秦威

【摘 要】隨著近年來社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城市擁堵問題日益明顯。在無法改變城市交通道路的前提下，提前預(yù)知道路擁堵情況成為目前城市交通急需解決的問題。文章提供一種能實(shí)時(shí)發(fā)布道路擁堵路況的解決方案——LED交通誘導(dǎo)屏，其由16塊P10雙色模組、主控器及視頻圖像解析系統(tǒng)組成，整個(gè)誘導(dǎo)屏以模組顯示紅、綠、黃三色方式實(shí)時(shí)呈現(xiàn)所指道路堵塞、暢通或者擁堵路況，從而達(dá)到讓駕駛員提前預(yù)知前行道路實(shí)時(shí)路況信息的目的。

【關(guān)鍵詞】擁堵;LED交通誘導(dǎo)屏;P10雙色模組

【中圖分類號(hào)】U495 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1674-0688（2019）07-0073-04

隨著生活水平日益提高，汽車成為人們出行的重要交通工具。但由于城市交通道路無法及時(shí)匹配汽車的增長(zhǎng)速度，導(dǎo)致城市擁堵成為目前城市交通急需解決的問題。目前，城市交通為緩解道路擁堵問題仍然采用人工疏導(dǎo)或現(xiàn)場(chǎng)增設(shè)紅綠燈的方式。這種方式不僅耗人耗力，而且本身也存在效率低且無實(shí)時(shí)性的局限性。而LED交通誘導(dǎo)屏技術(shù)恰好解決了這個(gè)難題，LED交通誘導(dǎo)屏不僅具有價(jià)格低廉、維修簡(jiǎn)單、易施工等特點(diǎn)，而且能讓駕駛?cè)藛T提前預(yù)知路段擁堵信息，幫助駕駛員重新規(guī)劃行駛路線，避開道路擁堵路段，很好地緩解了道路擁堵。因此，LED交通誘導(dǎo)屏特別適用于城市交通主干線中的路網(wǎng)密集路段，在未來智能交通領(lǐng)域也是重要組成部分。

1 總體設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)原則

LED交通誘導(dǎo)屏在設(shè)計(jì)過程中需嚴(yán)格遵循以下原則。

（1）經(jīng)濟(jì)適用。設(shè)計(jì)過程中應(yīng)堅(jiān)持低成本投入、高性能輸出原則，盡可能依靠現(xiàn)有成熟、可靠、低成本技術(shù)開發(fā)出適用于各類環(huán)境的高性能LED交通誘導(dǎo)屏。

（2）可靠穩(wěn)定。設(shè)計(jì)的產(chǎn)品屬于無人操控智能化類型產(chǎn)品，在設(shè)計(jì)過程中需考慮產(chǎn)品的可靠性及穩(wěn)定性。因此，在軟硬件部件選材上需嚴(yán)格篩選，盡量選用在各類惡劣天氣情況下能保持其穩(wěn)定性的產(chǎn)品。

（3）兼容并蓄。由于產(chǎn)品需要接入現(xiàn)有的城市交管系統(tǒng)，因此在設(shè)計(jì)前端需充分考慮產(chǎn)品軟件的兼容性問題，避免產(chǎn)品在接入過程中出現(xiàn)系統(tǒng)干擾問題。

1.2 設(shè)計(jì)思路

LED交通誘導(dǎo)屏設(shè)計(jì)思路：充分運(yùn)用當(dāng)前城市道路交管部門在各道路口設(shè)置的監(jiān)控?cái)z像頭，用于采集道路實(shí)時(shí)的車流量信息，然后將收集的車流量視頻信息傳遞給視頻圖像解析系統(tǒng)進(jìn)行視頻數(shù)據(jù)分析處理。視頻圖像解析系統(tǒng)通過視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行分析判定當(dāng)前路段實(shí)時(shí)暢通或者擁堵狀況，同時(shí)及時(shí)將判定分析數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆O(shè)置在道路前端LED交通誘導(dǎo)屏的主控制器內(nèi)，最后由主控器驅(qū)動(dòng)模組點(diǎn)亮。此時(shí)模組顯示的顏色即表示監(jiān)控路段實(shí)時(shí)的路口交通暢通或擁堵，從而達(dá)到提前預(yù)警駕駛員的作用。具體設(shè)計(jì)思路如圖1所示。

