題。

關鍵詞：壓力傳感器；人行橫道；信號燈控制

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）04-0043-02

當今，隨著社會發(fā)展，交通日益繁忙，許多地方出現(xiàn)交通擁堵現(xiàn)象，給行人及車輛的出行帶來極大的不便。為了緩解這一問題，智能交通系統(tǒng)[1]受到國內外的重視。其中，紅綠燈的控制是重要的組成部分。目前，絕大多數(shù)的紅綠燈無法根據(jù)實際交通狀況進行動態(tài)調整。因此，如果沒有行人通過人行橫道時，也會因為等紅燈而耽誤路口車輛的通行。按鈕式紅綠燈的出現(xiàn)能在一定程度上緩解交通擁堵情況的發(fā)生，使行人的出行更加便利。當行人按下紅綠燈控制按鈕，人行橫道的綠燈變亮，行人可以通過人行橫道；當按鈕沒有被按下時，人行橫道對應的信號燈保持在紅燈的狀態(tài)，使車輛始終能夠通行。但該紅綠燈需要更多的人了解并正確使用，目前還未廣泛普及。針對以上問題，本文提出了基于壓力傳感器的信號燈自動控制系統(tǒng)。

1 壓力傳感器

傳感器是能夠直接進行信息檢測，并且將得到的信息轉化為相應的電信號或者其他形式的信號，最終進行輸出的一種檢測器件。通過傳感器可以快速且準確的獲得需要的信息，從而進行下一步處理。因此，傳感器技術[2]在自動控制中中扮演著極其重要的角色。目前，傳感器技術已經(jīng)普遍應用在人們的生活中。例如，聲控燈就是利用了聲音傳感器，當檢測到聲音時，燈光變亮，否則燈光關閉；恒溫空調則利用了溫度傳感器，當室內的溫度高于空調設置的溫度時，空調不再加熱，否則繼續(xù)加熱；而體重計則是利用了壓力傳感器，將人的壓力信號以體重的形式進行顯示。

本文提出的信號燈控制系統(tǒng)首先需要利用壓力傳感器將行人經(jīng)過的信息進行檢測，并根據(jù)檢測到的信號進行紅、綠燈的交替變換控制，所以本文接下來對壓力傳感器的相關知識進行具體介紹。

壓力傳感器[3]是目前在工業(yè)控制及日常生活中極其常用的一種傳感器，它的工作原理是將壓力信號轉化成電信號，從而利用采集電路進行壓力信號的采集。壓力傳感器有多種不同的類型，這些不同類型的傳感器能夠根據(jù)其特性的不同應用在特定領域，接下來對其中的一些類型進行介紹。

壓電式壓力傳感器是基于壓電效應進行壓力測量。壓電效應指的是壓力與電場之間的轉換關系，其中正壓電效應指的是當敏感元件受到外力作用時，兩個表面會產生電荷，從而表現(xiàn)出電場的形式；而負壓電則表示當敏感元件在電場的作用下，會產生相應的機械變形，從而表現(xiàn)出壓力存在的形式。壓電式壓力傳感器進行壓力測量利用的就是正壓電效應。當傳感器感受到外界壓力時，傳感器內部的敏感元件會產生能夠測量的電量，通過檢測電量大小能夠感知到外界壓力大小。

電容式壓力傳感器能夠通過電容敏感元件將壓力轉換為相應的電量進行輸出。電容式壓力傳感器將金屬薄膜作為電容器的一極，當電容器受到外界壓力作用時，金屬薄膜產生變形，從而造成電容器兩極之間的距離發(fā)生變化，從而改變其電容量。隨著壓力的不同，薄膜的變形程度也不相同，因此會造成電容值不同。電容式壓力傳感器可以通過檢測該電容值的大小進行壓力的測量。

壓阻式壓力傳感器是基于半導體的壓阻效應進行壓力測量。當半導體受到作用力時，其電阻率發(fā)生變化，從而導致電阻變化，因此可以用來進行壓力檢測。電阻式壓力傳感器常用四個不同方向上的電阻組成惠斯通電橋，其示意圖如圖1所示。當傳感器感受到壓力時，四個電阻的阻值發(fā)生變化，從而導致其輸出的電壓發(fā)生相應變化。當傳感器感受到的壓力值不同時，電阻的阻值也會隨之發(fā)生相應的變化，因此可以通過測量輸出的電壓值進行壓力大小的檢測。

