基于单片机的区域交通信号控制系统

摘要：介绍了一种基于单片机的区域交通信号控制系统设计方案，阐述了系统的工作原理及各主要模块的软硬件实现方法。系统能够根据车流量信号动态地改变交通信号灯各状态配时，并通过无线通信技术，有效地解决了特定区域内各路口信号机之间数据的传输，实现了区域交通信号的智能控制。该系统抗干扰能力强，可靠性高，使用非常方便。
关键词：单片机；区域交通控制；nRF905；无线通信

    由于目前各种公共汽车、私家车数量的与日俱增，给城市居民行车安全以及道路交通的指挥管理带来很大压力，城市的交通拥挤问题逐渐引起人们的注意，人、车、路三者关系协调，已成为交通管理部门所面临重要问题。
    交叉路口是城市道路网络的基本节点，也是道路网络交通流的瓶颈。目前，大部分无控制交叉口都存在高峰小时车流混乱、车速缓慢、延误情况严重、事故多发、通行能力和服务水平低下等问题。特别是随着城市车流量的快速增长，城市无控制道路交叉口的交通压力越来越大。因此，做好交叉口信号控制系统设计是缓解交通阻塞、提高城市道路交叉口车辆通行效率的有效方法。
    道路交通系统是一个具有随机性、模糊性和不确定性的复杂系统，建立数学模型非常困难，有时甚至无法用现有的数学方法加以描述。对于这种高随机性的系统，时间固定和简单划分时间段的方法都不能很灵活地控制交通灯，而且难以实现区域性协调控制，这使得城市车流的调节不能达到最优。目前绝大部分交通灯的时间分配都是预先设定好的，不管是车流高峰还是低谷，红绿灯的时间都固定不变的；还有一些交通灯能根据简单划分的时间段来调整时间。虽然有许多前人研究出富有成效的成果，但是实际应用的毕竟是少数，交通拥堵状况仍然形势严峻。
    文中设计了一个能对某特定区域内多个路口交通信号灯进行控制的系统，并采用无线通信技术连接各路口控制单元。

1 系统结构及工作原理
1．1 系统总体结构
    区域交通控制是指路口不太多、各路口间距离不太远的某个特定范围内的几个路口交通灯的联合控制。在此，假定某区域内路口数量为3～5个，各个路口间距离为800 m左右。系统总体结构框图如图1所示，为了达到预期的设计目的，需要完成的任务主要包括车辆检测接口、时钟模块、键盘和显示模块、继电器及其接口、无线通信模块以及与上位机通信的串行接口模块的软、硬件设计。

1．2 系统工作原理
    区域交通信号控制系统管理模式就是集中管理和控制，充分利用现有通信和控制技术，按实际交通现状先进行单个交叉路口控制，使系统能够根据输入车流量信号动态调节红绿灯点亮时间，然后考虑主干线协调控制，通过无线通信共享区域内各个路口的车流量状态，以实现多路口集中控制，最终实现区域性协调控制。

    如图2所示，各交叉路口均有一个控制单元，其作用有3个：1)采集道路状态检测系统提供的车流量信号；2)控制该路口交通灯的亮灭；3)通过无线传输模块发送该路口车流量信号。另外，其中一个路口控制单元作为主机，用来接收其他各路口发送的车流量信号，并根据此信号决定各路口交通灯的控制策略，并由无线通信模块发送给其他各路口控制单元。因此，整个系统采用多路口集中控制，通过无线通信连接主机和各路口从机，以实现所谓的区域性协调控制。

