熊國良，朱正清，王小明

（華東交通大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，南昌 330013）

0 引言

隨著城市的發(fā)展和商業(yè)化水平的提高，交通區(qū)域不斷擴(kuò)大，交通路線不斷延伸，城市軌道交通已經(jīng)逐步形成網(wǎng)絡(luò)化、規(guī)?；窬諿1]。我國霧霾天氣時有發(fā)生，特別在經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的北上廣等一線城市，嚴(yán)重的霧霾天氣不僅影響著人們的健康還影響著人們的出行，此時的交通系統(tǒng)往往會失去其應(yīng)有的作用。為了緩解霧霾天氣下的交通狀況，提高交通通行效率和安全，本文在現(xiàn)有交通系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種可應(yīng)用于霧霾天氣下的智能交通指揮引導(dǎo)系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)以ARM9嵌入式處理器S3C2440為主控制器[2]，主要包括交通路口部分、STC89C51單片機(jī)模塊、2個方向的車輛檢測模塊和行人檢測模塊、交通信號燈、PMS5003型霧霾傳感器、指揮引導(dǎo)模塊、ZigBee模塊、視頻監(jiān)控模塊、電源模塊等，其中指揮引導(dǎo)模塊包括語音提醒模塊和爆閃燈模塊，如圖1所示。

1.2 系統(tǒng)的工作原理

本系統(tǒng)在現(xiàn)有交通系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，以圖2所示的交通路口為例進(jìn)行設(shè)計(jì)，將路口分為具有相同工作原理的A區(qū)域和B區(qū)域。以A區(qū)域?yàn)槔M(jìn)行介紹，并將A區(qū)域劃分為A11、A12、A21和A22區(qū)域。

工作原理：通過霧霾傳感器檢測空氣中的霧霾含量，當(dāng)空氣中霧霾濃度超過國家規(guī)定的紅色標(biāo)準(zhǔn)線時，單片機(jī)模塊、車輛檢測模塊、行人檢測模塊、指揮引導(dǎo)模塊、ZigBee模塊開始工作，否則，本系統(tǒng)和現(xiàn)有系統(tǒng)工作狀態(tài)一樣。

圖1 系統(tǒng)框圖

圖2 交通路口設(shè)計(jì)圖

當(dāng)霧霾濃度超過國家規(guī)定的紅色標(biāo)準(zhǔn)線時，嵌入式系統(tǒng)將信號通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)輸送給單片機(jī)，系統(tǒng)對車輛和過斑馬線行人的指揮引導(dǎo)工作原理如下：

1）對車輛的指揮引導(dǎo)：因受霧霾天氣的影響，駕駛員不能看清交通信號燈上的紅綠燈信號。當(dāng)車輛經(jīng)過機(jī)動車道處的電感環(huán)檢測器時，單片機(jī)判斷有車輛。如果此時所對應(yīng)車道的交通信號燈上的紅綠燈信號為紅燈或者黃燈，單片機(jī)控制爆閃燈模塊工作，爆閃燈閃爍強(qiáng)光，駕駛員看到強(qiáng)光閃爍停車。當(dāng)駕駛員沒有看到強(qiáng)光閃爍時，可以正常行駛。

2）對行人的指揮引導(dǎo)：因受霧霾天氣的影響，行人不能判斷是否可以安全通過斑馬線。當(dāng)行人需要過斑馬線時，將根據(jù)地面上的引導(dǎo)標(biāo)線走到非機(jī)動車道的壓力傳感器A區(qū)域，單片機(jī)檢測到壓力傳感器A模塊輸入的信號并通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)將信號輸送給嵌入式系統(tǒng)，嵌入式系統(tǒng)控制語音提醒模塊播報語音：“X路方向可以通行”或者“X路方向，還有X秒可以通行”，從而提醒行人是否可以通行或者需要等待的時間。

針對出現(xiàn)行人強(qiáng)行通過斑馬線或者在通過斑馬線途中不能繼續(xù)通行的情況，系統(tǒng)提供的解決方案原理：行人在經(jīng)過壓力傳感器B檢測區(qū)域時，并且該壓力傳感器臨近兩條車道上的電感環(huán)檢測器有檢測到車輛，該兩車道對應(yīng)的爆閃燈閃爍強(qiáng)光，例如行人走到左轉(zhuǎn)道和直行道中間的壓力傳感器B檢測區(qū)域，如果左轉(zhuǎn)道或者直行道的電感環(huán)檢測器檢測到車輛，則這兩條車道的爆閃燈都閃爍強(qiáng)光，提醒司機(jī)有行人正在通過斑馬線。當(dāng)行人走到位于A區(qū)域和B區(qū)域中間處的壓力傳感器C檢測區(qū)域時，如果A11區(qū)域的左轉(zhuǎn)車道或者B21區(qū)域的左轉(zhuǎn)車道檢測到車輛，則這兩條車道上的爆閃燈都閃爍強(qiáng)光，并且單片機(jī)通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)將信號輸送給嵌入式系統(tǒng)，嵌入式系統(tǒng)控制語音提醒模塊播報語音：“X路方向可以通行”或者“X路方向，還有X秒可以通行”。

