李恒毅+趙歡+劉芳+李瑤
摘要:智能交通燈是智慧交通建設(shè)的重要方面,能夠有效緩解現(xiàn)代城市日益增大的交通壓力。該文通過(guò)對(duì)十字路口車流量的分析,提出了一種基于FPGA的智能流控交通燈的設(shè)計(jì)方案,能夠有效地提高十字路口的通行效率。
關(guān)鍵詞:FPGA;智能交通燈;智慧交通
中圖分類號(hào):TN317 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1009-3044(2016)04-0177-02
1 概述
當(dāng)今中國(guó)私家車的擁有量劇增,原有的交通指揮系統(tǒng)越來(lái)越顯得力不從心,其最大弊端在于指揮方式過(guò)于死板。在很多情況下,如果路口交通燈的控制時(shí)序一成不變,不但不能起到緩解交通壓力的作用,反而因雙向紅綠交通燈持續(xù)時(shí)間固定造成更嚴(yán)重的擁堵[1]。以生活中常見(jiàn)的十字路口為例,在遇到交通高峰期的時(shí)候,某一道路方向通行壓力很大,而另一方向線路車流量很小。如果不能夠靈活調(diào)整兩條線路的通行時(shí)間,那么就造成繁忙道路一側(cè)擁堵嚴(yán)重,而空閑道路一側(cè)白白浪費(fèi)通行時(shí)間資源。這種情況不但增加了車輛運(yùn)行的成本,而且也不利于建立節(jié)約型、環(huán)保型社會(huì)。如果能夠通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)兩個(gè)方向的車流量,并以分析結(jié)果為依據(jù)來(lái)控制路口交通燈的亮滅時(shí)間,將會(huì)給交通指揮帶來(lái)極大的便利,達(dá)到更加有效利用城市交通資源的目的[2]。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo),本文介紹了一種基于車流量監(jiān)測(cè)的智能交通燈的設(shè)計(jì)思路,希望能夠?yàn)椤爸腔劢煌ā钡慕ㄔO(shè)貢獻(xiàn)一份力量。
1 設(shè)計(jì)思路
本文所設(shè)計(jì)的智能交通燈控制系統(tǒng),是以普通十字路口為例(如圖1)。南北方向(a方向)交通燈為L(zhǎng)ED_a,東西方向(b方向)交通燈為L(zhǎng)ED_b。在人行道路口處安裝行人探測(cè)裝置[3],用于感知是否有行人試圖通過(guò)路口。并且在停車等待標(biāo)線30米處埋設(shè)地感線圈,用于檢測(cè)是否有車輛通過(guò),并統(tǒng)計(jì)車流量[4]。
根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo),智能交通燈控制系統(tǒng)分為兩種工作狀態(tài),即自動(dòng)工作狀態(tài)和人工干預(yù)狀態(tài),其中人工干預(yù)狀態(tài)優(yōu)先級(jí)較高。當(dāng)需要禁行或者人工控制某個(gè)方向的道路交通時(shí),可以通過(guò)遠(yuǎn)程或現(xiàn)場(chǎng)操作的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)控制。如果沒(méi)有存在人工干預(yù)的情況,系統(tǒng)則進(jìn)入自動(dòng)工作狀態(tài)[5]。
控制系統(tǒng)在自動(dòng)工作狀態(tài)下又分為五種工作模式:正常模式、優(yōu)先模式、限流模式、暢行模式、等待模式。所對(duì)應(yīng)的應(yīng)用場(chǎng)景如下:
①正常模式。如果交通情況較為正常,a、b兩個(gè)方向車流量相當(dāng),并且同時(shí)處于繁忙狀態(tài)或不繁忙狀態(tài),此時(shí)兩組交通燈按照正常預(yù)設(shè)時(shí)序工作。
②優(yōu)先模式與限流模式。假設(shè)當(dāng)a方向道路交通處于繁忙狀態(tài),而b方向道路交通處于不繁忙狀態(tài)時(shí)。a方向交通燈將進(jìn)入優(yōu)先模式,通行時(shí)間會(huì)適當(dāng)延長(zhǎng)用來(lái)保證車流較大方向的通行。而b方向則進(jìn)入限流模式,通行時(shí)間會(huì)相應(yīng)縮短。