除了上述詳細介紹的壓力傳感器外，壓力傳感器還包含其他多種類型。其中，壓阻式壓力傳感器由于價格低、結構簡單、工作可靠等優(yōu)點，成為在日常生活中應用最多的一種壓力傳感器，它對于壓力的測量上限可達60MPa[4]。

壓力傳感器作為常見的傳感器，已經(jīng)得到了充分的研究，它在檢測行人狀態(tài)方面也已經(jīng)有了一些應用。文獻[5]利用壓力傳感器進行燈具的控制。當檢測到人出現(xiàn)時，相應的燈具才會變亮，否則燈具保持在關閉的狀態(tài)，該系統(tǒng)能夠在一定程度上解決燈具的耗電問題。文獻[6]采用壓力傳感器進行老人的摔倒檢測，對于正常行走以及跌倒后的狀態(tài)進行多次實驗，得到足夠多的樣本，以進行老人摔倒的判斷。由上述分析可知，壓力傳感器能夠用于行人的檢測。

2 信號燈控制系統(tǒng)設計

本文將從傳感器的布置方式及算法設計這兩部分來進行介紹。

首先是傳感器布置方面。本文提出的信號燈自動控制系統(tǒng)是將壓力傳感器布置在人行橫道的路口，即行人在通過人行橫道前所在的等待紅綠燈通行處。為了擴大行人等待的范圍，在路口放置多個壓力傳感器，其布置示意圖如圖2所示。其中，壓力傳感器的數(shù)目由路口的大小及傳感器的感知區(qū)域范圍來共同確定，因此具體數(shù)目可在實際應用中進行調節(jié)以適應不同情況。這種傳感器的布置方式通過多個傳感器的協(xié)調配合，增大了對于壓力的感知范圍。當有行人進入等待區(qū)域時，其中的某些壓力傳感器就會輸出相應的信號，從而進行行人的判斷。當某個傳感器檢測到行人時，輸出為1，否則輸出為0。

接下來進行信號燈控制系統(tǒng)的算法設計。由于本系統(tǒng)采用了多個傳感器進行壓力感知，因此需要將所有壓力傳感器的輸出信號進行綜合考慮。若所有傳感器均輸出為0，則認為等待區(qū)域范圍內均不存在行人。當所有傳感器中有一個輸出為1，則認為有行人經(jīng)過該等待區(qū)域，但此時傳感器的輸出僅僅代表著等待區(qū)域內只有該時刻存在行人，前幾秒及后幾秒的狀態(tài)均是未知。因此，可能發(fā)生的情況有兩種，分別為：（1）該行人在路口待綠燈燈，進而通過該人行橫道；（2）該行人僅僅是路過該檢測區(qū)域，不需要通過人行橫道。此時需要進行進一步判斷。

對此，本文提出的解決方案是：輸出為1，則代表該行人在等待區(qū)域內已經(jīng)持續(xù)等待10s，則認為行人在等待信號燈，此時，信號燈變綠，并保持綠燈狀態(tài)15s，隨后，信號燈變紅。循環(huán)檢測。

該算法綜合考慮了等待區(qū)域內所有傳感器的輸出信號，在行人等待信號燈的識別過程中，不僅考慮了某一時刻的檢測信息，更是將某一時段內的信息全部考慮在內，因此更加可靠。

3 結語

本文通過對壓力傳感器的介紹和信號燈控制系統(tǒng)的設計，為未來壓力傳感交通信號燈的設計提供了可能。本系統(tǒng)結構簡單，操作可行，具有自動控制，對優(yōu)化城市交通有重要意義。本文提出的基于壓力傳感器的信號燈控制系統(tǒng)為初步研究階段，存在的不足將在未來研究中進行進一步修改和完善。

參考文獻

[1]史新宏，蔡伯根，穆建成.智能交通系統(tǒng)的發(fā)展[J].北方交通大學學報，2002，1（26）：29-34.

[2]方波.傳感器技術在自動化控制系統(tǒng)中的應用[J].山東工業(yè)技術，2015，6（21）：120.

[3]莊燕子，蔡萍，周志鋒，尹良勇.人體壓力分布測量及其傳感技術[J].傳感技術學報，2005，2（18）：313-317.

[4]白旭.壓阻傳感器原理及應用[J].儀器儀表用戶[J].2004，11（5）：80.

[5]徐逸騏.物理演示實驗室照明系統(tǒng)設計[J].科技風，2010（6）：259.

[6]汪穎翔，劉芹，蘆珊.傳感器在檢測老年人摔倒中的應用[J].魅力中國， 2011（5）：396.