2 主要模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的主控制器由S3C2440微處理器及其外圍電路組成，副控制器由STC89C51單片機(jī)及其外圍電路組成。主控制器和副控制器通過ZigBee模塊構(gòu)建的ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)[3]實(shí)現(xiàn)信號間的傳輸。

2.1 車輛檢測模塊

系統(tǒng)采用基于電磁感應(yīng)原理的電感環(huán)檢測器[4]作為車輛檢測模塊的傳感器，電感環(huán)檢測器設(shè)置在靠近紅燈停止線3～6米的車道上。當(dāng)有車輛經(jīng)過時，由于互感作用將在金屬車體內(nèi)產(chǎn)生渦流，進(jìn)而使得感應(yīng)線圈的電感量減小，單片機(jī)對振蕩電路的振蕩頻率進(jìn)行檢測，計(jì)算電感變化量，從而判斷是否有車輛經(jīng)過。車輛檢測模塊原理框圖，如圖3所示。

圖3 車輛檢測模塊框圖

圖3中，電感環(huán)檢測器和振蕩電路中的電容、反相器74LSO4構(gòu)成便于單片機(jī)檢測的電容三點(diǎn)式振蕩電路，振蕩電路輸出的正弦信號經(jīng)過整形電路變成同頻率的方波信號輸入到單片機(jī)中。

2.2 行人檢測模塊

系統(tǒng)采用壓阻式壓力傳感器作為檢測行人模塊的傳感器，在壓力傳感器上方設(shè)有硬質(zhì)保護(hù)殼并構(gòu)成整體，保護(hù)殼與車道路面持平。根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的交通路口，共需要18個壓力傳感器，并將傳感器分為壓力傳感器A、壓力傳感器B和壓力傳感器C。A區(qū)域和B區(qū)域的壓力傳感器A模塊的輸出端通過或門74LS32輸入到單片機(jī)中；A11區(qū)域和A21區(qū)域?qū)?yīng)的兩個壓力傳感器B模塊的輸出端通過或門74HC32輸入到單片機(jī)中；兩個壓力傳感器C模塊的輸出端通過或門74HC32輸入到單片機(jī)中。壓力傳感器模塊原理框圖，如圖4所示。

圖4 壓力傳感器模塊框圖

2.3 霧霾傳感器

經(jīng)過研究過程中的反復(fù)對比，最終選用PMS5003型霧霾傳感器[4]作為系統(tǒng)檢測霧霾數(shù)據(jù)的傳感器。該傳感器通過激光散射到空氣中測定空氣中懸浮顆粒物，折算得出顆粒物濃度。傳感器設(shè)置在交通信號燈上方，是一款經(jīng)濟(jì)型的TTL串口輸出霧霾傳感器。原理框圖如圖5所示。

圖5 霧霾傳感器原理框圖

2.4 語音提醒模塊

語音提醒模塊播報的內(nèi)容包括：“X路方向可以通行”和“X路方向，還有X秒可以通行”。系統(tǒng)選用MP3語音模塊，該模塊采用集成語音芯片可直接讀取SD卡中的語音文件，并與嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行串口通信。

2.5 爆閃燈模塊

爆閃燈位于紅燈停止線一側(cè)，其外部設(shè)有硬質(zhì)保護(hù)殼并構(gòu)成整體，保護(hù)殼與車道路面持平。系統(tǒng)選用12V直流電壓供電的爆閃燈，爆閃燈模塊電路圖如圖6所示。

圖6 爆閃燈模塊電路圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)從結(jié)構(gòu)上分別包括兩部分：ARM控制板的軟件設(shè)計(jì)和單片機(jī)控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)[6]。

3.1 ARM控制板主程序流程圖

ARM控制板主程序流程圖，如圖7所示。

圖7 ARM控制板主程序流程圖

3.2 單片機(jī)控制系統(tǒng)主程序流程圖

單片機(jī)控制系統(tǒng)主程序流程圖，如圖8所示。

圖8 單片機(jī)系統(tǒng)主程序流程圖

4 結(jié)論

本文對一種可應(yīng)用于霧霾天氣下的智能交通指揮引導(dǎo)系統(tǒng)的解決方案進(jìn)行了探討和研究，基本上實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，可以滿足交通系統(tǒng)在霧霾天氣下的使用。本系統(tǒng)的創(chuàng)新之處：在現(xiàn)有交通系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，通過ZigBee模塊實(shí)現(xiàn)了主控制器和副控制器之間的通信，系統(tǒng)更容易維護(hù)，成本更低；通過霧霾傳感器可以控制副控制器的工作狀態(tài)，節(jié)約了能源損耗；通過車輛檢測模塊、行人檢測模塊和指揮引導(dǎo)模塊可以實(shí)現(xiàn)霧霾天氣下對車輛和行人的正確指揮引導(dǎo)，提高了交通通行效率和安全，有效的減少了交通堵塞和交通事故的發(fā)生，使得交通系統(tǒng)智能化水平更高、更便捷、更可靠和更安全，本系統(tǒng)的研究實(shí)現(xiàn)具有很強(qiáng)的使用價值和社會意義。