0 引言

　　隨著城市機動車的不斷增加，交通擁塞問題日益嚴重，各種紅綠燈時長設置的合理與否對交通的影響起著決定性作用，成為制約通行效率的瓶頸之一[1-3]。現有的紅綠燈控制系統主要為定時控制，這種固定各交通信號時間長度的方法不能適應車流的動態變化，通行效率相對較低。且執行緊急任務的應急車輛經過十字路口時，容易受到交通堵塞的影響。

　　從提高城市交通控制系統效率的角度出發，設計一種無線智能交通監控系統。本系統旨在實現平安交通、效率交通、民生交通和綠色交通。它采用電感線圈檢測車輛，根據道路車流量變化自動調節紅綠燈時間，實現最優控制。提出一種采用主動式無線射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）技術檢測應急車輛的方法；值班人員對十字路口進行視頻監控，為有需求的應急車輛開綠燈，使其快速通過十字路口。設置盲人提醒音，用不同頻率的信號音告知盲人紅綠燈狀態。采用壓力傳感器檢測非十字路口人行道等候區的行人數量，根據行人數量動態調整其紅綠燈時長。系統電源可在太陽能和市電間靈活切換，以節約用電。

1 系統結構

　　系統整體框架如圖1所示，它以ARM9嵌入式處理器S3C2440為控制核心，十字路口部分，主要包括4個方向的車流量檢測裝置、人行道交通燈、車行道交通燈、數碼管計時器及盲人提醒音，1個可遠程操控的可旋轉攝像頭；非十字路口的人行道等候區，采用壓力傳感器、AD轉換器及CPLD檢測等候過馬路的人數，根據行人數量動態調整非十字路口紅綠燈時間。操作者還可通過網絡遠程視頻監控十字路口交通狀況，當安裝有主動式RFID標簽的應急車輛通過十字路口時，遠程監控室的值班人員可及時發現，并根據需要改變紅綠燈狀態，為其開啟綠色通道。

2 主控制器

　　交通監控系統的主控制器由S3C2440微處理器及其外圍器件組成，其硬件框架如圖2所示。S3C2440是三星公司生產的一款32位ARM9處理器，具有低功耗、高性能的特點，在工業嵌入式領域應用廣泛[4]。它通過SPI接口連接nRF24L01+無線通信模塊，采集各道路監測點測得的車流量；根據車流量統籌控制各車行道、人行道的紅綠燈，用數碼管顯示紅綠燈剩余時長，通過蜂鳴器模塊發出不同頻率的信號音以給盲人提醒交通燈狀態。同時，S3C2440微處理器通過USB控制器接攝像頭，用以太網控制器連接Internet，使得遠程值班人員可通過攝像頭觀察十字路口的交通狀況。

　　nRF24L01+是Nordic公司生產的一款單片無線收發器芯片，它工作在2.4 GHz全球免許可證的ISM（Industrial Scientific Medical，工業科學醫療）頻段[5]。為了增加nRF24L01+的通信距離，無線模塊在原設計上增加功率放大器和低噪聲放大器。在發射部分通過功率放大器將nRF24L01+最大0 dBm的輸出功率放大到+22 dBm左右，同時在接收部分使用低噪聲放大器增加接收信號的強度。

　　系統采用太陽能和市電相結合的供電方式，在白天日照較強的情況下，太陽能板直接給系統供電；晚上或者陰雨天，系統則自動切換到市電。兩種方式可相互切換，使得系統不掉電，正常工作。

　　2.1 視頻監控器

　　本系統采用S3C2440微處理器與視頻服務器軟件MJPG-streamer實現嵌入式視頻監控功能。微處理器將攝像頭拍攝圖像經壓縮后通過UDP/IP協議傳到遠程監控終端，值班人員能在計算機上實時觀察十字路口交通狀況，還可以調整攝像頭的參數，獲得最佳的圖像。

