一种智能交通指挥引导系统设计

熊国良，朱正清，王小明

（华东交通大学 机电工程学院，南昌 330013）

0 引言

随着城市的发展和商业化水平的提高，交通区域不断扩大，交通路线不断延伸，城市轨道交通已经逐步形成网络化、规模化格局[1]。我国雾霾天气时有发生，特别在经济发达的北上广等一线城市，严重的雾霾天气不仅影响着人们的健康还影响着人们的出行，此时的交通系统往往会失去其应有的作用。为了缓解雾霾天气下的交通状况，提高交通通行效率和安全，本文在现有交通系统的基础上，设计了一种可应用于雾霾天气下的智能交通指挥引导系统。

1 系统的结构与工作原理

1.1 系统的结构

系统以ARM9嵌入式处理器S3C2440为主控制器[2]，主要包括交通路口部分、STC89C51单片机模块、2个方向的车辆检测模块和行人检测模块、交通信号灯、PMS5003型雾霾传感器、指挥引导模块、ZigBee模块、视频监控模块、电源模块等，其中指挥引导模块包括语音提醒模块和爆闪灯模块，如图1所示。

1.2 系统的工作原理

本系统在现有交通系统的基础上，以图2所示的交通路口为例进行设计，将路口分为具有相同工作原理的A区域和B区域。以A区域为例进行介绍，并将A区域划分为A11、A12、A21和A22区域。

工作原理：通过雾霾传感器检测空气中的雾霾含量，当空气中雾霾浓度超过国家规定的红色标准线时，单片机模块、车辆检测模块、行人检测模块、指挥引导模块、ZigBee模块开始工作，否则，本系统和现有系统工作状态一样。

图1 系统框图

图2 交通路口设计图

当雾霾浓度超过国家规定的红色标准线时，嵌入式系统将信号通过ZigBee无线网络输送给单片机，系统对车辆和过斑马线行人的指挥引导工作原理如下：

1）对车辆的指挥引导：因受雾霾天气的影响，驾驶员不能看清交通信号灯上的红绿灯信号。当车辆经过机动车道处的电感环检测器时，单片机判断有车辆。如果此时所对应车道的交通信号灯上的红绿灯信号为红灯或者黄灯，单片机控制爆闪灯模块工作，爆闪灯闪烁强光，驾驶员看到强光闪烁停车。当驾驶员没有看到强光闪烁时，可以正常行驶。

2）对行人的指挥引导：因受雾霾天气的影响，行人不能判断是否可以安全通过斑马线。当行人需要过斑马线时，将根据地面上的引导标线走到非机动车道的压力传感器A区域，单片机检测到压力传感器A模块输入的信号并通过ZigBee无线网络将信号输送给嵌入式系统，嵌入式系统控制语音提醒模块播报语音：“X路方向可以通行”或者“X路方向，还有X秒可以通行”，从而提醒行人是否可以通行或者需要等待的时间。

针对出现行人强行通过斑马线或者在通过斑马线途中不能继续通行的情况，系统提供的解决方案原理：行人在经过压力传感器B检测区域时，并且该压力传感器临近两条车道上的电感环检测器有检测到车辆，该两车道对应的爆闪灯闪烁强光，例如行人走到左转道和直行道中间的压力传感器B检测区域，如果左转道或者直行道的电感环检测器检测到车辆，则这两条车道的爆闪灯都闪烁强光，提醒司机有行人正在通过斑马线。当行人走到位于A区域和B区域中间处的压力传感器C检测区域时，如果A11区域的左转车道或者B21区域的左转车道检测到车辆，则这两条车道上的爆闪灯都闪烁强光，并且单片机通过ZigBee无线网络将信号输送给嵌入式系统，嵌入式系统控制语音提醒模块播报语音：“X路方向可以通行”或者“X路方向，还有X秒可以通行”。

2 主要模块设计

系统的主控制器由S3C2440微处理器及其外围电路组成，副控制器由STC89C51单片机及其外围电路组成。主控制器和副控制器通过ZigBee模块构建的ZigBee无线网络[3]实现信号间的传输。

2.1 车辆检测模块

系统采用基于电磁感应原理的电感环检测器[4]作为车辆检测模块的传感器，电感环检测器设置在靠近红灯停止线3～6米的车道上。当有车辆经过时，由于互感作用将在金属车体内产生涡流，进而使得感应线圈的电感量减小，单片机对振荡电路的振荡频率进行检测，计算电感变化量，从而判断是否有车辆经过。车辆检测模块原理框图，如图3所示。

图3 车辆检测模块框图

图3中，电感环检测器和振荡电路中的电容、反相器74LSO4构成便于单片机检测的电容三点式振荡电路，振荡电路输出的正弦信号经过整形电路变成同频率的方波信号输入到单片机中。

2.2 行人检测模块

系统采用压阻式压力传感器作为检测行人模块的传感器，在压力传感器上方设有硬质保护壳并构成整体，保护壳与车道路面持平。根据系统设计的交通路口，共需要18个压力传感器，并将传感器分为压力传感器A、压力传感器B和压力传感器C。A区域和B区域的压力传感器A模块的输出端通过或门74LS32输入到单片机中；A11区域和A21区域对应的两个压力传感器B模块的输出端通过或门74HC32输入到单片机中；两个压力传感器C模块的输出端通过或门74HC32输入到单片机中。压力传感器模块原理框图，如图4所示。

图4 压力传感器模块框图

2.3 雾霾传感器

经过研究过程中的反复对比，最终选用PMS5003型雾霾传感器[4]作为系统检测雾霾数据的传感器。该传感器通过激光散射到空气中测定空气中悬浮颗粒物，折算得出颗粒物浓度。传感器设置在交通信号灯上方，是一款经济型的TTL串口输出雾霾传感器。原理框图如图5所示。

图5 雾霾传感器原理框图

2.4 语音提醒模块

语音提醒模块播报的内容包括：“X路方向可以通行”和“X路方向，还有X秒可以通行”。系统选用MP3语音模块，该模块采用集成语音芯片可直接读取SD卡中的语音文件，并与嵌入式系统进行串口通信。

2.5 爆闪灯模块

爆闪灯位于红灯停止线一侧，其外部设有硬质保护壳并构成整体，保护壳与车道路面持平。系统选用12V直流电压供电的爆闪灯，爆闪灯模块电路图如图6所示。

图6 爆闪灯模块电路图

3 系统软件设计

系统的软件设计从结构上分别包括两部分：ARM控制板的软件设计和单片机控制系统的软件设计[6]。

3.1 ARM控制板主程序流程图

ARM控制板主程序流程图，如图7所示。

图7 ARM控制板主程序流程图

3.2 单片机控制系统主程序流程图

单片机控制系统主程序流程图，如图8所示。

图8 单片机系统主程序流程图

4 结论

本文对一种可应用于雾霾天气下的智能交通指挥引导系统的解决方案进行了探讨和研究，基本上实现了系统的设计要求，可以满足交通系统在雾霾天气下的使用。本系统的创新之处：在现有交通系统的基础上，通过ZigBee模块实现了主控制器和副控制器之间的通信，系统更容易维护，成本更低；通过雾霾传感器可以控制副控制器的工作状态，节约了能源损耗；通过车辆检测模块、行人检测模块和指挥引导模块可以实现雾霾天气下对车辆和行人的正确指挥引导，提高了交通通行效率和安全，有效的减少了交通堵塞和交通事故的发生，使得交通系统智能化水平更高、更便捷、更可靠和更安全，本系统的研究实现具有很强的使用价值和社会意义。