基于压力传感器的信号灯自动控制系统

李承远

摘 要：目前常用的人行横道信号灯无法对实际的交通进行自动调控，因此会耗费行人和车辆大量的等待时间。在此基础上，本文提出基于压力传感器的信号灯控制系统。该系统将该装置放置于人行横道的等待区域地面上，当有行人经过时，压力传感器会检测到压力并输出相应的信号，从而判断是否有行人在等待红绿灯。该装置实现了对信号灯的自动调控，根据行人状态控制信号灯的变换，一定程度上缓解了交通拥堵问题。

关键词：压力传感器；人行横道；信号灯控制

中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）04-0043-02

当今，随着社会发展，交通日益繁忙，许多地方出现交通拥堵现象，给行人及车辆的出行带来极大的不便。为了缓解这一问题，智能交通系统[1]受到国内外的重视。其中，红绿灯的控制是重要的组成部分。目前，绝大多数的红绿灯无法根据实际交通状况进行动态调整。因此，如果没有行人通过人行横道时，也会因为等红灯而耽误路口车辆的通行。按钮式红绿灯的出现能在一定程度上缓解交通拥堵情况的发生，使行人的出行更加便利。当行人按下红绿灯控制按钮，人行横道的绿灯变亮，行人可以通过人行横道；当按钮没有被按下时，人行横道对应的信号灯保持在红灯的状态，使车辆始终能够通行。但该红绿灯需要更多的人了解并正确使用，目前还未广泛普及。针对以上问题，本文提出了基于压力传感器的信号灯自动控制系统。

1 压力传感器

传感器是能够直接进行信息检测，并且将得到的信息转化为相应的电信号或者其他形式的信号，最终进行输出的一种检测器件。通过传感器可以快速且准确的获得需要的信息，从而进行下一步处理。因此，传感器技术[2]在自动控制中中扮演着极其重要的角色。目前，传感器技术已经普遍应用在人们的生活中。例如，声控灯就是利用了声音传感器，当检测到声音时，灯光变亮，否则灯光关闭；恒温空调则利用了温度传感器，当室内的温度高于空调设置的温度时，空调不再加热，否则继续加热；而体重计则是利用了压力传感器，将人的压力信号以体重的形式进行显示。

本文提出的信号灯控制系统首先需要利用压力传感器将行人经过的信息进行检测，并根据检测到的信号进行红、绿灯的交替变换控制，所以本文接下来对压力传感器的相关知识进行具体介绍。

压力传感器[3]是目前在工业控制及日常生活中极其常用的一种传感器，它的工作原理是将压力信号转化成电信号，从而利用采集电路进行压力信号的采集。压力传感器有多种不同的类型，这些不同类型的传感器能够根据其特性的不同应用在特定领域，接下来对其中的一些类型进行介绍。

压电式压力传感器是基于压电效应进行压力测量。压电效应指的是压力与电场之间的转换关系，其中正压电效应指的是当敏感元件受到外力作用时，两个表面会产生电荷，从而表现出电场的形式；而负压电则表示当敏感元件在电场的作用下，会产生相应的机械变形，从而表现出压力存在的形式。压电式压力传感器进行压力测量利用的就是正压电效应。当传感器感受到外界压力时，传感器内部的敏感元件会产生能够测量的电量，通过检测电量大小能够感知到外界压力大小。

电容式压力传感器能够通过电容敏感元件将压力转换为相应的电量进行输出。电容式压力传感器将金属薄膜作为电容器的一极，当电容器受到外界压力作用时，金属薄膜产生变形，从而造成电容器两极之间的距离发生变化，从而改变其电容量。随着压力的不同，薄膜的变形程度也不相同，因此会造成电容值不同。电容式压力传感器可以通过检测该电容值的大小进行压力的测量。

压阻式压力传感器是基于半导体的压阻效应进行压力测量。当半导体受到作用力时，其电阻率发生变化，从而导致电阻变化，因此可以用来进行压力检测。电阻式压力传感器常用四个不同方向上的电阻组成惠斯通电桥，其示意图如图1所示。当传感器感受到压力时，四个电阻的阻值发生变化，从而导致其输出的电压发生相应变化。当传感器感受到的压力值不同时，电阻的阻值也会随之发生相应的变化，因此可以通过测量输出的电压值进行压力大小的检测。

