基于多传感器的恶劣天气行人预警信号灯设计★

汤 敏 邹常丰 李玉英

(东北林业大学交通学院,黑龙江 哈尔滨 150040)

随着我国城市道路的迅猛发展以及机动车保有量的日益增加，交通安全问题已成为人民十分关注的问题[1]。大雪大雾等恶劣气象会降低能见度，极易出现严重的交通事故[2]，对行人以及车辆造成不可估量的损失，我国是一个人口大国，道路交通设施以及管理设施虽然有了很大的改进，但是大多数城市的交通系统不够完善更不提先进了，尽管建立了交通控制中心，只是起到了监视的作用，与管理，控制没有太大关系[3]。无论是雾还是霾，一旦形成就会给外出活动带来极大的不便，尤其对道路交通造成严重阻碍。雾霾中行车，驾驶员看不清前面的路，信号灯辨识度很差，行人看不清信号灯或者低头玩手机，导致闯红灯过公路，由于是雾霾天气，驾驶员很难看清是否有行人在过公路，极容易造成追尾等事故。

本文设计了一种基于多传感器的恶劣天气行人预警信号灯，该信号灯通过PM2.5传感器GP2Y1010AU0F、温湿度传感器DHT11以及红外光栅传感器DQY-4004-NB-NK-PB-PK-J；并以嵌入式智能硬件Arduino为核心控制单元，将智能温湿度数据、PM2.5数据以及行人过街信息进行实时采集，通过单片机软件编程开发一种具有环境数据检测与行人预警功能的智能交通信号灯，可在恶劣天气环境下极大程度的避免交通事故的发生。

1 系统框架设计

基于多传感器的恶劣天气行人预警信号灯如图1所示。该装置由红色信号灯、黄色信号灯、绿色信号灯、报警指示灯、单片机、PM2.5传感器、温湿度传感器、红外光栅传感器、显示屏组成。其中单片机型号为ATmega328；PM2.5传感器的型号为GP2Y1010AU0F；温湿度传感器的型号为DHT11；红外光栅传感器的型号为DQY-4004-NB-NK-PB-PK-J；显示屏的型号为LCD2004。

系统的核心是ATmega328控制器，它与PM2.5传感器、温湿度传感器以及红外光栅传感器通过单片机内部集成的串口实现数据的通讯，以此获取温湿度数据、PM2.5数据以及行人过街信息，并对信号灯进行控制，降低交通事故发生概率，提高交通安全性。

2 硬件设计

基于多传感器的恶劣天气行人预警信号灯中的数据采集传感器包括以下三种元件：选择DHT-11作为温湿度传感器，GP2Y1010AU0F作为PM2.5传感器获取空气中雾霾浓度，DQY-4004-NB-NK-PB-PK-J红外光栅传感器获取行人通过人行道信号灯等候区信息。

DHT-11数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器[4]。DHT-11典型应用电路如图2所示。它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。该产品具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点[5]。每个DHT-11传感器都在极为精确的湿度校验室中进行校准。校准系数以程序的形式储存在OTP内存中，传感器内部在检测信号的处理过程中要调用这些校准系数。单线制串行接口，使系统集成变得简易快捷。超小的体积、极低的功耗，信号传输距离可达20 m以上，使其成为各类应用甚至最为苛刻的应用场合的最佳选择。

GP2Y1010AU0F与ATmega328控制器的连接图如图3所示。GP2Y1010AU0F是一种可以感知空气中尘埃粒子浓度的光学空气质量传感器[6]，其内部包括光电晶体管和红外发光二极管，通过探测空气中细小颗粒的反射光实现对空气中尘埃粒子浓度的检测。

将上述选择的传感器连于单片机，单片机的作用是接收红外传感器传回的数据,并对数据进行处理再传输到上位机中[7],实现从传感器到上位机的数据传输及数据处理，通过单片机引脚自动分压后可提供上述传感器所需的工作电压。传感器含发射红外线的二极管以及检测红外线的PSD(位置敏感检测器)[8],红外测距传感器有三根引线，从左到右依次为黄色，功能为连接电源线VCC；黑色，功能为接地线GND；红色，功能为传输数据[9]，连接于单片机的模拟信号输入ANALOG IN。

3 系统工作流程

基于多传感器的恶劣天气行人预警信号灯工作流程如图4所示。环境数据检测与行人预警交通信号灯，按照下述步骤进行：首先进行初始参数设置，包括每个相位的红绿黄灯的周期时长；将PM2.5传感器的数据输出端与单片机的串口读取端相连，实时检测信号灯周围空气中PM2.5含量；将温湿度传感器的数据输出端与单片机的数字量读取端相连，实时检测信号灯周围空气中温湿度数据；通过单片机外围电路中的模拟/数字转换器将红外光栅传感器输出端输出的模拟信号转换为数字信号，再将模拟/数字转换器的数字量输出端与单片机的数字量输入端相连，通过单片机实时监测红外光栅传感器的状态信息，检测是否有行人通过；通过单片机中的定时器进行计时，根据各相位中红绿黄灯的周期时长控制红色信号灯LED1、黄色信号灯LED2、绿色信号灯LED3的亮灭；显示屏与单片机的数字量输入端连接，显示当前信号灯剩余时间、PM2.5含量以及温湿度数据；系统判断当前被点亮的信号灯的颜色状态，若红色信号灯或黄色信号灯被点亮，则报警指示灯LED4一直处于关闭状态，若绿色信号灯被点亮，则系统根据步骤四判断是否行人通过，若无行人通过，则报警指示灯LED4处于关闭状态；若有行人通过，则报警指示灯LED4发出报警信号。

4 结语

随着我国城市道路的迅猛发展以及机动车保有量的日益增加，交通安全问题已成为人民十分关注的问题，针对恶劣天气下，驾驶员看不清前面道路情况，信号灯辨识度很差，行人看不清信号灯或低头玩手机，导致闯红灯过公路，极容易造成追尾等事故的发生。本文通过PM2.5传感器GP2Y1010AU0F、温湿度传感器DHT11以及红外光栅传感器DQY-4004-NB-NK-PB-PK-J；并以嵌入式智能硬件Arduino为核心控制单元，将智能温湿度数据、PM2.5数据以及行人过街信息进行实时采集，通过单片机软件编程开发一种具有环境数据检测与行人预警功能的智能交通信号灯。可实现对信号灯周围空气中的温湿度数据以及PM2.5值进行实时检测，为环保局等有关部门以及相关领域的科研人员提供大数据进行相关的科学研究，并在雾天等能见度较差的天气下，当信号灯处于红灯相位并通过光栅传感器检测出来人行道有行人通过时，系统可将检测信号传给信号灯，通过信号灯上的报警指示灯为对应车道的司机提出预警，避免交通事故的发生。