LED交通诱导屏设计方案

秦威

【摘 要】随着近年来社会经济的快速发展，城市拥堵问题日益明显。在无法改变城市交通道路的前提下，提前预知道路拥堵情况成为目前城市交通急需解决的问题。文章提供一种能实时发布道路拥堵路况的解决方案——LED交通诱导屏，其由16块P10双色模组、主控器及视频图像解析系统组成，整个诱导屏以模组显示红、绿、黄三色方式实时呈现所指道路堵塞、畅通或者拥堵路况，从而达到让驾驶员提前预知前行道路实时路况信息的目的。

【关键词】拥堵;LED交通诱导屏;P10双色模组

【中图分类号】U495 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2019）07-0073-04

随着生活水平日益提高，汽车成为人们出行的重要交通工具。但由于城市交通道路无法及时匹配汽车的增长速度，导致城市拥堵成为目前城市交通急需解决的问题。目前，城市交通为缓解道路拥堵问题仍然采用人工疏导或现场增设红绿灯的方式。这种方式不仅耗人耗力，而且本身也存在效率低且无实时性的局限性。而LED交通诱导屏技术恰好解决了这个难题，LED交通诱导屏不仅具有价格低廉、维修简单、易施工等特点，而且能让驾驶人员提前预知路段拥堵信息，帮助驾驶员重新规划行驶路线，避开道路拥堵路段，很好地缓解了道路拥堵。因此，LED交通诱导屏特别适用于城市交通主干线中的路网密集路段，在未来智能交通领域也是重要组成部分。

1 总体设计

1.1 设计原则

LED交通诱导屏在设计过程中需严格遵循以下原则。

（1）经济适用。设计过程中应坚持低成本投入、高性能输出原则，尽可能依靠现有成熟、可靠、低成本技术开发出适用于各类环境的高性能LED交通诱导屏。

（2）可靠稳定。设计的产品属于无人操控智能化类型产品，在设计过程中需考虑产品的可靠性及稳定性。因此，在软硬件部件选材上需严格筛选，尽量选用在各类恶劣天气情况下能保持其稳定性的产品。

（3）兼容并蓄。由于产品需要接入现有的城市交管系统，因此在设计前端需充分考虑产品软件的兼容性问题，避免产品在接入过程中出现系统干扰问题。

1.2 设计思路

LED交通诱导屏设计思路：充分运用当前城市道路交管部门在各道路口设置的监控摄像头，用于采集道路实时的车流量信息，然后将收集的车流量视频信息传递给视频图像解析系统进行视频数据分析处理。视频图像解析系统通过视频数据进行分析判定当前路段实时畅通或者拥堵状况，同时及时将判定分析数据传输到设置在道路前端LED交通诱导屏的主控制器内，最后由主控器驱动模组点亮。此时模组显示的颜色即表示监控路段实时的路口交通畅通或拥堵，从而达到提前预警驾驶员的作用。具体设计思路如图1所示。

1.3 方案设计原理

本文介绍的LED交通诱导屏由16块双色（红/绿）模组、主控器和视频解析系统组成。LED交通诱导屏各部分的作用如下：16块双色（红/绿）模组主要功能为显示道路路况堵塞、畅通和拥堵信息;主控器主要用于根据对视频解析系统传递过来的路况信息进行响应，从而驱动不同方位的模组点亮;而视频解析系统的作用为收集路段车流量信息并对视频信息进行解析判定，同时实时给出判定信息并及时将信息传递给主控器，从而让主控器根据信息作出相应响应。具体工作原理如图2所示。

1.4 方案设计

1.4.1 视频图像解析系统设计

视频图像解析系统依靠互联网采集技术、视图智能结构化解析数据、混合云计算技术、视图大数据聚类挖掘技术等，对原始视频、图像信息进行内容解析，将获得的結构化信息和其他感知数据（WiFi、RFID、GPS）相结合，提供一体化的视图信息综合服务。本文采用的视频图像解析系统兼容并遵循《GA/T 1399公安视频图像分析系统》和《GA/T 1400公安视频图像信息应用系统》等标准，充分利用系统内部的CPU+GPU协同计算能力，采用基于深度学习的视频图像处理技术，自动采集、识别结构化解析实时视频信息，构建以“车”为核心的车流量大数据统计体系。构建的车流量大数据统计不仅能收集每日各时段经过该路段的车流量信息，为城市智能交通管理应用提供相应数据，而且能为未来城市智能化建设提供依据。

