基于无线技术的智能交通灯模拟系统的设计与实现

孟广学 ,吴 静 ，赵竞雄

(华北科技学院 计算机学院，北京 东燕郊 101601)

基于无线技术的智能交通灯模拟系统的设计与实现

孟广学 ,吴 静 ，赵竞雄

(华北科技学院 计算机学院，北京 东燕郊 101601)

在使用低频压力检测卡实时采集交通路口各方向车流量数据的基础上，提出了一套自动交通灯比例时长智能交通控制方案，即根据车流量的实际情况，自动调节信号周期和红绿灯配时比例，以尽量减少道路交通路口的车辆滞留，实现交通灯的智能化控制；系统采用ZigBee和RFID相结合的无线控制技术，详细论述了系统的组网构成和四个单元主节点路口控制器的硬件与软件设计, 并对其中的关键技术进行了阐述。为解决路口拥堵、提高通行效率提供了一种有效的思路和方法。

交通灯模拟系统; ZigBee; RFID模块

0 引言

随着城市现代化进程的加快，城市交通系统所涉及的领域和范围越来越广，但是交通管理方式却显得力不从心，智能交通系统(ITS，Intelligen Trans DonaIion svsicm)在20世纪90年代的迅速崛起为世人所瞩目[1-3]，引入智能交通系统(ITS)成为提高城市交通管理水平的—个重要途径。

智能交通系统(ITS)就是以缓和道路堵塞和减少交通事故，提高交通利用者的方便、舒适为目的，利用交通信息系统、通讯网络、定位系统和智能化分析与选线的交通系统的总称[4-6]，是一个庞大而复杂的信息系统，本系统仅模拟其中的一小部分，即对交叉路口车流量的通行做了模拟研究，根据不同方向的车流量情况动态的调整十字路口的通行时间，避免一个方向车辆等待，另一方向空闲的情况出现，以最佳合理的时间调度保证在有限时间内通过的车辆最多，尽力解决路口交通拥堵问题。

1 总体设计部分

本模拟系统主要目标为在一定时间内，通过分别对系统内东西、南北方向运行的小车数量进行计数，从而达到模拟车流量计数的目的。中控平台分别完成对东西、南北方向的车流量进行统计之后，比对东西、南北方向车流量大小，进而通过调节东西、南北方向红绿灯时间来达到缓解由于不合理信号灯切换时间造成的交通拥堵。

本系统由智能小车部分、交通灯部分、LED点阵屏显示部分以及中控部分组成。系统架构图1所示：

图1 系统架构图

四个节点系统构成如图2所示，各个部分之间由ZigBee模块进行无线通信。由一个ZigBee协调器与四个ZigBee终端节点组成的无线传输网络[8]，启动其他系统模块之前最好先启动OK6410开发板与协调器节点，因为该ZigBee协调器节点负责整个无线网络的创建工作，没有创建网络，则其他模块不能入网。

图2 四个节点系统组成框图

针对本系统设计了一个简单的通信协议，协调器将包含数据信息的数据广播出去之后，每个终端节点均能接收到协调器所广播的数据，终端节点将接收到的协调器数据通过串口写入到各个模块所对应的核心主控单片机上，单片机接收到数据之后，根据自身特定的功能，解析相对应位置的数据，并将其数据作为参数设置到本模块中，动态调整本模块的数据。

当OK6410启动控制程序之后，系统进入自动调控模式，即每当小车经过RFID低频卡上方时，会发送检测到的低频卡卡号，并将卡号进行上传到协调器，协调器接收到之后利用串口写入到运行于OK6410开发板之上的应用程序，该程序读取卡号数据，并根据卡号数据判断该车属于东西方向还是南北方向行驶，并在一定时间周期内统计东西以及南北方向的车流量数据，最后将统计结果显示到OK6410界面上，并通过广播的方式设置到点阵屏动态显示。

交通灯的核心控制器会在每一次的红灯时间，以间隔两秒的速度向协调器发送红灯状态，协调器接收到交通灯的红灯状态之后通过广播的方式发送给本系统中的三辆小车。当小车检测到RFID低频卡时将停止两秒时间，并通过接收交通灯通过协调器所广播的红灯状态来判断该方向是否是红灯，如果是红灯，则再停止三秒时间等待，再判断，不是红灯状态则前行。