除了上述详细介绍的压力传感器外，压力传感器还包含其他多种类型。其中，压阻式压力传感器由于价格低、结构简单、工作可靠等优点，成为在日常生活中应用最多的一种压力传感器，它对于压力的测量上限可达60MPa[4]。

压力传感器作为常见的传感器，已經得到了充分的研究，它在检测行人状态方面也已经有了一些应用。文献[5]利用压力传感器进行灯具的控制。当检测到人出现时，相应的灯具才会变亮，否则灯具保持在关闭的状态，该系统能够在一定程度上解决灯具的耗电问题。文献[6]采用压力传感器进行老人的摔倒检测，对于正常行走以及跌倒后的状态进行多次实验，得到足够多的样本，以进行老人摔倒的判断。由上述分析可知，压力传感器能够用于行人的检测。

2 信号灯控制系统设计

本文将从传感器的布置方式及算法设计这两部分来进行介绍。

首先是传感器布置方面。本文提出的信号灯自动控制系统是将压力传感器布置在人行横道的路口，即行人在通过人行横道前所在的等待红绿灯通行处。为了扩大行人等待的范围，在路口放置多个压力传感器，其布置示意图如图2所示。其中，压力传感器的数目由路口的大小及传感器的感知区域范围来共同确定，因此具体数目可在实际应用中进行调节以适应不同情况。这种传感器的布置方式通过多个传感器的协调配合，增大了对于压力的感知范围。当有行人进入等待区域时，其中的某些压力传感器就会输出相应的信号，从而进行行人的判断。当某个传感器检测到行人时，输出为1，否则输出为0。

接下来进行信号灯控制系统的算法设计。由于本系统采用了多个传感器进行压力感知，因此需要将所有压力传感器的输出信号进行综合考虑。若所有传感器均输出为0，则认为等待区域范围内均不存在行人。当所有传感器中有一个输出为1，则认为有行人经过该等待区域，但此时传感器的输出仅仅代表着等待区域内只有该时刻存在行人，前几秒及后几秒的状态均是未知。因此，可能发生的情况有两种，分别为：（1）该行人在路口待绿灯灯，进而通过该人行横道；（2）该行人仅仅是路过该检测区域，不需要通过人行横道。此时需要进行进一步判断。

对此，本文提出的解决方案是：输出为1，则代表该行人在等待区域内已经持续等待10s，则认为行人在等待信号灯，此时，信号灯变绿，并保持绿灯状态15s，随后，信号灯变红。循环检测。

该算法综合考虑了等待区域内所有传感器的输出信号，在行人等待信号灯的识别过程中，不仅考虑了某一时刻的检测信息，更是将某一时段内的信息全部考虑在内，因此更加可靠。

3 结语

本文通过对压力传感器的介绍和信号灯控制系统的设计，为未来压力传感交通信号灯的设计提供了可能。本系统结构简单，操作可行，具有自动控制，对优化城市交通有重要意义。本文提出的基于压力传感器的信号灯控制系统为初步研究阶段，存在的不足将在未来研究中进行进一步修改和完善。

参考文献

[1]史新宏，蔡伯根，穆建成.智能交通系统的发展[J].北方交通大学学报，2002，1（26）：29-34.

[2]方波.传感器技术在自动化控制系统中的应用[J].山东工业技术，2015，6（21）：120.

[3]庄燕子，蔡萍，周志锋，尹良勇.人体压力分布测量及其传感技术[J].传感技术学报，2005，2（18）：313-317.

[4]白旭.压阻传感器原理及应用[J].仪器仪表用户[J].2004，11（5）：80.

[5]徐逸骐.物理演示实验室照明系统设计[J].科技风，2010（6）：259.

[6]汪颖翔，刘芹，芦珊.传感器在检测老年人摔倒中的应用[J].魅力中国， 2011（5）：396.