鹽城師范學(xué)院信息工程學(xué)院 盧東祥

以云計(jì)算為基礎(chǔ)的智能交通信號(hào)燈控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)探討

鹽城師范學(xué)院信息工程學(xué)院 盧東祥

控制好公路交通信號(hào)燈是確保交通快速、安全及有序運(yùn)行的首要前提、重要環(huán)節(jié)與基礎(chǔ)保障，但基于當(dāng)前普遍采用的交通信號(hào)燈控制系統(tǒng)而言，以單一的固定時(shí)序控制居多，往往無(wú)法結(jié)合現(xiàn)實(shí)需要與交通實(shí)況進(jìn)行控制與調(diào)節(jié)。對(duì)此，本文首先簡(jiǎn)要剖析了交通燈控制的基本需求，基于云計(jì)算，探討了交通信號(hào)燈控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路與實(shí)現(xiàn)路徑，即運(yùn)用地感線圈對(duì)車流量進(jìn)行檢測(cè)，通過(guò)GPRS實(shí)現(xiàn)交通量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)上傳，利用云計(jì)算機(jī)、STM32F103芯片等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)交通流量與流向的實(shí)時(shí)反饋，另對(duì)信號(hào)燈配時(shí)即時(shí)調(diào)整，最終達(dá)到智能控制交通信號(hào)燈的目的。

云計(jì)算；智能交通信號(hào)燈；控制系統(tǒng)；設(shè)計(jì)；實(shí)現(xiàn)

伴隨社會(huì)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展，城市交通在此大背景下同樣呈現(xiàn)出快速發(fā)展勢(shì)頭。位于各條道路交叉口處的交通信號(hào)燈是管理與控制城市道路的基本形式與重要手段，需運(yùn)用最佳控制方法，實(shí)現(xiàn)道路網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中車輛行駛通暢度的提升及通行時(shí)間的減少。但針對(duì)當(dāng)前的交通燈控制系統(tǒng)而言，較多采用的是定時(shí)控制方式，無(wú)法依據(jù)車流量變化自動(dòng)完成紅綠燈時(shí)間的調(diào)節(jié)，這樣勢(shì)必會(huì)出現(xiàn)諸如交通堵塞、車輛延遲等狀況。所以，依據(jù)道路交叉口處的車流量，對(duì)紅綠燈時(shí)間加以控制，實(shí)現(xiàn)交通資源的合理、高效分配，規(guī)避或減少可能出現(xiàn)的交通擁堵，提升道路使用效率。

1.交通燈控制需求分析

可編程序控制器（PLC）是一種基于微電腦技術(shù)的綜合自動(dòng)控制裝置，現(xiàn)今，已在能源、冶金、機(jī)械制造及化工等行業(yè)得到成功應(yīng)用。本文依據(jù)城市交通控制的實(shí)際需求，深入剖析了基于PLC的兩種控制方式，即急車強(qiáng)通與正常時(shí)序，利用PLC與傳感器，智能判別與處理交通異常狀況。

1.1 正常時(shí)序的控制

系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)由一啟動(dòng)開(kāi)關(guān)控制，若開(kāi)關(guān)啟動(dòng)，此時(shí)的系統(tǒng)便開(kāi)始運(yùn)作；若斷開(kāi)啟動(dòng)開(kāi)關(guān)，信號(hào)燈便處于熄滅狀態(tài)。當(dāng)系統(tǒng)處于工作狀態(tài)時(shí)，南北方向的紅燈先亮，與此同時(shí)，東西方向亮綠燈。南北方向的紅燈持續(xù)亮25s，東西方向綠燈持續(xù)亮20s，到20s時(shí)，東西方向的綠燈便開(kāi)始閃爍，綠燈亮0.5s，熄0.5s，閃爍周期為2s，當(dāng)綠燈的閃爍時(shí)間達(dá)到3s后，便熄滅，此時(shí)東西方向的黃燈便開(kāi)始亮，持續(xù)2s，待2s時(shí)，東西方向的黃燈熄滅，同時(shí)紅燈亮，在此同時(shí)，南北方向的綠燈亮。當(dāng)東西方向的紅燈持續(xù)亮30s，南北方向的綠燈持續(xù)亮25s，且到25s時(shí)，東西方向的紅燈便連續(xù)閃亮3s，然后熄滅，南北方向的黃燈亮，且持續(xù)2s，2s時(shí)，南北方向的黃燈熄滅，同時(shí)紅燈亮，而東西方向的紅燈則熄滅，而綠燈亮，開(kāi)始下一周期的動(dòng)作運(yùn)轉(zhuǎn)。各周期持續(xù)循環(huán)。

