0 引言

　　随着城市机动车的不断增加，交通拥塞问题日益严重，各种红绿灯时长设置的合理与否对交通的影响起着决定性作用，成为制约通行效率的瓶颈之一[1-3]。现有的红绿灯控制系统主要为定时控制，这种固定各交通信号时间长度的方法不能适应车流的动态变化，通行效率相对较低。且执行紧急任务的应急车辆经过十字路口时，容易受到交通堵塞的影响。

　　从提高城市交通控制系统效率的角度出发，设计一种无线智能交通监控系统。本系统旨在实现平安交通、效率交通、民生交通和绿色交通。它采用电感线圈检测车辆，根据道路车流量变化自动调节红绿灯时间，实现最优控制。提出一种采用主动式无线射频识别（Radio Frequency Identification，RFID）技术检测应急车辆的方法；值班人员对十字路口进行视频监控，为有需求的应急车辆开绿灯，使其快速通过十字路口。设置盲人提醒音，用不同频率的信号音告知盲人红绿灯状态。采用压力传感器检测非十字路口人行道等候区的行人数量，根据行人数量动态调整其红绿灯时长。系统电源可在太阳能和市电间灵活切换，以节约用电。

1 系统结构

　　系统整体框架如图1所示，它以ARM9嵌入式处理器S3C2440为控制核心，十字路口部分，主要包括4个方向的车流量检测装置、人行道交通灯、车行道交通灯、数码管计时器及盲人提醒音，1个可远程操控的可旋转摄像头；非十字路口的人行道等候区，采用压力传感器、AD转换器及CPLD检测等候过马路的人数，根据行人数量动态调整非十字路口红绿灯时间。操作者还可通过网络远程视频监控十字路口交通状况，当安装有主动式RFID标签的应急车辆通过十字路口时，远程监控室的值班人员可及时发现，并根据需要改变红绿灯状态，为其开启绿色通道。

2 主控制器

　　交通监控系统的主控制器由S3C2440微处理器及其外围器件组成，其硬件框架如图2所示。S3C2440是三星公司生产的一款32位ARM9处理器，具有低功耗、高性能的特点，在工业嵌入式领域应用广泛[4]。它通过SPI接口连接nRF24L01+无线通信模块，采集各道路监测点测得的车流量；根据车流量统筹控制各车行道、人行道的红绿灯，用数码管显示红绿灯剩余时长，通过蜂鸣器模块发出不同频率的信号音以给盲人提醒交通灯状态。同时，S3C2440微处理器通过USB控制器接摄像头，用以太网控制器连接Internet，使得远程值班人员可通过摄像头观察十字路口的交通状况。

　　nRF24L01+是Nordic公司生产的一款单片无线收发器芯片，它工作在2.4 GHz全球免许可证的ISM（Industrial Scientific Medical，工业科学医疗）频段[5]。为了增加nRF24L01+的通信距离，无线模块在原设计上增加功率放大器和低噪声放大器。在发射部分通过功率放大器将nRF24L01+最大0 dBm的输出功率放大到+22 dBm左右，同时在接收部分使用低噪声放大器增加接收信号的强度。

　　系统采用太阳能和市电相结合的供电方式，在白天日照较强的情况下，太阳能板直接给系统供电；晚上或者阴雨天，系统则自动切换到市电。两种方式可相互切换，使得系统不掉电，正常工作。

2.1 视频监控器

　　本系统采用S3C2440微处理器与视频服务器软件MJPG-streamer实现嵌入式视频监控功能。微处理器将摄像头拍摄图像经压缩后通过UDP/IP协议传到远程监控终端，值班人员能在计算机上实时观察十字路口交通状况，还可以调整摄像头的参数，获得最佳的图像。

　　MJPG-streamer是一个轻量级的视频服务器软件，一个可以从单一输入组件获取图像并传输到多个输出组件的命令行应用程序[6]。该软件可应用在基于IP 协议的网络中，从网络摄像机中获取并传输JPEG 格式的图像到浏览器或者是一个安装TCPMP 播放器的Windows 移动设备。它来源于uvc_streamer，为在RAM和CPU上存在资源限制的嵌入式设备而设计的。MJPG-streamer兼容Linux-uvc的摄像机，可以直接生成JPEG数据，即使是运行OpenWRT Linux的嵌入式设备，也可以快速处理M-JPEG数据流[6]。图3是在远程计算机通过摄像头观察到的十字路口画面。