1.3 方案設(shè)計(jì)原理

本文介紹的LED交通誘導(dǎo)屏由16塊雙色（紅/綠）模組、主控器和視頻解析系統(tǒng)組成。LED交通誘導(dǎo)屏各部分的作用如下：16塊雙色（紅/綠）模組主要功能為顯示道路路況堵塞、暢通和擁堵信息;主控器主要用于根據(jù)對(duì)視頻解析系統(tǒng)傳遞過來的路況信息進(jìn)行響應(yīng)，從而驅(qū)動(dòng)不同方位的模組點(diǎn)亮;而視頻解析系統(tǒng)的作用為收集路段車流量信息并對(duì)視頻信息進(jìn)行解析判定，同時(shí)實(shí)時(shí)給出判定信息并及時(shí)將信息傳遞給主控器，從而讓主控器根據(jù)信息作出相應(yīng)響應(yīng)。具體工作原理如圖2所示。

1.4 方案設(shè)計(jì)

1.4.1 視頻圖像解析系統(tǒng)設(shè)計(jì)

視頻圖像解析系統(tǒng)依靠互聯(lián)網(wǎng)采集技術(shù)、視圖智能結(jié)構(gòu)化解析數(shù)據(jù)、混合云計(jì)算技術(shù)、視圖大數(shù)據(jù)聚類挖掘技術(shù)等，對(duì)原始視頻、圖像信息進(jìn)行內(nèi)容解析，將獲得的結(jié)構(gòu)化信息和其他感知數(shù)據(jù)（WiFi、RFID、GPS）相結(jié)合，提供一體化的視圖信息綜合服務(wù)。本文采用的視頻圖像解析系統(tǒng)兼容并遵循《GA/T 1399公安視頻圖像分析系統(tǒng)》和《GA/T 1400公安視頻圖像信息應(yīng)用系統(tǒng)》等標(biāo)準(zhǔn)，充分利用系統(tǒng)內(nèi)部的CPU+GPU協(xié)同計(jì)算能力，采用基于深度學(xué)習(xí)的視頻圖像處理技術(shù)，自動(dòng)采集、識(shí)別結(jié)構(gòu)化解析實(shí)時(shí)視頻信息，構(gòu)建以“車”為核心的車流量大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)體系。構(gòu)建的車流量大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)不僅能收集每日各時(shí)段經(jīng)過該路段的車流量信息，為城市智能交通管理應(yīng)用提供相應(yīng)數(shù)據(jù)，而且能為未來城市智能化建設(shè)提供依據(jù)。

本文采用的視頻圖像解析系統(tǒng)依托現(xiàn)有交管部門在各大道路口設(shè)置的監(jiān)控?cái)z像頭收集監(jiān)控路段的實(shí)時(shí)車流量信息，通過視頻圖像解析系統(tǒng)內(nèi)部的CPU+GPU協(xié)調(diào)計(jì)算能力，對(duì)實(shí)時(shí)車流量信息進(jìn)行數(shù)據(jù)建模及實(shí)時(shí)結(jié)構(gòu)化視頻解析。隨后視頻圖像解析系統(tǒng)將解析結(jié)果實(shí)時(shí)傳遞到LED交通誘導(dǎo)屏的主控器上，從而完成視頻數(shù)據(jù)采集、視頻圖像解析及數(shù)據(jù)信息傳遞過程。

1.4.2 主控器設(shè)計(jì)

本文介紹的LED交通誘導(dǎo)屏主控器采用同步控制卡控制方式達(dá)到實(shí)時(shí)控制P10模組顏色顯示。而異步控制卡運(yùn)用STM32F407VGT6芯片進(jìn)行響應(yīng)驅(qū)動(dòng)，該芯片是意法半導(dǎo)體公司自主開發(fā)的一種高性能微控制器，芯片采用90 nm的NVM工藝和ART（自使用實(shí)時(shí)存儲(chǔ)加速器）技術(shù)使得程序零等待執(zhí)行，大大提高了程序執(zhí)行的效率，將COrtext-M4的性能發(fā)揮到極致。自適應(yīng)實(shí)時(shí)加速器能夠完全釋放Cortex-M4內(nèi)核的性能;當(dāng)CPU工作于所有允許的頻率（≤168 MHz）時(shí)，在閃存中運(yùn)行的程序，可以達(dá)到相當(dāng)于零等待周期的性能。STM32F407 VGT6芯片的微控制器集成了單周期DSP指令和FPU（浮點(diǎn)單元），提升了計(jì)算能力。因此，將該芯片作為主控器的核心處理器能做到信息實(shí)時(shí)處理零等待的效果。

在LED交通誘導(dǎo)屏主控器設(shè)計(jì)上我們除了使用同步控制器外，還采用了最新的4 G傳輸模塊。采用4 G傳輸模塊的作用是方便管理人員隨時(shí)掌握遠(yuǎn)程監(jiān)控LED交通誘導(dǎo)屏及故障排除。