2 详细设计部分

本系统采用模块化的方式对各个部分进行设计，方便系统添加或裁减相应的功能模块。智能小车部分由RFID阅读模块、智能小车、ZigBee通信模块组成；交通控制部分由ZigBee模块、STC89C52RC单片机、交通灯模块组成；中控部分由ZigBee模块、OK6410开发板组成；LED点阵屏显示部分由ZigBee模块、STC12C5A60S2单片机、LED点阵屏模块组成。

2.1 中控单元部分

该部分由ZigBee模块、OK6410开发板组成。OK6410开发板与ZigBee模块通过串口2进行串口通信，波特率9600。控制程序能够完成根据检测到的车流量自动调节红绿黄灯时间，也可以直接通过控制面板中输入红绿黄灯时间并进行设置。

打开OK6410开发板，首先会运行本系统控制面板程序，之后按照默认串口参数配置，点击open按钮打开串口，该程序默认进入自动调节红绿黄灯时间状态，即在一定的时间间隔内统计东西，南北方向的车流量，并将统计之后的车流量结果显示在控制面板之上，并将结果发送到LED点阵屏动态显示。其次，也可在下面对应的red、green、yellow等位置输入相应的数据之后点击set按钮进行设置，点击设置按键之后，本程序将进入设置模式，即红绿黄灯状态不再根据统计结果进行动态调节，但控制面板以及点阵屏显示的车流量数据依然动态更新显示。如图3所示：

图3 中控面板

2.2 交通灯指示单元

交通灯指示单元采用89C52RC作为主控芯片，晶振频率为11.0592MHz，当一个方向为红灯时，89C52RC主控器以每两秒每次的速度向外发送0x3A，当另一个方向为红灯时，则发送0x3C来区分到底哪个方向是红灯。其次，89C52RC主控器也会从”A”字符开始接收字符串数据，当接收到”E”或者”D”字符时停止接收，并将接收到的红绿黄灯时间赋值给程序中相对应的红绿黄灯倒计时变量，完成红绿黄灯倒计时的动态调节工作。系统默认红绿黄灯时间如下所示：

交通灯与89C52RC主控器之间的 连接方式如下

两排五根线的杜邦线，两边的分别为VCC与GND，中间的三根线如上程序所示接口，交通灯指示效果图如图4所示：

图4 交通灯指示效果图

2.3 点阵屏显示单元

本系统所用点阵屏为32*64双色点阵屏，核心控制器为STC12C5A60S2芯片，且晶振频率为22.1184 MHz，采用5 V直流电源进行供电。LED点阵显示效果图如图5所示。

图5 LED点阵显示效果图

STC12C5A60S2核心控制器与点阵屏的连接方式和LED点阵屏接口定义方式如图6、7所示。

图6 STC12C5A60S2控制器与点阵屏的连接方式

图7 LED点阵屏接口定义方式

2.4 智能模拟车单元

设计的模拟车具有寻迹和避障功能，模拟车将根据道路中央的黑线进行前进，当前方左右两边中的任何一边检测到障碍物时，模拟车将停止等待，直到障碍物消失，将继续前进。

当模拟车经过RFID低频卡上之后，ZigBee模块检测到低频卡，将检测到的低频卡号发送到协调器节点，协调器节点接收到之后进行统计与显示。同时ZigBee模块将向STC89C52RC主控单片机发送0x3A或者0x3B来区分该模拟车现在行进在东西方向，还是南北方向。

模拟车底盘PCB板与STC89C52RC主控单片机开发板之间的连接方式如表1所示：

表1 模拟车底盘PCB板与STC89C52RC主控单片机开发板之间的连接方式

3 完成效果

如图8所示，是模拟系统效果图，两块信息显示屏分别交替实时显示东西、南北方向的动态车流量和一段时间的双方向的平均车流量。每道寻迹线在东西、南北方向分别设有低频采集卡，记录车辆的通过数量，并把信息传送到中控台，中控台根据接受的信息，对信号灯的通行时间进行一定的修改。模拟初始时我们设定双方向通行时间相同，让东西方向跑两辆车，南北方向跑一辆车，一段时间后，系统会根据车流量的变化情况，计算出双方向最佳的通行时间，减少了等待时间，提高了通行效率。