2 系统硬件设计
2．1 车流量信号接口
    目前车流量检测方法量有多种，例如电磁感应法、超声波检测法，还有基于机器视觉的检测方法等。超声波检测精度不高，容易受车辆遮挡和行人的影响，检测的距离短；电磁感应线圈检测精度高，但要求敷设于路面土木结构中，对路面有损坏，施工和安装不便。文中假设是使用计算机视觉的方法检测车流量，于控制器设置8位数字信号输入端口或模拟信号输入端口。
2．2 无线通信模块
    由多路口联合控制的特点可知，采用铺设通信线缆进行数据通信的方法是不可行的，不但施工不便，而且通信效率低，抗干扰性差。因此采用无线通信方式，不仅能克服以上缺点，而且便于增加和减少路口的数目。通过比较常用无线收发芯片主要参数，综合考虑其无线传输性能之后，文中采用nRF905射频模块建立无线通信网络。
    采用通用的单片机STC89C52RC作为主控芯片，nRF905作为无线收发模块，利用单片机模拟SPI口实现双向通讯，SPI支持高速数据传输，从而满足了射频带宽的要求。nRF905与单片机STC89C52RC的连接方式如图3所示。

    实验阶段使用无增益的PCB天线，射频模块设置为最大功率输出时，通信距离可达100 m左右，实际应用时可采用带有增益的天线，无线通信距离能够大大提高，最高可达1 km以上，足以满足本课题的需要。
2．3 显示模块
    如图4所示，采用字符液晶显示器1602作为人机接口，通过1602液晶以及按键，我们可以方便地对控制器控制参数进行设定和修改，如实时时钟设定，路口设定，交通信号灯延时时间设定等。

2．4 时钟模块
    协调控制的主要目的是实现干线上的绿波控制，减少延误时间。利用相邻路口之间的相位差，让通行车辆尽量遇到较多的绿灯。与单个交叉口控制不同，协调控制要求各路口控制器在相同的时下运行，并且执行完全相同的信号周期。
     时钟模块采用芯片DS1302，它是美国DALLAS公司推出的实时时钟芯片，具有功耗低、采用串行通信方式等优点。DS1302为系统提供精准时钟，在接收和发送数据的同时记下当前的时间，从而实现系统的实时性控制。

3 系统软件设计
3．1 相位设计
    相位设计对信号系统起着重大作用，尤其是左转相位。左转相位使用保护许可型左转相位，因为许可型左转相位可以减少交叉口的延误，但可能会影响交叉口的安全；保护型左转相位能够减少左转车辆的延误，但可能会增加整个交叉口的延误。
    左转机动车是交叉口信号控制的难点，也是信号控制非常重要的设计对象。其他相位也是如此，尽量考虑到效率与安全的统一。
3．2 相序设计
    通过设计控制环来描述一系列冲突相位启动顺序，控制环可以是单环控制、双环控制或多环控制。下面以双环控制单元为例说明控制环的设计方法。

    如图5所示，在隔离线两侧，两个控制环之间的相位选择应注意以下两点：
    1)同一控制环上的相位是相互冲突的；
    2)隔离线同侧的不同控制环上的相位可同时运行。
3．3 无线模块软件设计
    无线通信模块软件设计重点在于nRF905的寄存器配置，单片机通过SPI通信读、写nRF905的内部寄存器，完成控制命令的传送以及有效数据的读写。实验阶段对nRF905寄存器的配置如下：
    uchar idata RFConfig[10]=
    {
    0x4c，／*频率配置频段在430 MHz*／
    0x0c，／*不重发，节电为正常模式，输出功率为最大*／
    0x44，／*地址宽度设置*／
    0x10，0x10，／*接收发送有效数据长度*／
    0xe7，0xe7，0xe7，0xe7，／*接收地址*／
    0x58／*8位CRC校验，CRC充许，16 M晶振，关闭外部输出时钟信号使能*／
    }；
3．4 主程序流程
    系统上电后首先要进行一系列参数设置，如实时时钟、交通灯配时等，以适合当前路口路况。系统主程序流程如图6所示。

4 结束语
    实验表明，文中介绍的基于单片机的区域交通信号控制系统不仅稳定可靠、使用方便，而且功耗低、便于升级和功能扩展，能够满足大多数交通信号灯的控制要求，对提高城市道路交叉口车辆通行效率以及减少交通事故都有着深远的意义。