1.4.3 P10雙色模組設(shè)計(jì)

本文介紹的LED交通誘導(dǎo)屏采用P10雙色模組作為顯示模塊，整屏由16塊P10雙色模組組成且整體結(jié)構(gòu)采用類似“井”字形設(shè)計(jì)（整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以根據(jù)路段實(shí)際情況變更設(shè)計(jì)）。P10雙色模組設(shè)計(jì)采用顯驅(qū)合一的雙層線路板設(shè)計(jì)，以直插式346紅色發(fā)光二極管和直插式346綠色發(fā)光二極管為發(fā)光光源，且將一顆紅色發(fā)光二極管和一顆綠色發(fā)光二極管作為一組像素點(diǎn)。整個(gè)模組分辨率為32×12，每組像素點(diǎn)之間的間距為10 mm，驅(qū)動(dòng)方式為1/4掃恒壓驅(qū)動(dòng)，單模組結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)為320 mm×160 mm。模組硬件設(shè)計(jì)方面主要采用WS2801驅(qū)動(dòng)器和MOS管（規(guī)格型號(hào)為MOSFET-N/AO3400）配合使用。WS2801是一個(gè)恒定電流LED驅(qū)動(dòng)器，該驅(qū)動(dòng)主要運(yùn)用于LED顯示屏上，適用于接力串接的LED照明系統(tǒng)。WS2801驅(qū)動(dòng)器擁有3個(gè)獨(dú)立的輸出驅(qū)動(dòng)通道，每個(gè)通道均能實(shí)現(xiàn)獨(dú)立的256及PWM灰度控制，可在不改變LED發(fā)光色彩的條件下實(shí)現(xiàn)256級(jí)LED灰度控制，并能輸出高達(dá)200 mA的恒定LED驅(qū)動(dòng)電源，WS2801內(nèi)部包含串聯(lián)移位寄存器、數(shù)據(jù)鎖存器、輸出寄存器、帶隙基準(zhǔn)電壓源、內(nèi)部振蕩器和可編程恒定電流驅(qū)動(dòng)器。從SDI數(shù)據(jù)輸入的串行數(shù)據(jù)在CKI時(shí)鐘信號(hào)的上升沿被讀入芯片內(nèi)部的數(shù)據(jù)移位寄存器中，輸入的時(shí)鐘信號(hào)和LED灰度控制信號(hào)在芯片內(nèi)部經(jīng)過時(shí)鐘數(shù)據(jù)再生電路整形后在CKO和SDO端輸出，以使芯片能接力串接工作。當(dāng)POL=0時(shí)，輸出極性反轉(zhuǎn)。WS2801工作類似一個(gè)PWM控制器，能夠驅(qū)動(dòng)外接開關(guān)或者電路驅(qū)動(dòng)高亮度的LED，并實(shí)現(xiàn)大功率LED的256級(jí)灰度控制。WS2801的2-線傳輸控制方法由世芯微電子專門為可級(jí)聯(lián)的LED照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)，具有速度快、可靠性高、灰度數(shù)據(jù)同步刷新等特點(diǎn)，能夠最大限度地降低系統(tǒng)成本，非常適合用于低成本的LED照明系統(tǒng)。具體模組驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)原理如圖3所示。

由于LED交通誘導(dǎo)屏基本使用在戶外的交通道路口，常年受到風(fēng)吹雨淋，因此對(duì)所需模組防護(hù)等級(jí)要求較高?？紤]LED交通誘導(dǎo)屏所使用的環(huán)境要求，本文將設(shè)計(jì)的P10雙色模組定型為戶外型模組，防護(hù)等級(jí)為IP65級(jí)別。因此，在生產(chǎn)工藝方面采取常規(guī)安全的模組灌膠技術(shù)，使用歐普特315A/B膠進(jìn)行單模組灌膠處理;在模組線路板背面噴涂三防漆（防潮、防霉、防鹽霧），確保了LED交通誘導(dǎo)屏達(dá)到IP65的防護(hù)等級(jí)。而在單模組結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，塑框底殼、面罩采用阻燃型材料，該類材料具有低反光和高散熱效果;緊固螺釘全部采用不銹鋼螺釘，杜絕在后期使用過程中出現(xiàn)螺釘生銹情況;因此采用以上材料能讓模組更好地適用在各類高溫高濕惡劣環(huán)境。P10雙色模組實(shí)物如圖4所示。

1.4.4 LED交通誘導(dǎo)屏箱體設(shè)計(jì)

本文介紹的LED交通誘導(dǎo)屏箱體采用雙門獨(dú)立單元門設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)尺寸為2 200 mm×1 500 mm，不僅有防雨、防塵、抗震、防靜電能力，而且具有防腐蝕、防震、抗風(fēng)能力優(yōu)點(diǎn)。箱體材料選用優(yōu)質(zhì)鐵質(zhì)材料，在箱體表面處理過程中要求對(duì)其進(jìn)行熱浸鋅處理和噴涂保護(hù)漆處理，從而讓箱體表面形成保護(hù)膜，達(dá)到防鹽霧、抗腐蝕效果。對(duì)于防雷措施方面，在箱體設(shè)計(jì)上不僅在箱體內(nèi)部的主控器安裝了浪涌保護(hù)器，而且在箱體表面上通過專用接地端子連接到已預(yù)留的接地極，接地電阻小于10 Ω。