本文采用的视频图像解析系统依托现有交管部门在各大道路口设置的监控摄像头收集监控路段的实时车流量信息，通过视频图像解析系统内部的CPU+GPU协调计算能力，对实时车流量信息进行数据建模及实时结构化视频解析。随后视频图像解析系统将解析结果实时传递到LED交通诱导屏的主控器上，从而完成视频数据采集、视频图像解析及数据信息传递过程。

1.4.2 主控器设计

本文介绍的LED交通诱导屏主控器采用同步控制卡控制方式达到实时控制P10模组颜色显示。而异步控制卡运用STM32F407VGT6芯片进行响应驱动，该芯片是意法半导体公司自主开发的一种高性能微控制器，芯片采用90 nm的NVM工艺和ART（自使用实时存储加速器）技术使得程序零等待执行，大大提高了程序执行的效率，将COrtext-M4的性能发挥到极致。自适应实时加速器能够完全释放Cortex-M4内核的性能;当CPU工作于所有允许的频率（≤168 MHz）时，在闪存中运行的程序，可以达到相当于零等待周期的性能。STM32F407 VGT6芯片的微控制器集成了单周期DSP指令和FPU（浮点单元），提升了计算能力。因此，将该芯片作为主控器的核心处理器能做到信息实时处理零等待的效果。

在LED交通诱导屏主控器设计上我们除了使用同步控制器外，还采用了最新的4 G传输模块。采用4 G传输模块的作用是方便管理人员随时掌握远程监控LED交通诱导屏及故障排除。

1.4.3 P10双色模组设计

本文介绍的LED交通诱导屏采用P10双色模组作为显示模块，整屏由16块P10双色模组组成且整体结构采用类似“井”字形设计（整体结构设计可以根据路段实际情况变更设计）。P10双色模组设计采用显驱合一的双层线路板设计，以直插式346红色发光二极管和直插式346绿色发光二极管为发光光源，且将一颗红色发光二极管和一颗绿色发光二极管作为一组像素点。整个模组分辨率为32×12，每组像素点之间的间距为10 mm，驱动方式为1/4扫恒压驱动，单模组结构尺寸设计为320 mm×160 mm。模组硬件设计方面主要采用WS2801驱动器和MOS管（规格型号为MOSFET-N/AO3400）配合使用。WS2801是一个恒定电流LED驱动器，该驱动主要运用于LED显示屏上，适用于接力串接的LED照明系统。WS2801驱动器拥有3个独立的输出驱动通道，每个通道均能实现独立的256及PWM灰度控制，可在不改变LED发光色彩的条件下实现256级LED灰度控制，并能输出高达200 mA的恒定LED驱动电源，WS2801内部包含串联移位寄存器、数据锁存器、输出寄存器、带隙基准电压源、内部振荡器和可编程恒定电流驱动器。从SDI数据输入的串行数据在CKI时钟信号的上升沿被读入芯片内部的数据移位寄存器中，输入的时钟信号和LED灰度控制信号在芯片内部经过时钟数据再生电路整形后在CKO和SDO端输出，以使芯片能接力串接工作。当POL=0时，输出极性反转。WS2801工作类似一个PWM控制器，能够驱动外接开关或者电路驱动高亮度的LED，并实现大功率LED的256级灰度控制。WS2801的2-线传输控制方法由世芯微电子专门为可级联的LED照明系统设计，具有速度快、可靠性高、灰度数据同步刷新等特点，能够最大限度地降低系统成本，非常适合用于低成本的LED照明系统。具体模组驱动电路设计原理如图3所示。

