基于CAN總線的紅綠燈動態(tài)調(diào)整系統(tǒng)

???? 國內(nèi)紅綠燈交通控制系統(tǒng)中紅綠燈切換時間廣泛采用固定或者分時段變化的時間間隔，或者由交通指揮中心根據(jù)交通狀況調(diào)整時間間隔，不能夠根據(jù)實(shí)際的交通狀況進(jìn)行動態(tài)切換，也不能夠根據(jù)道路狀況預(yù)先干預(yù)，防止交通惡化。在極端情況下，可能會出現(xiàn)有車的方向紅燈禁行，沒車的方向綠燈通行的現(xiàn)象。這種方式低效、嚴(yán)重依賴于交管部門的工作效率，且一般只能在交通惡化后才可能介入，不能提前預(yù)防。為此本文提出了一種基于CAN總線的紅綠燈動態(tài)調(diào)整系統(tǒng)，它能夠根據(jù)實(shí)際交通狀況實(shí)時調(diào)整紅綠燈時間，可以降低道路擁堵幾率，保障交通暢通。

1 總體設(shè)計方案
??? 總體設(shè)計方案如圖1所示。圖1(a)為每個路口的紅綠燈控制器，其中環(huán)形線圈和紅綠燈之間的虛線表示兩者之問的聯(lián)動關(guān)系。圖1(b)為系統(tǒng)框圖。每個路口的紅綠燈控制器通過CAN總線連接到控制中心。一般情況下，4個環(huán)形線圈車輛檢測器分別安裝在十字路口的四個方向，當(dāng)有車輛經(jīng)過環(huán)形線圈車輛檢測器時，產(chǎn)生高電平信號，該信號饋送至控制器?？刂破鲗υ?a target="_blank">信息進(jìn)行計數(shù)、處理，并實(shí)時控制紅綠燈切換的時間，將道路調(diào)整到最佳通行狀態(tài)；同時控制器通過CAN總線將計算得到的相關(guān)數(shù)據(jù)傳送至控制中心及相關(guān)部門?？刂浦行目筛鶕?jù)具體情況向社會公布，同時也可以向控制器發(fā)送指令，進(jìn)行遠(yuǎn)程人工干預(yù)。該系統(tǒng)具有實(shí)時性高、客觀、準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)，同時也可以降低交管部門的勞動強(qiáng)度。

2 基于CAN總線紅綠燈動態(tài)調(diào)整系統(tǒng)的硬件設(shè)計
??? 系統(tǒng)硬件由環(huán)形線圈車輛檢測器、控制器和CAN收發(fā)模塊組成。其中環(huán)形線圈車輛檢測器可以采用目前國內(nèi)部分路段已經(jīng)埋設(shè)的產(chǎn)品，這樣可以降低資金的投入。
2．1 控制器設(shè)計
??? 控制器采用ST公司的STR710作為中央處理單元。STR710具有14個外部中斷輸入，256 KB程序FLASH存儲器，64 KB內(nèi)部RAM，5個定時器，比較適合處理有多個外部中斷源需要處理的場合?？刂破麟娐房驁D如圖3所示。P2．5通過光耦連接到MAX485的DI端，控制紅綠燈的轉(zhuǎn)換；P2．4通過光耦連接到MAX485的DE端，使能MAX485發(fā)送功能。

2．2 CAN收發(fā)模塊設(shè)計
??? CAN收發(fā)模塊由CAN總線收發(fā)器SN65VD230D和DB9組成，如圖3所示。
??? 圖3中R4為終端電阻；R1，R2為上拉電阻；R3為下拉電阻。

