基于物联网的智能交通系统设计与实现

2021-05-14徐花芬袁江婷孟广学

华北科技学院学报 2021年1期

徐花芬，袁江婷，孟广学

s(1.华北科技学院，北京东燕郊 065201；2.北京语言大学，北京 100083;3.北京邮电大学，北京 100876)

0 引言

近年来，世界各国汽车保有量逐年增多，城市交通拥堵现象日趋严重。像我国北上广深经济发达的城市，在早高峰时段，进城方向车流量非常大，但出城方向车流量小，在晚高峰时段情况恰恰相反，造成部分道路十分拥堵，而反向道路十分通畅的矛盾。为了解决上述问题，美国、欧洲、日本等国家相继研究出实时、高效的智能交通系统(Intelligent Transport System，ITS)[1,2]，其中‘潮汐车道’被作为一种重要的交通管理技术，在国外的应用很普遍，如旧金山金门大桥、纽约曼哈顿岛的隧道等。国内在智能交通方面的研究和发展还处于起步阶段[3-4]，提出了一系列的关键技术[5-10]，如智能交通感知技术、定位技术、传输技术及处理技术，基于物联网的智能交通系统是研究的热点[11-15]。目前，在北京、深圳、上海、乌鲁木齐、石家庄等城市已经开始实施潮汐车道。其中，上海实施的效果最好。但是我国大多数潮汐车道的设置都不是智能控制的，而深圳市的潮汐车道第一个采用自动化设置。

由此可见，目前国内外均在采用潮汐车道缓解交通压力，然而潮汐车道是通过分时段改变车道方向来实现疏通拥堵、划分车流的。事实上，除了工作日高峰时段，周六周日等其他时间也存在交通拥堵的现象，可能也需要对车道方向进行实时调整；另外，在道路上还经常出现某条导向车道车辆较多，而相邻不同导向车道车辆极少或者没有车辆的现象，这就要通过智能控制车道导向来进一步缓解交通压力。针对上述问题，本文提出一种基于物联网的智能交通系统(IOT based Intelligent Transport System,IOTITS)，系统根据现场路况信息同时对车道方向和车道导向进行实时智能控制，从而提高道路的利用率和通行率，使交通拥堵现象得到缓解。

本文基于物联网技术、无线局域网技术、Internet技术、无线传感器网络技术、软件工程理论和数据库理论，采用嵌入式开发方法和传统软件开发方法，选用红外对射传感器节点、LED模块、协调器、Cortex A8网关、PC机等硬件以及IAR、QT、eclipse、sublime_text等软件集成开发环境，给出了IOTITS系统的设计、实现、测试过程。

1 IOTITS系统总体设计

IOTITS系统总体设计包括系统功能模块设计、系统架构设计、系统总体流程设计等，具体描述如下。

1.1 IOTITS系统功能模块设计

IOTITS系统主要包括如下五个功能模块：

(1) 道路及车辆监测模块：系统实时地通过采集节点采集道路的车流量，实现对道路和车辆的监测。

(2) 潮汐车道智能控制模块：在工作日高峰时段智能地控制车道的方向，如在北京上班高峰时段将出京车道临时改为进京车道，从而缓解交通压力。

(3) 车道方向实时调整模块：在除工作日高峰时段的其它时间(如周六、周日等)，在交通拥堵路段实时调整车道方向，拥堵现象解除后，再返回初始状态。

(4) 车道导向智能控制模块：对车道导向进行智能控制，如在某一时间段左转车道车流量较大，但直行车道车流量较少时，可以智能的将直行车道的导向转换为直行加左转，用来缓解左转车道的车流量。

(5) 历史数据统计分析模块：对历史车道变化情况进行统计分析，为交通管理部门将来设置车道方向和车道导向提出合理的建议。

1.2 IOTITS系统架构设计

IOTITS系统架构包括感知层、网络层和应用层，具体如图1所示。

图1中LED1、LED2、LED3、LED4分别对应如图2所示的四条车道，当LED常亮时表明车道方向为正向(如图2中LED3和LED4是常亮的)，当LED常灭时表明车道方向为反向(如图2中LED1和LED2是常灭的)，当车道方向或者导向变化时LED都闪烁。

图1中的八个红外对射传感器节点分别对应如图2所示的八个位置，每条车道都有两个红外对射传感器节点，其中一个统计车道入口车流量，另一个统计车道出口车流量，从而可以统计出在当前车道的入口和出口之间的车流量，如公式(1)所示。

图2 IOTITS系统道路图

Ct=Ci-Ce

(1)

