基于光电监测及无线网络的无线交通监测控制系统

文/何剑明 陈佳怡

1 无线传感器网络概述

由大量廉价的微型传感器节点构成了无线传感器网络，并且通过无线通信的方式组成了一个多条自组织的无线分布系统，其主要作用是将网络覆盖区域中的感知对象信息发送至数据中心，无线传感器网络的三大要素包括感知对象、传感器以及观察者，涉及的领域较广，包括传感器、芯片制造、嵌入式计算、计算机网络以及软件技术等，属于多种学科交叉的研究领域，发展过程如图1所示。

无线传感器网络主要包括了节点约束、节点角色以及节点功能需求等方面。其中无线传感器的节点通常分为三类，包括中继节点、感知节点以及汇聚节点等，在不同的监测区都存在大量的感知节点，以自组织的方式形成多条通信网，通过中继节点逐条进行传输，在传输期间也同样可以被其他节点使用，通过多条传输后的数据监测达到汇聚点。在对无线传输的网络节点进行设计期间，往往会考虑到便携性、低成本以及低能耗，这能够让传感器的处理能力、存储能力以及通信能力非常弱，这种能量的供给仅来自于携带的电池，除了需要信息的感知和处理之外，更需要对信息进行存储和融合处理，与其他节点共同完成协作任务。无线传感器网络节点功能需求如图2所示。

无线传感器网络节点绝非仅仅只是在单独某一项功能，在实际生活中需要根据具体情况，结合低能耗、低成本的原则，使得无线网络节点能够承担不同的角色任务。

2 系统设计原理

交通流量具有非线性以及时变性等诸多特点，更是具有较大的随机性，在建立精确的数学模型时具有较高的难度，基于这种情况，该系统设计了一种根据汽车流量，决定信号灯配时的控制系统。其内容主要包括以下几方面：

（1）信号灯的亮、灭可以通过控制器用手动或者自动的方式控制，在采用手动模式时，能够对交通信号灯的放行以及停止时间进行设定，而在自动模式下时，能够根据车流量的大小和具体交通情况（例如上下班高峰期），对交通信号灯的放行、停止时间进行有效控制。

（2）通过这种控制器能够对车辆的流量起到良好的控制和记录。

（3）若是遇到特殊车辆通过，能够在第一时间指挥特殊车辆优先通过。

3 无线交通监测控制系统达成目标的过程

3.1 设计后信号灯的功能

交通灯管理系统除了让现阶段交通灯系统的基本功能充分发挥效果，还额外增加了以下几个方面的功能：

（1）因为车辆在车道放行通过的时间是有限制的，以至于在主车道的路口容易出现拥堵的情况，从而导致车辆不能在限定的时间内通过，因此其可以在车辆具体通行数量和不同时段的基础上自动调节交通信号灯绿灯（放行）或者红灯（停止）的时间；

（2）一旦发生紧急交通情况则要进行手动控制，从而使系统的可控性和安全性提高；

（3）可以判断车辆故障，并且如果某个车道出现事故车辆，信号灯也可以提醒后面行驶的车辆变道，从而让道路更加畅通。

3.2 选择科学合理的方案

单片机方案：单片机是一种集成电路芯片，其主控芯片主要使用TI公司的MSP430F5529。MSP430F5529作为混合信号微控制器，其功耗低，操作简单方便，同时配置集成的USB层及物理层支持USB2.0，1台性能较高的12位模拟数字转换器，4台16位定时器，2个通用串行通信接口，此外还包含了硬件乘法器、DMA、实时时钟模块和报警功能和63 I/O口线，这样使得其特征能够更为明显的体现出来。

无线通信芯片方案：其无线通信芯片主要使用TI公司的CC2630。CC2630是一种无线MCU，其主要是针对ZigBee和6LoWPAN的应用，这个组件是CC26xx系列中的效果好、经济实惠、低功耗2.4GHz RF组件。其具备功率非常低的有源RF和MVU电流，同时也正因为其功率消耗低，使得电池使用寿命有效增加，此外，在能源采集型应用中，小型纽扣电池也可以被有效使用，在工作模式处于发射状态的情况下，并且当发射功率处于0dBm的时候，其电流消耗为5.9mA,当工作处于接受模式时，其电流消耗为6.1mA。从无线通信芯片低功率消耗特性可以证明，在ZigBee和6LoWPAN网络中，能量采集终端节点以及电池供电的最佳选择就是CC2630。

车辆检测方案：红外检测技术是车辆监测方案所应用的最主要的方案。首先把红外传感器镶嵌进道路的表面，同时在红外传感器上面安装钢化玻璃板对其进行保护。再借助红外线感应的原理进行监控，一旦车辆在设有红外传感器的路面经过或者经停时，红外传感器便会被触发，其电平也随之发生变化，从而进行车辆通行的判断。

3.3 无线交通监测控制系统的工作流程

首先由红外传感器对车辆通行情况进行监测，之后将实际的交通情况通过无线通信发送到主机，当主机记录并整合每一个时刻的车辆流经信息后，再分析最近一次红绿灯交替时每个路口的路况，从而控制接下来红绿灯的交替时间，从而让自动调整交通的目标得以落实。此外，要懂得在交通拥堵时合理使用特殊的信号灯为远方车辆进行指示，使其能够及时进行变道行驶，进而预防发生更严重的交通拥堵状况。若遇到紧急特殊的交通情况，如120、110、119等救急车辆所发出的警报，就要及时将该车辆行驶方向的信号灯手动强制更换为绿灯，使得救急车辆在通行时尽量不受到任何影响。

图1：无线传感器网络技术发展

图2：无线传感器网络节点内部功能结构

4 分析整合测试的结果

从测试结果可以看出，本文的设计让无线交通监测控制系统增加了一些有效功能，首先控制器对信号灯的亮灭以及智能指挥可以手动和自动随时切换，自动控制时可以根据车辆的具体交通情况和不同时段来使得交通信号灯绿灯和红灯的交替时间自动调节，手动控制时可以根据实际状况自由设置交通信号灯绿灯和红灯的交替时间。其次当紧急车辆经过时，可以及时指挥紧急车辆优先通过。此外，控制器还可以统计路口车辆的流量，当某个路口发生交通事故或造成交通拥堵的时候，可以及时指示车辆变道通行。最后，其还具备记忆路况的功能，可以根据具体车辆的通行情况自动调整交通信号灯红灯和绿灯交替的时间。

5 结束语

总结而言，在现阶段包括未来的交通管控过程中，科学技术的发展只会要求交通信号灯的技术水平不断提高，经过对交通信号灯控制电路的设计，可以采用通用化和模块化来使得无线交通控制系统更加智能，使得其紧跟时代发展的脚步，逐渐创新升级，从而让交通更加便利。