　　MJPG-streamer是一個輕量級的視頻服務器軟件，一個可以從單一輸入組件獲取圖像并傳輸到多個輸出組件的命令行應用程序[6]。該軟件可應用在基于IP 協議的網絡中，從網絡攝像機中獲取并傳輸JPEG 格式的圖像到瀏覽器或者是一個安裝TCPMP 播放器的Windows 移動設備。它來源于uvc_streamer，為在RAM和CPU上存在資源限制的嵌入式設備而設計的。MJPG-streamer兼容Linux-uvc的攝像機，可以直接生成JPEG數據，即使是運行OpenWRT Linux的嵌入式設備，也可以快速處理M-JPEG數據流[6]。圖3是在遠程計算機通過攝像頭觀察到的十字路口畫面。

　　2.2 應急車輛檢測裝置

　　交通局可根據需求，給救護車、消防車或警車等應急車輛分配主動式RFID標簽。主動式RFID標簽本身具有內部電源供應器，擁有較長的讀取距離和較大的記憶體容量，可以用來儲存讀取器所傳送的一些附加信息。本系統選用菁揚科技公司生產的2.4 GHz雙通道有源RFID讀寫器JY240DS，它采用高端的射頻SoC芯片設計主控單元，融合先進的微功耗技術、防碰撞算法、無線電技術，采用雙通道天線設計，高增益射頻收發電路結構優化，抗干擾性強，可在線讀寫設置，可連續上電運行，無須人工參與，能夠滿足工業等惡劣使用環境的功能要求。選用全向天線，對目標進行遠距離識別，最遠讀卡距離可以達到100 m以上。

　　當安裝有電子標簽的應急車輛進入讀寫器識別區域時，遠程計算機監控終端會主動給值班人員報警，值班人員通過攝像頭觀察應急車輛所處道路的交通狀況，決定是否有必要人為改變交通燈的狀態，為應急車輛開啟綠燈，使其以盡量快的速度通過十字路口。

3 十字路口紅綠燈

　　3.1 車流量檢測裝置

　　國內外檢測車輛的傳感器主要有電感環、地磁、超聲波和紅外線等，各有特點。考慮到成本、精度、性能和抗干擾能力等因素，本系統采用基于電磁感應原理的電感環檢測器[7]。如圖4所示，在十字路口斑馬線前及相距100 m遠的路面下各安裝一個電感環，當有車輛經過時，由于互感作用將在金屬組成的車體內產生渦流。根據楞次定律，渦流的磁場要阻礙引起渦流的磁場的變化，即渦流的磁場對感應線圈磁場有去磁作用，使感應線圈的電感量變小。單片機對振蕩電路的振蕩頻率進行檢測，可計算其電感變化量，從而推斷上方是否有車輛經過。

　　好的振蕩波形有利于單片機測頻，保持短期頻率穩定可減少誤判和紕漏的發生。因此，從工作頻段、頻率穩定性和振蕩波形三方面考慮，采用電容三點式振蕩電路。圖4中的電感環與振蕩電路中的電容和反相器74LS05A構成電容三點式振蕩電路。整形電路的功能是把振蕩電路產生的正弦信號整形成同頻率的方波信號，以便于單片機測量。實現整形功能可直接由開環連接的反相放大器實現。

　　監測點的單片機將測得的數據通過無線模塊發送給嵌入式系統，后者根據兩個檢測點的數據可計算出在100 m范圍內有多少車輛等候通過紅綠燈。

　　3.2 紅綠燈時長方案

　　紅綠燈時長設置需要考慮的因素有：車流量、道路寬度、人流量和時間段等。非車輛高峰期，在各路紅燈時檢測等候區的車輛數，采用動態時長模式，以有效疏導車輛；在車輛高峰期，采用固定時長模式。

