（安徽三聯(lián)學(xué)院電子電氣工程學(xué)院，安徽 合肥 230000）

本文中的智能交通信號燈可以根據(jù)實時的車流量自行調(diào)節(jié)信號燈的紅綠信號時長，使每輛車盡可能的順利通行，減少交通擁堵，優(yōu)化道路狀況，使出行更為順暢，節(jié)約能源消耗。實踐證明，該款智能化交通信號燈可以很好地提高人們的出行質(zhì)量，有利于節(jié)能減排，具有很強的實用價值和現(xiàn)實意義。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

該款智能交通信號燈使用了交通模型，優(yōu)化了實時配時方案，靈活程度高；提供戶外工作終端?？梢詫⒈銛y式個人計算機連接到任何一個路口交通信號機，從而進入整個SCATS 系統(tǒng)；還可以通過電話撥號方式將計算機連入系統(tǒng)之中，從而進行遠(yuǎn)程操作維護。該裝置以STM32為主控制芯片，采用SCATS 及SCOOT 系統(tǒng)相互配合機制，并結(jié)合光柵傳感器顯示模塊、時間顯示模塊、手動模塊、電源、復(fù)位等功能模塊。下面詳細(xì)介紹該設(shè)計主要硬件模塊的電路。

1.2 主控制系統(tǒng)

本課題設(shè)計的智能交通信號燈以STM32 為主控制芯片，通過分析紅綠燈控制現(xiàn)狀缺點，提出運用紅外傳感器實現(xiàn)車輛數(shù)量檢測，搭建紅外傳感器的控制平臺，分析了路口車流量大小，并進行程序控制信號運行，以感知十字路口的通堵狀態(tài)進而控制十字路口紅綠燈的狀態(tài)。通過多個紅外檢測器對車流量進行統(tǒng)計（并且搭配視覺處理技術(shù)），車輛檢測模塊主要根據(jù)紅外發(fā)射和紅外接收用來顯示機動車道路上汽車的數(shù)量[1]，綜合分析當(dāng)前路口的狀況來調(diào)整時長，反饋給后臺控制器，從而調(diào)節(jié)綠信比。該智能交通信號燈的設(shè)計思路如圖1 所示。

綠信比計算公式：

g：綠信比；t綠：有效綠燈時長；T：信號燈周期時長。

現(xiàn)在就目前的交通道路和交通法則情況先進行說明，道路多數(shù)以雙向六車道和雙向八車道為主，此時交通信號燈共有5 種情況，分別是全紅、東西直行、南北直行、東西左右拐彎和南北左右拐彎。在不考慮行人道的情況下，以雙向六車道為例，以由南向北的行駛和由南向東（右拐）用一種由南向北的直行信號燈制，如圖2 所示。

圖1 智能交通信號燈的系統(tǒng)設(shè)計思路

圖2 信號燈的分布情況

由東向西的車流量為A，圖3 為由東向西的車流量路程圖，其他方向的統(tǒng)計方式亦是如此。

圖3 由東向西的車流量流程圖

在干道上交通量較小的情況下,為確保干道少量車輛的連續(xù)通行，而維持干線協(xié)調(diào)控制，這時產(chǎn)生的總延誤可能比單點信號控制要大。為避免這一缺點，在協(xié)調(diào)控制時采用感應(yīng)式信號控制機，并配以車輛檢測器。如果檢測到的交通量比較多，主控制機打開，實行切調(diào)控制；如果測得的交通量較少，各交叉口各自獨立時使用單點信號控制。這樣的控制方式叫做感應(yīng)式協(xié)調(diào)控制，它又包括半感應(yīng)信號機協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)、全感應(yīng)信號機協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)和關(guān)鍵交叉口感應(yīng)式協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)。

定時式協(xié)調(diào)控制和感應(yīng)式協(xié)調(diào)控制的協(xié)調(diào)方案要靠人工作圖計算，十分繁雜，容易發(fā)生錯誤，而且效果不是很好。因此，可以使用計算機進行協(xié)調(diào)控制，不但能克服上述缺陷，而且能處理多相位復(fù)雜交叉口的協(xié)調(diào)控制。如圖4 所示，以30 s 為一個周期，用來統(tǒng)計由東到西的車輛數(shù)據(jù)，同理，由南到北的數(shù)據(jù)B 也是如此統(tǒng)計。下面進行數(shù)據(jù)比對，任何地區(qū)的紅綠燈路口有著不同的時間，在這里只假設(shè)時間t。

圖4 紅綠燈控制時長

A 代表東西方向，B 代表南北方向。同時在南北車道上也有著B 與A 的比較，與上面所述的流程相同。在南北與東西車流量達(dá)到一定程度時，即保持原有的紅綠燈時間設(shè)置，該系統(tǒng)是為了防止堵車而設(shè)計，便于交通通暢。

1.3 交通信號燈的狀態(tài)

表1 交通信號狀態(tài)表

假設(shè)該路口的信號燈時間為50 s，車流量造成堵車數(shù)目為100。以此類推，當(dāng)南北的車流量與東西車流量成表1上的關(guān)系時，時間和上述發(fā)生相同改變。