图8 模拟系统效果

4 结论

将低成本、低功耗的ZigBee无线传感技术和RFID射频技术应用于交通灯控制系统, 解决控制器和车辆检测器的通信问题, 减少了传统施工中敷设管道、破路、占道等问题。不但能够实现交通灯的自适应自动控制, 还提高了系统应用的灵活性, 同时也减少了交通灯控制系统现场布线带来的各种问题和城市道路改造带来的影响, 避免了传统安装方式对交通干扰所带来的经济损失。这些无疑对减少能源消耗和环境污染, 提高资源利用效率, 建设节约型社会起到极其有力的推动作用, 为城市交通灯的实时控制系统提供了一种崭新思路, 有一定借鉴和推广作用。 通过模拟实践表明:采用智能交通控制系统后, 针对当前道路交通流量过大，红绿灯周期分配不合理等问题，本文提出了一种基于无线传感器网络的智能交通系统，利用无线节点实现了车流量检测，并对红绿灯情况进行控制与优化，提升了道路的通信效率。但由于节点较少,实验条件有限, 其在整个城市的组网和协调统一管理方面有待进一步深入研究。

[1] 王翔,肖建力. 基于视频的交通参数检测综述[J]. 上海理工大学学报，2016(05) :479-485.

[2] 黎曦. 脉冲耦合神经网络在智能交通系统中的应用技术研究 [D]. 武汉：武汉大学. 2014.

[3] 汪忠信. 大数据背景下的智能交通系统应用与平台构建[J]. 数码世界，2016(03)：38-39.

[4] 刘新英,高玉雪. 基于单片机的交通灯控制系统设计[J]. 电子设计工程，2014(03)：174-177.

[5] 姚龙水,王永飞. 基于AT89C51单片机的交通灯控制系统设计[J]. 电子世界，2013(23)：17-19.

[6] 吴国文. 基于AT89C51单片机的交通灯控制系统设计与仿真[J]. 现代电子技术，2012(05)：144-147.

[7] 郭循钊,邝帆,邵平,许宏科. 基于单片机的多功能交通灯控制系统设计与仿真实现[J]. 公路交通技术，2010(01)：128-131.

[8] 王冬梅,张建秋,路敬祎. 基于单片机的交通灯控制系统设计与实现[J]. 佳木斯大学学报(自然科学版)，2009(01)：94-97.

[9] 韦绍波. 智能交通信号灯设计思路[J]. 广西民族学院学报(自然科学版)，1995(01)：78-82.

Design and Implementation of an Intelligent Traffic Control SystemBased on Wireless Techniques

MENG Guang-Xue， WU Jing ，ZHAO Jing-Xiong

(SchoolofComputerScience，NorthChinaInstituteofScienceandTechnology,Yanjiao，101601,China)

On the basis of real-time traffic volume data from low-frequency pressure detecting cards, the paper proposed an intelligent traffic control system scheme for automatic adjusting the time length of traffic lights. The designed control system could adjust the signal cycles and the time length ratio of traffic lights automatically based on real-time traffic volume, so that vehicles held up at traffic crossing could be reduced and the intelligent control for traffic lights could be realized. The designed control system used wireless control technique combining ZigBee with RFDI. In this paper, the networking configuration of the designed system and hardware and software design for traffic crossing controllers as well as some critical techniques among the designed system were described concretely. The designed traffic control system scheme provided an effective method for resolving the problems of traffic congestion and improving traffic efficiency.

Traffic lights Simulation System;ZigBee; RFDI Module

2017-01-02

中央高校基本科研业务费资助(3142015046)，河北省高等教育学会项目(GJXH2015-132)

孟广学(1964-)，男，内蒙古赤峰人，硕士，华北科技学院计算机学院高级工程师，研究方向：计算机网络及自动控制研究。E-mail：339521662@qq.com

TP274+.2

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1672-7169(2017)01-0065-05