基于CAN總線的紅綠燈動(dòng)態(tài)調(diào)整系統(tǒng)

　　摘要：國(guó)內(nèi)紅綠燈交通控制系統(tǒng)中紅綠燈切換時(shí)間廣泛采用固定或者分時(shí)段變化的時(shí)間間隔，或者由交通指揮中心根據(jù)交通狀況調(diào)整時(shí)間間隔，不能夠根據(jù)實(shí)際的交通狀況進(jìn)行動(dòng)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。在情況下，可能會(huì)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(dòng)態(tài)調(diào)整系統(tǒng)，它能夠根據(jù)實(shí)際交通狀況實(shí)時(shí)調(diào)整紅綠燈時(shí)間，可以降低道路擁堵幾率，保障交通暢通。
　　
　　1、總體設(shè)計(jì)方案
　　
　　總體設(shè)計(jì)方案如圖1所示。圖1（a）為每個(gè)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(dòng)關(guān)系。圖1（b）為系統(tǒng)框圖。每個(gè)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(gè)環(huán)形線圈車輛檢測(cè)器分別安裝在十字路口的四個(gè)方向，當(dāng)有車輛經(jīng)過環(huán)形線圈車輛檢測(cè)器時(shí)，產(chǎn)生高電平信號(hào)，該信號(hào)饋送至控制器。控制器對(duì)該信息進(jìn)行計(jì)數(shù)、處理，并實(shí)時(shí)控制紅綠燈切換的時(shí)間，將道路調(diào)整到*通行狀態(tài)；同時(shí)控制器通過CAN總線將計(jì)算得到的相關(guān)數(shù)據(jù)傳送至控制中心及相關(guān)部門。控制中心可根據(jù)具體情況向社會(huì)公布，同時(shí)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(shí)性高、客觀、準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也可以降低交管部門的勞動(dòng)強(qiáng)度。　　
　　2、基于CAN總線紅綠燈動(dòng)態(tài)調(diào)整系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)
　　
　　系統(tǒng)硬件由環(huán)形線圈車輛檢測(cè)器、控制器和CAN收發(fā)模塊組成。其中環(huán)形線圈車輛檢測(cè)器可以采用目前國(guó)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(jì)
　　
　　控制器采用ST公司的STR710作為中央處理單元。STR710具有14個(gè)外部中斷輸入，256KB程序FLASH存儲(chǔ)器，64KB內(nèi)部RAM，5個(gè)定時(shí)器，比較適合處理有多個(gè)外部中斷源需要處理的場(chǎng)合。控制器電路框圖如圖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。　　
　　2．2CAN收發(fā)模塊設(shè)計(jì)
　　
　　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(jì)
　　
　　3．1算法原理
　　
　　設(shè)t0為起始時(shí)間，檢測(cè)器以時(shí)間T為周期檢測(cè)時(shí)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(gè)周期中車輛處于線圈上的時(shí)間。
　　
　　定義流量相對(duì)增量，占有率相對(duì)增量。在實(shí)際使用時(shí)，如圖4所示同時(shí)在道路的上游A和下游B安裝檢測(cè)器。定義上下游平均占有率差，上下游平均占有率相對(duì)差。上下游檢測(cè)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(cè)器A檢測(cè)出的流量的相對(duì)增量小于占有率的相對(duì)增量，則認(rèn)為下游路段在本周期或下幾個(gè)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(cè)器的車輛平均占有率差大于某一閾值α，上游與下游檢測(cè)器的平均占有率相對(duì)差大于某一閾值β時(shí)，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(jì)容量有關(guān)。
　　
　　（3）若上游與下游檢測(cè)器的車輛平均占有率差小于或等于某一閾值α，上游與下游檢測(cè)器的平均占有率相對(duì)差大于某一閾值β時(shí)，判定交通擁擠處于消散過程。　　
　　3．2控制器軟件設(shè)計(jì)
　　
　　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(shí)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(shí)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(shí)，自動(dòng)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(gè)外部中斷設(shè)置為FIQ，以降低中斷反應(yīng)時(shí)間。在車輛通過時(shí)，中斷子程序計(jì)數(shù)后退出，主要的計(jì)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(shí)，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(shí)，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(dòng)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(duì)時(shí)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(shí)間。
　　
　　4、結(jié)語(yǔ)
　　
　　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(dòng)判定道路交通狀況的算法，并試圖在此基礎(chǔ)上實(shí)時(shí)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(shí)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、實(shí)時(shí)、客觀的特點(diǎn)，且簡(jiǎn)單易于實(shí)現(xiàn)，具有良好的應(yīng)用前景。