2.2 应急车辆检测装置

　　交通局可根据需求，给救护车、消防车或警车等应急车辆分配主动式RFID标签。主动式RFID标签本身具有内部电源供应器，拥有较长的读取距离和较大的记忆体容量，可以用来储存读取器所传送的一些附加信息。本系统选用菁扬科技公司生产的2.4 GHz双通道有源RFID读写器JY240DS，它采用高端的射频SoC芯片设计主控单元，融合先进的微功耗技术、防碰撞算法、无线电技术，采用双通道天线设计，高增益射频收发电路结构优化，抗干扰性强，可在线读写设置，可连续上电运行，无须人工参与，能够满足工业等恶劣使用环境的功能要求。选用全向天线，对目标进行远距离识别，最远读卡距离可以达到100 m以上。

　　当安装有电子标签的应急车辆进入读写器识别区域时，远程计算机监控终端会主动给值班人员报警，值班人员通过摄像头观察应急车辆所处道路的交通状况，决定是否有必要人为改变交通灯的状态，为应急车辆开启绿灯，使其以尽量快的速度通过十字路口。

3 十字路口红绿灯

3.1 车流量检测装置

　　国内外检测车辆的传感器主要有电感环、地磁、超声波和红外线等，各有特点。考虑到成本、精度、性能和抗干扰能力等因素，本系统采用基于电磁感应原理的电感环检测器[7]。如图4所示，在十字路口斑马线前及相距100 m远的路面下各安装一个电感环，当有车辆经过时，由于互感作用将在金属组成的车体内产生涡流。根据楞次定律，涡流的磁场要阻碍引起涡流的磁场的变化，即涡流的磁场对感应线圈磁场有去磁作用，使感应线圈的电感量变小。单片机对振荡电路的振荡频率进行检测，可计算其电感变化量，从而推断上方是否有车辆经过。

　　好的振荡波形有利于单片机测频，保持短期频率稳定可减少误判和纰漏的发生。因此，从工作频段、频率稳定性和振荡波形三方面考虑，采用电容三点式振荡电路。图4中的电感环与振荡电路中的电容和反相器74LS05A构成电容三点式振荡电路。整形电路的功能是把振荡电路产生的正弦信号整形成同频率的方波信号，以便于单片机测量。实现整形功能可直接由开环连接的反相放大器实现。

　　监测点的单片机将测得的数据通过无线模块发送给嵌入式系统，后者根据两个检测点的数据可计算出在100 m范围内有多少车辆等候通过红绿灯。

　3.2 红绿灯时长方案

　　红绿灯时长设置需要考虑的因素有：车流量、道路宽度、人流量和时间段等。非车辆高峰期，在各路红灯时检测等候区的车辆数，采用动态时长模式，以有效疏导车辆；在车辆高峰期，采用固定时长模式。

　　3.2.1 动态时长模式

　　普通中小型车平均长约4.5 m，大型车平均长约10 m，假设红绿灯等候区中小型车与大型车的比例是7:1，车间保持1 m的安全距离。经计算，100 m的单行道，可容下14辆中小型车和2辆大型车，共16辆车。设车辆经过红绿灯时，平均速度为10 km/h（即2.8 m/s）。以直行车道为例，设定绿灯时长为20 s，每辆车通过斑马线的平均时间约为2 s，20 s内可以疏通10辆车。设计从第11辆车开始，至第16辆车，每多1辆车红绿灯延迟2 s，同一路口各车道的平均车流量x与该路口绿灯增加时间y的关系满足代价函数(1)。