1.2 急車強(qiáng)通的控制

急車強(qiáng)通開(kāi)關(guān)控制著急車強(qiáng)通信號(hào)。若沒(méi)有急車時(shí)，則信號(hào)燈便會(huì)依據(jù)正常時(shí)序來(lái)進(jìn)行控制，如果有急車時(shí)，接通急車強(qiáng)通開(kāi)關(guān)，無(wú)論原先信號(hào)燈處于怎樣的狀態(tài)，均以強(qiáng)制性方式使急車駛來(lái)方向相對(duì)的信號(hào)燈呈綠燈，以便急車通行，直到急車通行完畢后方可恢復(fù)正常。當(dāng)急車通過(guò)后，斷開(kāi)急車強(qiáng)通開(kāi)關(guān)，此時(shí)的信號(hào)燈狀態(tài)便會(huì)發(fā)生改變，即轉(zhuǎn)變?yōu)榧避噥?lái)車方向的綠燈閃亮3次，然后依照正常時(shí)序來(lái)控制。針對(duì)急車強(qiáng)通信號(hào)來(lái)講，如果處于同一時(shí)間，則僅能對(duì)一路方向的急車予以響應(yīng)，如果急車分別來(lái)自兩個(gè)方向且先后駛來(lái)，那么會(huì)依據(jù)先后次序逐一響應(yīng)；如果急車來(lái)自兩個(gè)方向且同時(shí)駛來(lái)，那么依據(jù)南北或東西次序逐一響應(yīng)。

1.3 交通異常判別及處理系統(tǒng)分析

在道路交叉口處，經(jīng)常會(huì)發(fā)生一種交通異常情況，即交通燈控制信號(hào)處于正常運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，但現(xiàn)實(shí)交通狀態(tài)卻正好與之相反。比如在實(shí)際生活的道路交通中，會(huì)遇到南北方向上車輛較少，但東西方向卻有著過(guò)多車輛，而造成堵塞的情況。此時(shí)，如若仍為正常的信號(hào)燈時(shí)序，那么會(huì)加重交通擁擠，造成四方向均無(wú)法正常通行。對(duì)于此部分的處理方式而言，即依據(jù)外界實(shí)況，由傳感器來(lái)控制信號(hào)燈。若某一方向路段的傳感器感知到南北（或者東西）方向的車輛在50s內(nèi)未移動(dòng)，而在東西（或者南北）方向卻有著正常的交通狀態(tài)，此時(shí)PLC將會(huì)以自動(dòng)的方式啟動(dòng)處理交通異常狀況的方式，對(duì)南北（或東西）方向上綠燈點(diǎn)亮?xí)r間進(jìn)行強(qiáng)制性延長(zhǎng)，使其到50s，直到此方向上的傳感器不返對(duì)應(yīng)信號(hào)。

2.智能交通信號(hào)燈控制系統(tǒng)概述

基于上述論點(diǎn)，文章以云計(jì)算為基礎(chǔ)，探討更為智能化的交通信號(hào)燈控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)由三部分構(gòu)成，即云計(jì)算系統(tǒng)、GPRS數(shù)據(jù)接收與傳輸終端、車流量檢測(cè)等現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。利用信號(hào)控制終端、車流量檢測(cè)等現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，能夠?qū)崟r(shí)、準(zhǔn)確采集現(xiàn)場(chǎng)交通信息；通過(guò)GPRS實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸與接收，還能上傳車流量信息以及下發(fā)控制命令；而通過(guò)對(duì)STM32F103芯片、云計(jì)算技術(shù)等的運(yùn)用，能夠系統(tǒng)化、實(shí)時(shí)性處理各道路車流量信息，最終達(dá)到控制城市交通監(jiān)控系統(tǒng)的目的，使其更加協(xié)調(diào)與統(tǒng)一。