3 基于環(huán)形線圈的路況信息采集系統(tǒng)的軟件設(shè)計
3．1 算法原理
??? 設(shè)t0為起始時間，檢測器以時間T為周期檢測時間段Si中的車輛的流量Q(Si)和道路占有率C(Si)。其中：
???
式中：tHold(Si)為1個周期中車輛處于線圈上的時間。
??? 定義流量相對增量，占有率相對增量。在實(shí)際使用時，如圖4所示同時在道路的上游A和下游B安裝檢測器。定義上下游平均占有率絕對差，上下游平均占有率相對差。上下游檢測器之間的路段發(fā)生交通擁擠的必要條件是：
??? (1)若上游的檢測器A檢測出的流量的相對增量小于占有率的相對增量，則認(rèn)為下游路段在本周期或下幾個周期內(nèi)有可能發(fā)生交通擁擠。
??? (2)在條件(1)基礎(chǔ)上，上游與下游檢測器的車輛平均占有率絕對差大于某一閾值α，上游與下游檢測器的平均占有率相對差大于某一閾值β時，判定有交通擁擠事件發(fā)生。其中：α，β和道路的實(shí)際設(shè)計容量有關(guān)。
??? (3)若上游與下游檢測器的車輛平均占有率絕對差小于或等于某一閾值α，上游與下游檢測器的平均占有率相對差大于某一閾值β時，判定交通擁擠處于消散過程。

3．2 控制器軟件設(shè)計
??? 控制器軟件由主程序、中斷處理、數(shù)據(jù)上傳、擁堵判定、命令處理和紅綠燈控制模塊組成。
3．2．1 主程序
??? 主程序根據(jù)中斷程序返回的狀態(tài)循環(huán)調(diào)用命令處理、交通狀態(tài)判定和紅綠燈控制模塊，并定時調(diào)用數(shù)據(jù)上傳模塊。其流程圖見圖5。

3．2．2 交通狀態(tài)判定
??? 交通狀態(tài)的判定方法在第3．1節(jié)算法原理中已經(jīng)闡述，這里不再贅述。在該模塊中，系統(tǒng)若發(fā)現(xiàn)單位時間中通過不同方向的汽車相差較多或下游有發(fā)生擁堵的可能時，自動修改紅綠燈間隔，由紅綠燈控制模塊調(diào)用。
3．2．3 中斷處理
??? 系統(tǒng)將環(huán)形線圈振蕩器所連接的STR7lO的4個外部中斷設(shè)置為FIQ，以降低中斷反應(yīng)時間。在車輛通過時，中斷子程序計數(shù)后退出，主要的計算在擁堵判定中完成，以提高系統(tǒng)響應(yīng)速度。系統(tǒng)以中斷方式接收控制中心的命令，在接收到命令時，只將命令轉(zhuǎn)存后退出，進(jìn)一步的處理由命令處理程序執(zhí)行。由于STR710的CAN控制器只有AMR，沒有ACR，因此，STR710在接收到數(shù)據(jù)后需要根據(jù)ID判斷是否是發(fā)給自己的，只有在AMR和ID相同時，才開始接收命令。
3．2．4 數(shù)據(jù)上傳
??? 程序先將數(shù)據(jù)打包成CAN幀格式，再寫入緩沖區(qū)，由硬件自動發(fā)送出去。
3．2．5 命令處理
??? 系統(tǒng)根據(jù)中斷處理程序設(shè)置的標(biāo)記，對時間間隔緩沖區(qū)進(jìn)行刷新。由紅綠燈控制模塊執(zhí)行調(diào)整。
3．2．6 紅綠燈控制
??? 紅綠燈控制模塊框圖見圖6。該模塊根據(jù)命令處理或擁堵判定所做的標(biāo)記，執(zhí)行調(diào)整紅綠燈間隔時間。

4 結(jié)語
??? 根據(jù)交通擁擠和消散過程的特征，給出了利用微機(jī)技術(shù)自動判定道路交通狀況的算法，并試圖在此基礎(chǔ)上實(shí)時地控制紅綠燈的變換周期，實(shí)現(xiàn)在無人工干預(yù)情況下改善交通狀況，同時將路況信息通過CAN總線發(fā)送到控制中心，控制中心可以在特殊情況下進(jìn)行遠(yuǎn)距離人工干預(yù)。該系統(tǒng)具有高效、實(shí)時、客觀的特點(diǎn)，且簡單易于實(shí)現(xiàn)，具有良好的應(yīng)用前景。