基于STM32的学校周边道路交通状况监测与调控系统

2021-08-20邢启明孙宁

电子设计工程 2021年16期

邢启明，孙宁

（南京林业大学汽车与交通工程学院，江苏南京 210037）

城市道路上小汽车的数量快速增加，上、下学期间数量庞大的私家车治理缺乏精细化设计[1]，严重影响了学生的生命安全。传统对学校周边道路交通信息的获取方式已经不能高效解决学生上、下学期间的交通拥堵问题。目前，邹建初等人对车位检测的研究，虽在一定程度上提高了车位利用率，但无法适用于学校周边道路车位的检测[2]。晏勇等人对信号灯控制的研究也只能通过调整信号灯时长缓解城市交通压力，具有一定的局限性[3]。

文中设计的基于STM32 的学校周边交通状况监测与调控系统，通过处理学校周边道路交通状况信息，迅速给有停车需求的用户提供学校周边的可用车位信息，监测学校周边道路的违章停车并给予警告，根据特殊情况调节信号灯指示状态，数据传递方式为无线通信，有效缓解了学校周边道路上、下学期间的交通压力，保障了学生的生命安全[4-10]。

1 系统设计

系统以STM32 处理器为核心，完成学校周边道路交通状况的信息监控。在学校区域大环境下，通过专用摄像机和GPS 获取当前学校区域可用的车位信息、交通信号灯信息、车流量以及违章停车信息，并发送给处理器，处理器对数据进行分析处理，判断是否存在违章停车现象和有停车需求的机动车，以及交通拥堵状况或者需要变更信号灯的特殊情况，发送给上位机管理系统，管理人员查看交通状况信息，将所需车位或违章停车警告等信息发送给车辆，并对信号灯作出相应的调整，数据传递通过无线通信网络完成，促进了友好型城市交通体系建设[11-14]，系统设计如图1 所示。

图1 系统设计图

2 硬件电路设计

基于STM32 的学校周边道路交通状况监测与调控系统的硬件主要包括供电模块、主处理器模块、无线通信模块、摄像头电路及GPS 电路。硬件设备以STM32 主处理器模块为核心，其他模块及供电模块作为辅助，与处理器的串口连接，完成信息反馈和信号灯调控等。

2.1 供电模块

系统中STM32 主处理器模块采用2.0～3.6 V 直流电压，无线通信模块电路采用1.9～3.6 V 直流电压，摄像头模块采用8～10 V 直流电压，GPS 电路采用2.7～3.6 V 直流电压。供电模块选用SM7075-18 芯片，如图2 所示，该芯片采用PWM 控制方式、BUCK系统方案，输入电压为220 V 交流电，可以保证输出电压为18 V，再用AMS1777-3 稳压器将18 V 电压稳定至3.3 V。系统可保证在过热、过压、过流、欠压等情况下的安全，在满足硬件设备电量需求的同时需考虑各个用电模块的隔离[4]，具有原件少、成本低、高效率的特点。

图2 供电模块电路

2.2 处理器模块

该系统的核心硬件是STM32 处理器，通过处理器对学校周边道路的交通状况信息进行处理反馈，实现学校周边道路交通状况的快速监测及信号灯的调控。处理器模块电路如图3 所示。

图3 处理器模块电路

STM32 是意法半导体(ST)公司出品的[5]，平均每个时钟可执行1.25 条指令，将电脑与单片机I/O 功能结合，具有非常高的信息处理能力。该芯片具有SPI、USB、UART 等功能[13]，可连接多种外设，具有成本低、功耗低、性能好的特点。摄像头模块和GPS 模块发送的可用车位信息、违章停车信息、车流量以及信号灯状态信息，经过处理器的分析与处理，快速反馈给管理人员并执行相应的措施，确保了学校周边道路的安全。