2 硬軟件設(shè)計

2.1 車輛檢測信號模塊

車流量檢測模塊主要包括紅外線傳感器、計時器、延時電路等部分，通過紅外光源被阻擋時開始到結(jié)束，來判斷有信號輸出，即有物體通過[2]。由于紅外傳感器自身的靈敏度比較高，它對金屬（車輛）和非金屬都具有較強的敏感性，可以很容易的檢測有無物體通行。紅外傳感器的工作原理主要是利用光電開關(guān)將電泳信號轉(zhuǎn)化成光信號發(fā)射出去，接收器根據(jù)光線是否被阻擋來對目標(biāo)物體進行探測，例如公共汽車通過光電門時，有一部分或者全部光線被阻擋，此時，紅外傳感器會立即收到信號，從而實現(xiàn)對車流量的檢測，數(shù)據(jù)自行輸入單片機開始進行計數(shù)。目前，紅外傳感器的技術(shù)比較成熟，人們還經(jīng)常使用紅外傳感器來檢測車輛的輪廓，從而得到車輛的相關(guān)數(shù)據(jù)信息，紅外傳感器抗干擾能力非常強，能夠適應(yīng)一年四季各種惡劣天氣的影響，并且安裝相對來說比較簡單。

本文所研究的智能交通信號燈也是依靠紅外傳感器來實現(xiàn)的。在距離道路路口一定距離的地方和路口處裝上紅外傳感器1、2，當(dāng)車輛經(jīng)過時，紅外傳感器1 開始工作，并將獲得的數(shù)據(jù)信息傳到計數(shù)器1 里，將車輛數(shù)據(jù)寄存起來，當(dāng)車輛通過紅綠燈路口時，紅外傳感器2 開始工作，將獲得的數(shù)據(jù)信息傳到計數(shù)器2 里，將數(shù)據(jù)寄存起來，計數(shù)器1 與計數(shù)器2 的差值即為車流量數(shù)據(jù)。然后將差值反饋給主控制芯片STM32，它將根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)自主調(diào)節(jié)紅綠燈信號時長，從而控制綠信比。

2.2 交通信號燈的軟件設(shè)計

交通信號燈正常的工作模式：要求東西直行左轉(zhuǎn)車道與南北直行左轉(zhuǎn)車道上的車輛交替運行，實現(xiàn)交通燈的傳統(tǒng)功能，即紅綠燈的時間固定[3]。

南北紅燈時間和東西紅燈時間計算如下：

交通信號燈的智能工作模式：基于車流量的智能交通燈控制器，能夠在東西、南北兩大方向進行交替時，對比各直行車道與左轉(zhuǎn)車道等候區(qū)車輛的數(shù)目，同一方向選取最大值[4]，然后根據(jù)主控制芯片獲得的反饋信息，自主調(diào)整一個方向的直行方向和左轉(zhuǎn)方向的綠燈時間。

南北紅燈時間和東西紅燈時間計算如下：

綠燈時間＝初始綠燈時間+車輛差（車輛差有正負(fù)）

舉例說明，東西直行綠燈時間＝初始綠燈時間+［Max（東西方向的直行車輛）—Max（南北直行的車輛）］，東西左轉(zhuǎn)綠燈時間＝初始綠燈時間+［Max（向東左轉(zhuǎn)車輛，向西左轉(zhuǎn)輛）—Max（向南左轉(zhuǎn)車輛、向北左轉(zhuǎn)車輛）］

交通信號燈的緊急工作模式：緊急情況發(fā)生時，如救護車、消防車等緊急車輛通過啟動緊急程序，要求四個路口同時變成黃燈，由數(shù)碼管顯示黃燈的狀態(tài)，當(dāng)黃燈顯示為0 時，讓已經(jīng)超過停止線的車輛快速通過，四個路口的黃燈全部顯示紅燈，數(shù)碼管顯示紅燈狀態(tài)時間。當(dāng)紅燈倒計時為零時轉(zhuǎn)入緊急情況前的工作模式。

3 傳統(tǒng)交通信號燈與智能交通信號燈的對比

傳統(tǒng)信號燈雖然給大家的生活帶來了前所未有的便利，但同時它還有很多不足之處，需要改進。而本文設(shè)計的智能交通信號燈正是為了彌補這些不足而研究的，智能交通信號燈與傳統(tǒng)交通信號燈的不同之處如表2 所示。

表2 傳統(tǒng)交通信號燈與智能交通信號燈的對比

4 仿真實驗

筆者通過分工合作，編寫出正確的核心板程序，制作模型，做出了可以實現(xiàn)本文研究目標(biāo)的智能交通信號燈的模型，如圖5 所示，證明了該設(shè)計方案具有可行性、合理性、可操作性，實現(xiàn)了設(shè)計目標(biāo)，同時驗證了本文設(shè)計的正確性。

圖5 智能交通信號燈模型

5 結(jié)語

本文研制的智能信號燈智能調(diào)變系統(tǒng)安裝方便，結(jié)構(gòu)簡單，可實現(xiàn)各路段的快速普及，從而提高路口車輛的通過率?，F(xiàn)代車流量增加，交通堵塞現(xiàn)象越來越嚴(yán)重，傳統(tǒng)交通信號燈已經(jīng)無法滿足日益增長的車流量的需求，有時還需要投入大量的交警來指揮車輛通行，這就造成了大量人力物力的浪費，而研發(fā)和改進后的交通指示燈必將為現(xiàn)代社會的交通帶來巨大的便捷。

當(dāng)前，關(guān)于智能調(diào)變紅綠燈的產(chǎn)品少之又少，一旦成功研發(fā)這類產(chǎn)品，將會帶來巨大的經(jīng)濟和社會價值。一方面可以緩解當(dāng)前交通擁堵現(xiàn)象，另一方面產(chǎn)品的研發(fā)、組裝、調(diào)試需要人工來操作，就可以產(chǎn)生更多的就業(yè)崗位，緩解就業(yè)壓力。