式中，Ct为车流量；Ci为入口车流量；Ce为出口车流量。

如LED1对应的反向直行车道的入口车流量0x0B，出口车流量为0x0A。根据公式，该车道的车流量0x0B-0x0A=1。

2 IOTITS系统详细设计

2.1 系统工作流程设计

IOTITS系统包括采集节点、协调器、A8网关、服务器和Web客户端等，它们在一起协同工作来实现系统功能，该系统工作流程为：系统启动后，采集节点(即红外对射传感器节点)实时地获取车流量信息，并将数据发送给协调器，协调器进行数据处理后将各车道的车流量信息发送给A8网关，A8网关通过无线局域网将数据转发给服务器，服务器按照预先设定的条件，通过向A8网关发送控制命令，A8网关将控制命令转发给相应的LED灯来控制LED灯的亮灭和闪烁，从而智能地控制车道的方向和导向，进而完成各项功能。Web客户端通过Internet实时获取服务器数据库数据后，一方面以图形化方式显示各车道的方向和导向，另一方面对各车道方向或导向变更次数分别进行统计分析，并以折线图的方式显示统计分析结果；LED2和LED3对应的反向左转车道和正向左转车道只变更车道方向，LED1和LED4只变更车道导向，所以LED1、LED2、LED3和LED4对应车道的变更次数分别指的是车道导向变更次数、车道方向变更次数、车道方向变更次数和车道导向变更次数。

2.2 系统算法流程设计

(1) 车道方向变更算法流程

潮汐车道智能控制模块、车道方向实时调整模块都涉及车道方向变更算法，只是执行时段不同，2车道和3车道有方向变化，以3车道为例，具体算法流程为：当1车道和2车道的车流量之和大于最大阈值，并且3车道和4车道的车流量之和小于最小阈值时，3车道方向变为和1、2车道相同的反向车道，LED3会闪烁提示，之后由原来常亮变为常灭；当条件不满足时，3车道恢复正向车道，LED3会闪烁提示，之后常亮。

(2) 车道导向变更算法流程

车道导向智能控制模块涉及车道导向变更算法，1车道和4车道有导向变化，以4车道为例，具体算法流程为：当3车道车流量大于阈值，并且4车道车流量小于阈值时，4车道导向变为和3车道相同的直行加左转，LED4会闪烁提示，之后常亮；当条件不满足时，4车道导向恢复直行，LED4会闪烁提示，之后常亮。

3 IOTITS系统实现

3.1 采集节点关键代码

#if(SENSOR_TYPE ==0X0C)

if(LMOUT)Send_data[7]=1;

else Send_data[7]=0;

Send_data[6]=SENSOR_TYPE;

Send_data[8]=(Send_data[6]+Send_data[7])%256;

#endif

当有车辆通过时，LMOUT为真，设置传感器数据Send_data[7]为1，否则为0；Send_data[6] 存放的是传感器类型；Send_data[8]为校验和。

3.2 协调器关键代码

voidGenericApp_MessageMSGCB(afIncomingMSGPacket_t *pkt)

{

HalLedSet (HAL_LED_2,HAL_LED_MODE_TOGGLE);

//设置接受到消息时灯翻转

#if defined(SENSOR_TYPE_Coord)

HalUARTWrite(HAL_UART_PORT_0,(uint8*)pkt->cmd.Data,pkt->cmd.Data[1]+6);

#endif

}

协调器接收到数据后，首先通过HalLedSet函数设置led2的翻转，再通过串口写函数HalUARTWrite将数据发送给网关。

3.3 网关关键代码

网关接收协调器数据，并将数据按照数据帧格式封装后，通过tcpSocket->write(bufferS,length);将数据发送给服务器，其中bufferS表示数据帧，length表示数据帧长度。

网关实时接收服务器发来的控制命令，部分代码如下：

while(tcpSocket->bytesAvailable()>0){

QByteArray datagram;

datagram.resize(tcpSocket->bytesAvailable());

tcpSockt->read(datagram.data(),datagram.size());

……

}

3.4 服务器关键代码

服务器的部分代码如下：

Analysis_data(array,8,time);

Istidal=Judge_tidal(datetime[3]);

……

Control_lane_direction(more,small,dout);

Control_lane_guidance(turnleft,straight,dout);

……

服务器通过Analysis_data函数对数据帧进行解析处理和数据校验，通过Judge_tidal函数判断是否处于潮汐时间段，通过Control_lane_guidance函数来控制车道导向，通过Control_lane_direction函数来控制车道方向。

4 IOTITS系统测试

(1) 路况信息页面测试

该页面是对当前时间每条车道的方向和导向以及车流量的展示，此时，正向两车道，包括正向直行车道和正向左拐车道，其车流量分别为10和0；反向两车道，包括反向直行车道和反向左拐车道，其车流量都是12。具体如图3所示。

图3 路况信息页面

(2) 历史数据统计分析界面测试

系统支持四种历史数据统计分析方式，分别为：近一周、昨天(6点～20点)、按周查询、按天查询(6点～20点)，并用EChart对数据进行动态获取和更新，图4展示的是近一周正向两车道和反向两车道在每一天的变道次数，如反向直行车道comeroad1在星期五的变道次数为8次，根据车流量适时变更车道的方向和导向，对充分利用道路资源、减少拥堵具有重要意义。