浅析智慧城市中智能交通灯的设计及实现

2020-11-04郭鹏张雷杨黔生黄方果

科学导报·学术 2020年86期

郭鹏　张雷　杨黔生　黄方果

【摘要】随着经济的发展，汽车数量增多，城市道路压力越大。人车密集的路上经常出现人车抢夺路权的现象，因此造成的交通事故经常发生。本文提出一套低成本、易安装的智能交通灯系统，能有效引导行人横过马路，指挥车辆行驶，在保障过往行人安全的同时，又能减少无过往行人时车辆的等待时间，提高车辆通行率，能有效规范车辆和行人的行为。

1前言

党的十九大报告提出，加强应用基础研究，为建设智慧社会提供有力支撑。在我国不断加快的智慧城市建设进程中，行人安全、交通拥堵一直是大家关注的热点问题。

随着现代交通运输和汽车工业的迅速发展，道路交通事故已成为全球第八大死亡原因。《2018年全球道路安全状况报告》指出，每年全世界约有135万人死于道路交通，另有5000万人因道路交通事故引发的碰撞而受伤或致残^[1]。然而，随着经济的快速发展，汽车保有量大幅增长，如何有效减少交通事故率是我国道路交通安全方面的一个重大难题^[2]。

据统计，全球每年死于道路交通事故的人群中有22%是行人，除去部分行人违法行为外，主要归咎于人行横道缺少安全保护。针对这方面的问题，国内外相继开展了智能斑马线的研究，来实现交通灯计时的智能调整，其检测车辆或行人的传感器主要有压力传感器、图像传感器、红外线传感器等^[3]，但这些传感器在实际应用中总存在一些不足之处。如应用压力传感器时需要重新对现有的路面进行施工，敷设大量压力传感器来感知行人，其系统复杂，成本较高，从施工周期考虑，工程量较大，短时间内无法改善该处交通，从而很难实现大范围普及;图像传感器即摄像头，是利用光学成像原理获取现场的画面，再经过图像处理提取行人数量数据^[4]，但其系统复杂，受天气和环境的变化影响大，特别是随着光线强度的降低，会很大程度影响其检测的准确性;红外线传感器是利用发射的红外线遇到障碍物后反射回来，从而来感知行人，其系统结构简单，但无法实现精确识别。

而毫米波雷达传感器也能用于检测行人^[5]。毫米波是指30～300GHz频域的电磁波，波长为1～10mm，介于微波与厘米波之间，所以毫米波兼有这两种波谱的优点，同时也有自己独特的性质。

1）同厘米波导引头相比，毫米波导引头具有体积小、质量轻和空间分辨率高的特点;

2）与红外、激光等光学导引头相比，毫米波导引头穿透雾、烟、灰尘的能力强，传输距离远，具有全天候全天时的特点;

3）毫米波雷达性能稳定，不受目标物体形状、颜色等干扰，很好的弥补了如红外、激光、超声波、摄像头等其他传感器在应用中所不具备的使用场景;

4）毫米波雷达能分辨识别很小的目标，而且能同时识别多个目标。

鉴于诸多优点，本文提出一种基于毫米波雷达的斑马线智能交通灯系统，具有高精度、高灵敏度、能实现“全天候全天时”工作^[6]，用于检测人行横道前行人，智能调整交通灯的计时，在保障过往行人的安全为前提，又能减少车辆在无过往行人或行人零散过往时的等待时间，提高车辆通行率，避免出现人车抢夺路权的现象，从而有效引导行人和车辆通行。

2系统设计

为了保障人民群众的生命安全、加强城市交通智慧管理，在关键十字路口和人流量较大的非路口都需要设置交通指挥，用于引导行人和车辆安全通行^[7]。本文提出的智能交通灯系统，在斑马线两侧路旁各虚拟规划了一个行人待行区用于检测行人数量，默认初始状态为引导车辆通行状态。当有人走进检测区域内时，雷达就会检测识别到这一行为，并将信号传递给单片机，单片机按照设置的斑马线交通灯工作流程，进行倒计时显示，切换车辆和行人的通行状态;与此同时，单片机会通过无线通信，协调安全岛和路面另一侧的系统，同步指挥交通。当然，系统还设置有接触方式来触发通行状态的切换。系统还可通过无线通信模块为上级应用提供接入和管理的接口，可供交通部门掌握出行规律，为建设智慧城市提供出行数据，并可根据云端大数据回传的运算结果灵活控制该时段的通行时间，如图1所示。

2.1硬件部分

主控芯片为HT32F52352单片机，主频80MHz，支持SPI、I2C、UART等协议，便于与其他模块通信，能满足实时控制、低功耗的要求。系统工作状态如图2所示。

2.2雷达模块

该模块核心芯片为X1642BIGABL，是工作于76-81GHz频段的毫米波雷达传感器，采用FMCW体制，综合运用MIMO、波束成形、群跟踪以及机器学习目标类型识别技术，能实现待行区内精确识别行人轨迹和检测内行人数量，并将此数据提供给单片机模块，用于计算行人通行时间。

该模块与单片机之间采用TTL接口连接，探测距离为15米，距离分辨率为0.12米，速度分辨率为0.12米每秒，可检测目标数为70人，能满足行人在运动时探测较大范围的需求。

3程序设计

部分单片机程序如下所示。

3.1设备登录服务器在线

sim868_start（）;//连接服务器

sim868_login（）;//设备在线

3.2根据人数发送行人通行时间

if（（num_p>0）&&（num_p<20））send_time（17）;