　　3.2.2 固定时长模式

　　上下班高峰期，各路口车流量和人流量通常都较大，交通信号灯宜采用固定时长模式，不同路口信号灯时长根据日常统计出的车流量多少而设定，不进行动态调整。

4 非十字路口红绿灯控制器

　　非十字路口红绿灯控制器的主要功能是检测等候过马路的行人数量，根据行人多少自动调节控制红绿灯。该控制器的结构如图5所示，压力传感器埋于斑马线侧行人等候区地下，其测得的压力值与等待过马路的人数是成正比的。压力传感器输出的微弱电信号经过电阻应变式电桥后，再由信号调理电路进行放大、去噪及电平移位等，变成适合模数转换器ADC0804识别的0~5 V模拟电压，由EPM7128SLC84-15控制ADC0804采集模数转换结果，根据结果估算行人数量，从而动态调整红绿灯的状态，为行人过马路提供方便。图5中的LED灯用于指示车行道及人行道的红绿灯状态，数码管则用于提醒车辆和行人红绿灯剩余时长。

　　EPM7128SLC84-15是Altera公司生产的一款MAX-7000S系列CPLD器件，可用门为2 500个，有8个逻辑阵列块、128个宏单元、60个可用I/O口，可单独配置为输入、输出及双向工作方式。EPM7128SLC84-15支持多种电压口，具有最小5 ns的引脚到引脚逻辑时延，并支持多种编程方式[8]。系统中EPM7128的程序用VHDL语言设计，由Altera公司的开发软件Quartus II进行编译、仿真、综合和下载。

5 实验结果

　　设计制作的无线智能交通监控系统实验模型如图6所示。经模拟实验测试，系统能够根据十字路口车流量自动调节红绿灯时长；根据等候过马路的人流量自动调节非十字路口红绿灯时长，以有效疏导交通；盲人信号音可向盲人传递红绿灯的状态信息。远程值班人员能通过摄像头实时观察十字路口交通状况，当安装有主动式RFID电子标签的应急车辆进入识别区域时，远程计算机可在2 s内给值班人员发报警信息，值班人员能够根据需要改变红绿灯状态，为执行紧急任务的应急车辆开启绿色通道。

6 结束语

　　本系统使用电感线圈检测十字路口各车道的车流量，各检测节点由无线模块联系起来，可减少馈线，减小工程的安装量；提出一种动态时长和固定时长相结合的智能交通方案，两种模式能相互切换，可望以较高效率疏通车流量；市电和太阳能相结合的供电模式，充分利用太阳能，减少资源的损耗；在人行道红绿灯处设置三种不同频率的信号音，提醒盲人红绿灯状况；设置非十字路口红绿灯，当路口行人较多车辆较少时，动态调整红绿灯时长，使交通控制更加人性化。通过嵌入式系统对十字路口进行远程视频监控，采用主动式RFID技术检测经过红绿灯的应急车辆，为其开启绿色通道。

　　系统可实现平安交通、效率交通、民生交通和绿色交通，对实际交通系统建设有一定的参考价值。

　参考文献

　　[1] 王国锋，宋鹏飞，张蕴灵.智能交通系统发展与展望[J].公路，2012，57(5)：217-222.

　　[2] 谢焜.智能交通系统组成及应用[C].四川省通信学会2013年学术年会论文集，2013.

　　[3] HU Y，WANG W，GU H，et al.Research on architecture ofintelligent transportation application system[C].Twelfth COTAInternational Conference of Transportation Professionals，Beijing，China，2012：837-844.

　　[4] 孙戈.基于S3C2440的嵌入式Linux开发实例[M].西安：西安电子科技大学出版社，2010.

　　[5] Nordic Semiconductor.nRF24L01+ Single Chip 2.4 GHz transceiver product specification v1.0[EB/OL].[2014-10-08].http：//www.nordicsemi.com/eng/content/download/2726/34069/file/nRF24L01P_Product_Specification_1_0.pdf.

　　[6] 肖儿良，毛海军，鞠军平，等.基于开源软件MJPG_Streamer的智能视频监控系统设计[J].微电子学与计算机，2013，30(6)：84-87.

　　[7] 陈巾越.PLC的智能交通系统[P].中国：201320385078.0，2014-01-29.

　　[8] 潘松，黄继业.EDA技术使用教程——VHDL版[M].第5版.北京：科学出版社，2013.