由于LED交通诱导屏基本使用在户外的交通道路口，常年受到风吹雨淋，因此对所需模组防护等级要求较高。考虑LED交通诱导屏所使用的环境要求，本文将设计的P10双色模组定型为户外型模组，防护等级为IP65级别。因此，在生产工艺方面采取常规安全的模组灌胶技术，使用欧普特315A/B胶进行单模组灌胶处理;在模组线路板背面喷涂三防漆（防潮、防霉、防盐雾），确保了LED交通诱导屏达到IP65的防护等级。而在单模组结构设计上，塑框底壳、面罩采用阻燃型材料，该类材料具有低反光和高散热效果;紧固螺钉全部采用不锈钢螺钉，杜绝在后期使用过程中出现螺钉生锈情况;因此采用以上材料能让模组更好地适用在各类高温高湿恶劣环境。P10双色模组实物如图4所示。

1.4.4 LED交通诱导屏箱体设计

本文介绍的LED交通诱导屏箱体采用双门独立单元门设计，设计尺寸为2 200 mm×1 500 mm，不仅有防雨、防尘、抗震、防静电能力，而且具有防腐蚀、防震、抗风能力优点。箱体材料选用优质铁质材料，在箱体表面处理过程中要求对其进行热浸锌处理和喷涂保护漆处理，从而让箱体表面形成保护膜，达到防盐雾、抗腐蚀效果。对于防雷措施方面，在箱体设计上不仅在箱体内部的主控器安装了浪涌保护器，而且在箱体表面上通过专用接地端子连接到已预留的接地极，接地电阻小于10 Ω。

由于整个LED交通诱导屏功耗较大，因此整个系统需要一个良好的散热方案。针对箱体散热问题，我们设计在箱体下部装有两台大型风机，向箱体底部排风，加大箱体内空气的流动速度，实现有效的通风、散热，并且在进气口处加装呼吸器，保证在良好的散热情况下起到防尘、防水的作用。与此同时，我们还在箱体内部的主控器上安装温湿度监控器，监控器的温湿度传感器连接到箱内各个模组部分并随时监控箱体内各部位温湿度状态。当箱体内部因长期运行导致升温较大或遇回南天天气湿度较大时，传感器会将监控信息传递给主控器上的温湿度监控器，然后温湿度监控器回将信号反馈到主控器，最后主控器會控制系统开启风扇从而达到降温降湿效果。当环境温度达到设定值或遇到其他特殊情况时，温湿度监控器会立即将相应信息传递给主控器，此时主控器会及时自动切断LED交通诱导屏的电源及通过主控器的4G模块发出预警信号并传递给管理人员，从而方便LED交通诱导屏的故障排除。图5是LED交通诱导屏箱体的组装图，图6是LED交通诱导屏箱体的连线图。

2 实践应用

图7为LED交通诱导屏在广西壮族自治区桂林市城区某段路段上应用实际效果场景。图中LED交通诱导屏指示的路线起始端为解放桥，东西走向的路段分别为芳香路、七星路及龙隐路，南北走向的路段分别为穿山路、普陀路及东二环路。由于该LED交通诱导屏在以上路段显示的颜色都为绿色，因此表示以上路段实时交通路况都为畅通可继续驾车向行驶。

3 结语

随着科技的不断发展，智能化城市交通建设必然是建设智慧型城市不可或缺的一环。本文根据现有的城市道路监控设备与LED显示屏技术相结合，设计一款LED交通诱导屏产品，及时反映各个路段实时道路情况。这不仅能让驾驶员提前预知道路实时拥堵情况，避免加剧道路拥堵，在一定程度上缓解了城市道路拥堵问题，而且有效地促进了城市交通科技的智能化发展。因此，相信在未来智慧型城市交通发展道路上，类似LED交通诱导屏的产品必然得到广泛推广与应用，并且在智能化城市交通建设崭露头角，造福于人民。                             参 考 文 献

[1]田雁，曹剑中，许朝晖，等.基于VHDL技术实现视频采集处理器的控制[J].光子学报，2006，35（8）：1276-1279.

[2]张飙，徐和飞，张玉，等.LED光带型交通诱导屏的设计[J].液晶与现实，2009，24（1）：103-109.

[3]任蓉，吕强.基于ARM的LED屏显示控制系统的设计[J].现代物业（上旬刊），2012（3）：42-44.

[责任编辑：钟声贤]