譚菊琴、金重宇、王雪潔、陳昊、屠升飛

（南京理工大學(xué)紫金學(xué)院，江蘇南京210000）

0 引言

隨著鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的推進，村鎮(zhèn)公路的交通量明顯增加。而鄉(xiāng)村公路與干線公路相連接的公路路網(wǎng)結(jié)構(gòu)和道路等級還未達到一致，導(dǎo)致鄉(xiāng)村公路與干線公路相接的交叉口事故頻發(fā)，給道路交通安全帶來了較大的隱患。另外，無人值守的鄉(xiāng)鎮(zhèn)公路交叉口交通環(huán)境復(fù)雜，交通盲區(qū)多，且交通設(shè)施較為落后，其交叉口也是交通沖突集中地段。解決這一問題的根本途徑就是要提高交叉口安全預(yù)警智能化的水平。

目前研究者主要集中研究了基于視頻檢測的城市道路交叉口有信號燈情況下的事故預(yù)警系統(tǒng)。如張誠哲[1]利用監(jiān)控視頻監(jiān)測路口的行人，通過處理后對路口前的車輛進行預(yù)警。楊良義等人[2]研究了基于視頻檢測的車路協(xié)同輔助駕駛系統(tǒng)，該系統(tǒng)能實時感知車輛狀態(tài)信息并獲取區(qū)域內(nèi)道路路況信息，實現(xiàn)了車與車、車與路之間的數(shù)據(jù)傳輸。朱淑亮等[3]提出了一種基于機器視覺與信息共享的全局域內(nèi)的人車安全預(yù)警系統(tǒng)，采用機器視覺技術(shù)分析車輛和行人的運動狀態(tài)，通過計算碰撞時間預(yù)測監(jiān)控目標(biāo)繼續(xù)通行的安全程度，并向危險車輛精準(zhǔn)傳遞報警信息。龔天洋等[4]研究出一種基于車道線檢測獲取道路能見度的方法，結(jié)合能見度模型，實時進行能見度值的計算，實現(xiàn)了對駕駛?cè)说募皶r預(yù)警。屠升飛等只對交叉口的交通設(shè)施進行了設(shè)計。

根據(jù)無信號燈道路交叉口交通狀況，設(shè)計一種合理的、低成本的道路交通信息智能安全預(yù)警系統(tǒng)顯得尤為重要。因此，本文利用模塊化設(shè)計方法，設(shè)計了干線公路與鄉(xiāng)村道路交叉口智能預(yù)警系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)工作原理

本文以寬度為2m×4m 雙向雙車道的干線公路和寬度為5m 的鄉(xiāng)村道路組成的交叉口為設(shè)計背景，其安全預(yù)警系統(tǒng)原理框圖如圖1所示，它由控制電路、ZigBee 無線通信電路、紅外熱釋電探測電路、超聲探測電路、聲光報警電路和顯示電路組成。道路交叉口預(yù)警系統(tǒng)主要分為兩個大部分，分別是探測單元和預(yù)警單元，工作原理：系統(tǒng)上電穩(wěn)定后，探測單元內(nèi)的紅外探測電路開始探測鄉(xiāng)村道路上有無行人或車輛，超聲探測電路探測干線公路是否有車準(zhǔn)備穿過交叉口；采用ZigBee 將紅外超聲復(fù)合探測器探測的信息傳輸給主控制電路，控制電路根據(jù)探測信息判定道路上行人和車輛的狀態(tài)；一旦發(fā)現(xiàn)鄉(xiāng)村道路上有行人或車，立即點亮干線公路段的警示燈對司機進行預(yù)警；若發(fā)現(xiàn)干線公路上有車輛，則根據(jù)車輛距交叉口的位置控制蜂鳴器報警電路的發(fā)聲頻率和可變信息板的顯示內(nèi)容，對鄉(xiāng)村道路上行人、車輛進行實時預(yù)警，保證行人和車輛的安全。

圖1 無信號交叉口安全預(yù)警系統(tǒng)原理框圖

2 交叉口智能預(yù)警控制電路設(shè)計

控制系統(tǒng)在道路交通信息安全預(yù)警系統(tǒng)中占有重要地位，根據(jù)該系統(tǒng)的要求，考慮到外圍設(shè)備的工作原理以及該系統(tǒng)設(shè)計所需要程序的復(fù)雜程度和存儲容量的要求。該設(shè)計選用了兩塊AT89C51 單片機分別作為探測單元和預(yù)警單元的主控芯片，探測單元的主控電路如圖2（a）所示，預(yù)警單元的主控電路如圖2（b）所示。