2.3 无线通信模块

无线通信模块选用LoRa 技术[6]，具有传输质量稳定、时效性显著、高效快捷等特点，适合交通领域的使用。该技术可以利用1 GHz 以下载波，以传输速率支持1 Mbps、2 Mbps 的NRF24L401 单片无线芯片为核心，其工作频率稳定可靠、功耗低、灵敏度高、发射功率低，是当前无线传输模块的理想选择。接口使用并行传输，可以完成摄像头、车辆、信号灯、上位机管理系统的无线通信，实现信息的反馈及信号灯的调节。无线通信模块电路如图4 所示。

图4 无线通信模块电路

2.4 摄像头电路

摄像头以OV7251 图像采集集成芯片为核心，采用8～10 V 电压，分辨率大，可达640×480，传输速率快，最终实现视频图像数据的缓存与读取，通过ZedBoard 的VGA 接口与显示器实现视频图像的显示[7]，能够满足学校周边道路交通状况监测和调控的要求。摄像头电路如图5 所示。

图5 摄像头电路

2.5 GPS电路

目前，全球主要有四大定位导航系统，分别是GLONASS 卫星导航系统、伽利略卫星导航系统、GPS卫星导航系统和我国的北斗卫星导航系统，GPS 星导航系统相对来说更有优势。

如图6 所示，该系统选用的UM220-III L 芯片是UM220III NL 系列块的第三代产品，包括BDS/GPS的高精度相对定位关键技术[8]，采用低功耗GNSS SoC 芯片-HumbirdTM，是现在市场上尺寸最小的GPS 模块，其集成度高、应用方便，非常适合对精确度要求较高的学校周边区域的交通状况监测系统。GPS 电路如图6 所示。

图6 GPS电路

3 系统软件设计

软件设计选用Visual Basic 6.0，搭建学校周边道路交通状况监测与调控系统的界面，如图7 所示。

图7 软件主界面

软件主界面是由道路两侧可用车位查询、停车场信息查询、交通信号灯控制、道路违章停车监测、学校周边道路摄像头运转状况、车流量历史数据、个性化以及返回按钮组成的，实现了数据传输、监控设施检测、违章停车监测以及信号灯调控、疫情相关车辆信息查询等功能。

如图8 所示，系统软件的核心在于检测学校周边道路以及停车场可用车位的信息、交通信号灯的调控和违章停车，亦可以监测监控设施的可用性以及查看车流量历史数据。普通用户基本上只有浏览功能，并无信号灯控制、违章监测、监控设备和个性化设置的权限，而管理员享有所有操作权限。

图8 系统软件流程图

上、下学期间私家车的停放已经成为学校周边交通管理中不可避免的问题[9]，采用现代信息技术快速、准确、醒目地告知驾驶员可用车位的具体位置是一个重要的课题[10]。图9 是学校周边可用车位查询界面，管理员或者用户可以一键查询学校周边不同道路或者停车场的可用车位信息，也可以观测不同路段实时车流量等信息。管理员可以发送可用车位信息给有停车需求的车主，有利于高效缓解交通压力，避免交通堵塞。

图9 可用车位查询界面

如图10 所示，信号灯控制界面可以查看信号灯实时状态，针对当前路口交通信号灯智能控制优化方法中存在的响应时间较长等不足[11]，管理员可以通过选择框快速调节信号灯指示状态，点击变更（在调整和复原前会有相应的警告窗弹出，有效避免了误调情况的发生）即可改变信号灯的指示状态。如果需要将信号灯指示状态复原，只需要点击复原按钮就能使信号灯恢复原始状态，有效弥补了目前只能调整信号配时的缺陷，有利于在特殊情况下更加便捷快速地对信号灯进行调控，保障道路正常通行。

图10 信号灯控制界面

如图11 所示，违章停车监测界面可以查看学校周边道路违章停车的实时监控画面。通过人工进行视频实时监控或离线处理费时费力，而且效率低下[12]，但在该界面管理员可以点击查看详情，一键获取有关车辆的详细信息，记录档案并一键提醒挪车，有效监督每个驾驶员的车辆停放行为，第一时间发出警告，确保良好的道路秩序[13-16]。