③暢行模式與等待模式。假設(shè)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間統(tǒng)計(jì)a方向有車或行人通過(guò),而b方向沒(méi)有車輛或行人通過(guò)。那么LED_a將進(jìn)入暢行模式,保持綠燈長(zhǎng)亮;LED_b將進(jìn)入等待模式,保持紅燈長(zhǎng)亮。通過(guò)行人探測(cè)器和地感線圈,檢測(cè)兩個(gè)方向是否有車輛或行人試圖通過(guò)路口,以此作為工作模式切換的判斷條件。采用這種設(shè)計(jì)的目的在于避免某方向無(wú)車、無(wú)行人情況所占用的通行時(shí)間。
實(shí)際中應(yīng)用中需要根據(jù)車流狀況在四種工作模式之間自動(dòng)切換,從而達(dá)到靈活分配兩個(gè)方向通行時(shí)間的目的。系統(tǒng)基本控制流程如圖2所示。
在以上設(shè)計(jì)思路的基礎(chǔ)上,本文提出了一種基于FPGA平臺(tái)的控制系統(tǒng)架構(gòu)[6]。采用ALTERA公司CYCLONE IV系列的FPGA芯片,型號(hào)為EP4CE6F17C8。其功耗較低,而且引腳資源非常豐富便于系統(tǒng)今后的功能擴(kuò)展??刂葡到y(tǒng)的核心部分包括:分頻模塊、控制及計(jì)時(shí)模塊、取位模塊、譯碼模塊以及數(shù)碼管顯示掃描模塊。所需輸入信號(hào)包括全局時(shí)鐘clk、系統(tǒng)復(fù)位信號(hào)RSTn、地感線圈信號(hào)car_sig以及行人探測(cè)信號(hào)warn。各個(gè)模塊相互關(guān)聯(lián)之后,構(gòu)成了上述系統(tǒng)的基本運(yùn)行架構(gòu),如圖3所示。
分頻模塊將clk全局時(shí)鐘頻率轉(zhuǎn)化為頻率為1Hz的clk_1,供給控制及計(jì)時(shí)模塊,用于信號(hào)燈的倒計(jì)時(shí)以及車流量統(tǒng)計(jì)計(jì)時(shí);同時(shí)為數(shù)碼管顯示掃描模塊提供clk_2,以滿足數(shù)碼管動(dòng)態(tài)掃描所需要的時(shí)鐘頻率。
控制及計(jì)時(shí)模塊負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的核心控制功能。接收到clk_1時(shí)鐘后,模塊根據(jù)car_sig和warn的輸入信號(hào),控制模塊完成對(duì)車流計(jì)數(shù)、工作模式的轉(zhuǎn)換,并輸出內(nèi)部狀態(tài)機(jī)在每個(gè)時(shí)鐘沿下對(duì)應(yīng)的燈色編碼。然后計(jì)時(shí)模塊將當(dāng)前燈色剩余時(shí)間提供給取位模塊。
取位模塊得到計(jì)時(shí)模塊傳來(lái)的時(shí)間數(shù)據(jù),進(jìn)行取位操作,得出十位以及個(gè)位的數(shù)據(jù)傳給譯碼模塊。
譯碼模塊得到取位模塊時(shí)間數(shù)據(jù)后,進(jìn)行譯碼操作后,將譯碼數(shù)據(jù)傳給數(shù)碼管掃描顯示模塊。
數(shù)碼管掃描顯示模塊接收到譯碼數(shù)據(jù)后,在分頻模塊供給的clk_2時(shí)鐘上升沿的控制下輸出譯碼,逐個(gè)顯示在八段數(shù)碼管上。
在此構(gòu)架基礎(chǔ)上編寫(xiě)了相關(guān)程序,編譯成功后把程序文件進(jìn)行ModelSim仿真測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明,控制系統(tǒng)能夠自動(dòng)切換工作模式以適應(yīng)不同的交通狀況,倒計(jì)時(shí)顯示以及燈色轉(zhuǎn)換均正常工作,較好地完成了設(shè)計(jì)目標(biāo),如圖4。
參考文獻(xiàn):
[1] 蔡翠.我國(guó)智慧交通發(fā)展的現(xiàn)狀分析與建議[J].交通工程,2013(6):224-227.
[2] 李盛春,孔令江,劉慕仁,等.智能交通燈對(duì)交叉路口交通流的影響[J].物理學(xué)報(bào),2009(4): 2266-2270.
[3] 蘇松志,李紹滋,陳淑媛,等.行人檢測(cè)技術(shù)綜述[J].電子學(xué)報(bào),2012(4):814-820.
[4] 何志強(qiáng),羅飛,于峰崎,等. 基于地磁傳感器的車輛檢測(cè)算法[J].科學(xué)技術(shù)與工程,2014(15):203-206.
[5] 杜紅艷.基于PLC的智能交通燈控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化與儀器儀表, 2014(2):60-62.
[6] 張曉榮,李永紅.智能交通燈的設(shè)計(jì)及其 FPGA 的實(shí)現(xiàn)[J].傳感器世界,2013(12):27-30.