　　3.2.1 動態時長模式

　　普通中小型車平均長約4.5 m，大型車平均長約10 m，假設紅綠燈等候區中小型車與大型車的比例是7:1，車間保持1 m的安全距離。經計算，100 m的單行道，可容下14輛中小型車和2輛大型車，共16輛車。設車輛經過紅綠燈時，平均速度為10 km/h（即2.8 m/s）。以直行車道為例，設定綠燈時長為20 s，每輛車通過斑馬線的平均時間約為2 s，20 s內可以疏通10輛車。設計從第11輛車開始，至第16輛車，每多1輛車紅綠燈延遲2 s，同一路口各車道的平均車流量x與該路口綠燈增加時間y的關系滿足代價函數(1)。

　　3.2.2 固定時長模式

　　上下班高峰期，各路口車流量和人流量通常都較大，交通信號燈宜采用固定時長模式，不同路口信號燈時長根據日常統計出的車流量多少而設定，不進行動態調整。

4 非十字路口紅綠燈控制器

　　非十字路口紅綠燈控制器的主要功能是檢測等候過馬路的行人數量，根據行人多少自動調節控制紅綠燈。該控制器的結構如圖5所示，壓力傳感器埋于斑馬線側行人等候區地下，其測得的壓力值與等待過馬路的人數是成正比的。壓力傳感器輸出的微弱電信號經過電阻應變式電橋后，再由信號調理電路進行放大、去噪及電平移位等，變成適合模數轉換器ADC0804識別的0~5 V模擬電壓，由EPM7128SLC84-15控制ADC0804采集模數轉換結果，根據結果估算行人數量，從而動態調整紅綠燈的狀態，為行人過馬路提供方便。圖5中的LED燈用于指示車行道及人行道的紅綠燈狀態，數碼管則用于提醒車輛和行人紅綠燈剩余時長。

　　EPM7128SLC84-15是Altera公司生產的一款MAX-7000S系列CPLD器件，可用門為2 500個，有8個邏輯陣列塊、128個宏單元、60個可用I/O口，可單獨配置為輸入、輸出及雙向工作方式。EPM7128SLC84-15支持多種電壓口，具有最小5 ns的引腳到引腳邏輯時延，并支持多種編程方式[8]。系統中EPM7128的程序用VHDL語言設計，由Altera公司的開發軟件Quartus II進行編譯、仿真、綜合和下載。

5 實驗結果

　　設計制作的無線智能交通監控系統實驗模型如圖6所示。經模擬實驗測試，系統能夠根據十字路口車流量自動調節紅綠燈時長；根據等候過馬路的人流量自動調節非十字路口紅綠燈時長，以有效疏導交通；盲人信號音可向盲人傳遞紅綠燈的狀態信息。遠程值班人員能通過攝像頭實時觀察十字路口交通狀況，當安裝有主動式RFID電子標簽的應急車輛進入識別區域時，遠程計算機可在2 s內給值班人員發報警信息，值班人員能夠根據需要改變紅綠燈狀態，為執行緊急任務的應急車輛開啟綠色通道。

6 結束語

　　本系統使用電感線圈檢測十字路口各車道的車流量，各檢測節點由無線模塊聯系起來，可減少饋線，減小工程的安裝量；提出一種動態時長和固定時長相結合的智能交通方案，兩種模式能相互切換，可望以較高效率疏通車流量；市電和太陽能相結合的供電模式，充分利用太陽能，減少資源的損耗；在人行道紅綠燈處設置三種不同頻率的信號音，提醒盲人紅綠燈狀況；設置非十字路口紅綠燈，當路口行人較多車輛較少時，動態調整紅綠燈時長，使交通控制更加人性化。通過嵌入式系統對十字路口進行遠程視頻監控，采用主動式RFID技術檢測經過紅綠燈的應急車輛，為其開啟綠色通道。

　　系統可實現平安交通、效率交通、民生交通和綠色交通，對實際交通系統建設有一定的參考價值。

　　參考文獻

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　　[8] 潘松，黃繼業.EDA技術使用教程——VHDL版[M].第5版.北京：科學出版社，2013.