圖2 探測與預(yù)警主控電路原理圖

從圖2 可看出，探測單元的主控電路和預(yù)警單元的主控電路的最小系統(tǒng)的都相同，XTAL1、XTAL2 與電容組成時鐘電路，復(fù)位電路由外部的復(fù)位電路進行復(fù)位。探測單元主控電路圖2（a）中的P2.0 口、P2.1口與超聲探測電路的控制端相連，P3.2 口、P3.3 口與超聲探測電路的信號接收端相連，P1.0～P1.7 與紅外探測電路的控制端相連。預(yù)警單元的主控電路如圖2（b）所示，圖2（b）中的P2.3 控制綠色警報燈，P2.4 控制黃色警報燈，P2.0～P2.2 分別與顯示電路的RS、RW 和E 的驅(qū)動端口相連，P0 口與LCD 顯示電路的D0～D7 腳相連，P2.7 與蜂鳴器相連。兩主控電路的RXD 和TXD 串口通信端口與ZigBee 無線通信電路的TXD、RXD 口進行數(shù)據(jù)通信，當(dāng)紅外超聲復(fù)合探測電路監(jiān)測到交叉口附近有行人或車輛時，通過ZigBee 無線網(wǎng)絡(luò)將道路信息發(fā)送給預(yù)警控制電路，由其控制聲光和可變信息板的顯示內(nèi)容，以提醒交叉口附近的行人、車輛注意安全。

3 交叉口智能預(yù)警系統(tǒng)軟件設(shè)計

交叉口智能預(yù)警系統(tǒng)程序流程圖如圖3所示，當(dāng)系統(tǒng)上電后，單片機初始化，此時紅外超聲復(fù)合探測電路及ZigBee 無線通信電路處于穩(wěn)定的待機狀態(tài)，燈光報警電路顯示綠燈，顯示屏為熄滅狀態(tài)。紅外探測電路通過菲涅爾透鏡探測檢測區(qū)域內(nèi)是否接收到人體發(fā)出的紅外線，即判斷鄉(xiāng)村道路上是否有行人在附近或者即將通過斑馬線穿過公路，若探測到這一行為，那么探測單元主控系統(tǒng)處理紅外信號并通過Zig-Bee 無線通信電路給預(yù)警單元主控系統(tǒng)進行處理后，向干線公路駕駛員發(fā)送預(yù)警信息，此時燈光報警電路的黃燈常亮。再由超聲探測電路的發(fā)射電路發(fā)出超聲波，若接收電路接收到發(fā)出的超聲波，即此時干線公路有車輛駛來，則向探測單元主控系統(tǒng)發(fā)送一段時間的高電平，探測單元主控系統(tǒng)通過內(nèi)部時鐘記錄高電平持續(xù)時間。再次通過ZigBee 無線通信電路將時間信息傳輸至預(yù)警單元主控系統(tǒng)，預(yù)警單元主控系統(tǒng)將接收到的時間信息通過公式處理成距離，并根據(jù)預(yù)警單元主控系統(tǒng)計算出的距離控制蜂鳴器的頻率。車輛離交叉口越近，蜂鳴器的聲音頻率越高。同時預(yù)警單元主控系統(tǒng)觸發(fā)交叉口顯示電路顯示車輛距離，提醒道路上行人有車正在通過馬路。當(dāng)紅外探測電路和超聲探測電路都沒有檢測到目標(biāo)時，警示燈為綠色，顯示屏熄滅，駕駛員可以安全通過，系統(tǒng)返回初始等待狀態(tài)。

圖3 系統(tǒng)程序流程圖

4 結(jié)語

本文設(shè)計了一種干線公路與鄉(xiāng)村道路交叉口智能預(yù)警系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用紅外超聲復(fù)合探測器實時監(jiān)測交叉口道路信息，控制電路根據(jù)監(jiān)測到的信息判定公路交叉口附近車輛和行人的狀態(tài)，并通過聲光和文字對司機和行人進行實時預(yù)警，從而有效地避免交通事故的發(fā)生，減少財產(chǎn)損失。