3.智能交通信號(hào)燈控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 車流量檢測(cè)及數(shù)據(jù)采集

U1表示輸入信號(hào)的有效值；C2表示濾波電容，即鎖相環(huán)電路的捕獲帶寬。

圖1 LM567應(yīng)用電路圖

圖2 交通流量發(fā)射終端設(shè)計(jì)電路流程圖

若交叉口處于空閑狀態(tài)（無(wú)車輛通過(guò)），此時(shí)系統(tǒng)的耦合電路振蕩頻率會(huì)保持不變，若車輛經(jīng)過(guò)地感線圈，線圈會(huì)感知到車體重量及車型、大小等，另依據(jù)這些內(nèi)容的變化，使耦合電路振蕩頻率發(fā)生對(duì)應(yīng)性變化與波動(dòng)。由于LM567需要捕獲一定的寬帶值，因此，當(dāng)路口沒(méi)有車輛通過(guò)時(shí)，輸入信號(hào)頻率盡管會(huì)有比較小的波動(dòng)，但針對(duì)此時(shí)的耦合電路而言，其振蕩頻率的浮動(dòng)卻仍保持通頻狀態(tài)，8腳輸出低電平，LM56鎖定；若路口通過(guò)有車輛時(shí)，那么此時(shí)的耦合電路振蕩頻率的便會(huì)使比較劇烈的，因振蕩頻率并沒(méi)有處于通頻帶內(nèi)，所以，8腳便會(huì)有高電平輸出。

3.2 以GPRS為基礎(chǔ)的接收終端與數(shù)據(jù)傳輸設(shè)計(jì)

（1）交通流量發(fā)射終端。在控制交通信號(hào)方面，選用的是GTM900通訊模塊以及STC80C52單片機(jī)為基礎(chǔ)的交通流量的發(fā)射。利用單片機(jī)的外部中斷口INT1，來(lái)系統(tǒng)化檢測(cè)車流量脈沖信號(hào)，然后對(duì)統(tǒng)計(jì)時(shí)段相應(yīng)車流量進(jìn)行檢測(cè)，而利用GTM900模塊，可以向數(shù)據(jù)接收終端發(fā)送統(tǒng)計(jì)結(jié)果。另外，對(duì)于GTM900通訊模塊與STC80C52單片機(jī)而言，二者間采用的是串口的數(shù)據(jù)傳輸方式；沒(méi)間隔一段時(shí)間，單片機(jī)便會(huì)向各個(gè)區(qū)域交通中心發(fā)送數(shù)據(jù)，這些交通中心的信號(hào)接收終端便會(huì)完成這些數(shù)據(jù)的采集、計(jì)算與分析，最后想控制交通燈的終端傳送最終的數(shù)據(jù)處理結(jié)果。此外，每次數(shù)據(jù)發(fā)送都需要經(jīng)過(guò)RING信號(hào)控制信號(hào)燈，而此信號(hào)燈每當(dāng)接收一次信號(hào)便會(huì)閃爍一次。針對(duì)整個(gè)交通流量發(fā)射終端來(lái)講，選用的是看門狗軟件，以此來(lái)避免諸如環(huán)境等因素所導(dǎo)致的程序跑飛。（2）交通信號(hào)控制與接收終端。以STM32F103芯片為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)交通信號(hào)接收與控制的智能化嵌入式操作系統(tǒng)。當(dāng)終端利用GTM900完成控制中心所發(fā)信號(hào)的接收工作后，便會(huì)將信號(hào)傳送至STM32F103芯片，然后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與解釋，利用各種I/O接口（東西-YELLOW、南北-RED、東西-GREEN等），實(shí)時(shí)控制道路交叉口的交通燈。可依據(jù)各路段的實(shí)際車流量，對(duì)紅、綠燈閃亮?xí)r間給予延長(zhǎng)，以此來(lái)有效緩解所面臨的交通壓力。由于各路口交通信號(hào)接收機(jī)均配置有SIM卡，因此，能夠?qū)Ω髀房谶M(jìn)行實(shí)時(shí)控制。而對(duì)于所采用的交通信號(hào)接收機(jī)而言，選用的是華為公司所生產(chǎn)的GTM900通訊模塊，此模塊通過(guò)GPRS通信技術(shù)，將檢測(cè)并收集到的車流量信息，實(shí)施傳輸至監(jiān)控中心，另外，還運(yùn)用MAX813L看門狗軟件，對(duì)STM32F103的工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控。若STM32F103出現(xiàn)工作異常，則看門狗電路于特定時(shí)段無(wú)法刷新復(fù)位，便能輸出信號(hào)進(jìn)行強(qiáng)制復(fù)位，重啟工作，以此來(lái)確保終端始終處于正常工作狀態(tài)。在整個(gè)系統(tǒng)當(dāng)中，MAX813L電路能夠?qū)崿F(xiàn)瞬時(shí)掉電，因此，當(dāng)程序運(yùn)行出現(xiàn)“死機(jī)”狀況時(shí)，可以自動(dòng)復(fù)位或手動(dòng)復(fù)位，還能對(duì)電源故障進(jìn)行實(shí)時(shí)性監(jiān)控，所得數(shù)據(jù)還可予以保存。