由于整個(gè)LED交通誘導(dǎo)屏功耗較大，因此整個(gè)系統(tǒng)需要一個(gè)良好的散熱方案。針對(duì)箱體散熱問題，我們?cè)O(shè)計(jì)在箱體下部裝有兩臺(tái)大型風(fēng)機(jī)，向箱體底部排風(fēng)，加大箱體內(nèi)空氣的流動(dòng)速度，實(shí)現(xiàn)有效的通風(fēng)、散熱，并且在進(jìn)氣口處加裝呼吸器，保證在良好的散熱情況下起到防塵、防水的作用。與此同時(shí)，我們還在箱體內(nèi)部的主控器上安裝溫濕度監(jiān)控器，監(jiān)控器的溫濕度傳感器連接到箱內(nèi)各個(gè)模組部分并隨時(shí)監(jiān)控箱體內(nèi)各部位溫濕度狀態(tài)。當(dāng)箱體內(nèi)部因長(zhǎng)期運(yùn)行導(dǎo)致升溫較大或遇回南天天氣濕度較大時(shí)，傳感器會(huì)將監(jiān)控信息傳遞給主控器上的溫濕度監(jiān)控器，然后溫濕度監(jiān)控器回將信號(hào)反饋到主控器，最后主控器會(huì)控制系統(tǒng)開啟風(fēng)扇從而達(dá)到降溫降濕效果。當(dāng)環(huán)境溫度達(dá)到設(shè)定值或遇到其他特殊情況時(shí)，溫濕度監(jiān)控器會(huì)立即將相應(yīng)信息傳遞給主控器，此時(shí)主控器會(huì)及時(shí)自動(dòng)切斷LED交通誘導(dǎo)屏的電源及通過主控器的4G模塊發(fā)出預(yù)警信號(hào)并傳遞給管理人員，從而方便LED交通誘導(dǎo)屏的故障排除。圖5是LED交通誘導(dǎo)屏箱體的組裝圖，圖6是LED交通誘導(dǎo)屏箱體的連線圖。

2 實(shí)踐應(yīng)用

圖7為L(zhǎng)ED交通誘導(dǎo)屏在廣西壯族自治區(qū)桂林市城區(qū)某段路段上應(yīng)用實(shí)際效果場(chǎng)景。圖中LED交通誘導(dǎo)屏指示的路線起始端為解放橋，東西走向的路段分別為芳香路、七星路及龍隱路，南北走向的路段分別為穿山路、普陀路及東二環(huán)路。由于該LED交通誘導(dǎo)屏在以上路段顯示的顏色都為綠色，因此表示以上路段實(shí)時(shí)交通路況都為暢通可繼續(xù)駕車向行駛。

3 結(jié)語

隨著科技的不斷發(fā)展，智能化城市交通建設(shè)必然是建設(shè)智慧型城市不可或缺的一環(huán)。本文根據(jù)現(xiàn)有的城市道路監(jiān)控設(shè)備與LED顯示屏技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計(jì)一款LED交通誘導(dǎo)屏產(chǎn)品，及時(shí)反映各個(gè)路段實(shí)時(shí)道路情況。這不僅能讓駕駛員提前預(yù)知道路實(shí)時(shí)擁堵情況，避免加劇道路擁堵，在一定程度上緩解了城市道路擁堵問題，而且有效地促進(jìn)了城市交通科技的智能化發(fā)展。因此，相信在未來智慧型城市交通發(fā)展道路上，類似LED交通誘導(dǎo)屏的產(chǎn)品必然得到廣泛推廣與應(yīng)用，并且在智能化城市交通建設(shè)嶄露頭角，造福于人民。? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?參 考 文 獻(xiàn)

[1]田雁，曹劍中，許朝暉，等.基于VHDL技術(shù)實(shí)現(xiàn)視頻采集處理器的控制[J].光子學(xué)報(bào)，2006，35（8）：1276-1279.

[2]張飆，徐和飛，張玉，等.LED光帶型交通誘導(dǎo)屏的設(shè)計(jì)[J].液晶與現(xiàn)實(shí)，2009，24（1）：103-109.

[3]任蓉，呂強(qiáng).基于ARM的LED屏顯示控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代物業(yè)（上旬刊），2012（3）：42-44.

[責(zé)任編輯：鐘聲賢]