3.3 基于云計(jì)算

針對(duì)城市數(shù)據(jù)交通應(yīng)用而言，其主要有如下特點(diǎn)：穩(wěn)定性要求高、數(shù)據(jù)共享需求高、應(yīng)用負(fù)載脈動(dòng)大、使用性要求高、信息實(shí)時(shí)處理要求性高以及數(shù)據(jù)量大等。本系統(tǒng)以云計(jì)算技術(shù)為基礎(chǔ)，通過(guò)采集一個(gè)城市各個(gè)區(qū)域的交通信息，然后將其向終端傳送，把所采集的信息以上傳的方式輸送至各個(gè)區(qū)域的服務(wù)中心，最后收集、處理并系統(tǒng)化分析全部區(qū)域的信息，傳送至各個(gè)區(qū)域的交通中心，以此達(dá)到實(shí)時(shí)控制各路口交通信號(hào)燈時(shí)間的目的。利用虛擬性、先進(jìn)性的云計(jì)算技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)諸如服務(wù)器、存儲(chǔ)器、網(wǎng)絡(luò)資源等硬件資源的系統(tǒng)化整合，然后依據(jù)實(shí)際需要，對(duì)系統(tǒng)資源開(kāi)展全面、深層的優(yōu)化配置，以此達(dá)到提升資源綜合利用率的效果，除此之外，通過(guò)上述操作，還能實(shí)現(xiàn)靈活化應(yīng)用，最大程度降低運(yùn)維成本與總能耗。虛擬化的云計(jì)算技術(shù)主要有如下特點(diǎn)：通過(guò)整合交通信息資源，各種軟硬件數(shù)據(jù)可以較好的滿足ITS當(dāng)中各個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)需求，而且滿足內(nèi)容具有較強(qiáng)的針對(duì)性，除了能夠較為全面的滿足交通行業(yè)的增值服務(wù)以及交通信息的發(fā)布方面的需求外，還能滿足交通仿真的模擬、基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)等領(lǐng)域的需求，能為交通指揮系統(tǒng)制定決策與方案，提供全面數(shù)據(jù)支撐，還能切實(shí)保障系統(tǒng)資源平臺(tái)的全面開(kāi)發(fā)，以最快的速度反應(yīng)系統(tǒng)可能出現(xiàn)的突發(fā)事件，有著不錯(cuò)的擴(kuò)展功能與應(yīng)變能力，能夠較好的適用于交通行業(yè)的未來(lái)發(fā)展需要。

4.結(jié)語(yǔ)

綜上，該系統(tǒng)融合有系統(tǒng)工程技術(shù)、通信技術(shù)及信息技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)，通過(guò)對(duì)道路交通系統(tǒng)開(kāi)展系統(tǒng)化改造，從中構(gòu)建起一種集信息化、智能化于一身的新型交通系統(tǒng)，能夠在不額外增加道路基礎(chǔ)設(shè)施的前提下，大幅改善現(xiàn)有交通狀況，因此，有助于交通擁堵?tīng)顩r的減輕，使交通資源得到更佳合理的分配，提升道路的綜合利用率。

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