1、引言

城市交通擁堵現(xiàn)象日趨嚴(yán)重，如何優(yōu)化交通信號燈控制，提高車輛通行效率是亟待解決的問題。然而，現(xiàn)有的交通信號燈控制系統(tǒng)幾乎全部采用的是固定時序的控制方式，無法針對實際交通流量對各車道的放行時間進(jìn)行自適應(yīng)性調(diào)整，造成了道路資源的浪費(fèi)。

本文設(shè)計了一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)交通燈控制系統(tǒng)，利用安裝在各車道上的攜帶超聲波收發(fā)模塊的傳感器節(jié)點(diǎn)探測車流量，流量信息通過無線通信方式匯聚到集中控制器。集中控制器運(yùn)行調(diào)度算法，根據(jù)車流量自適應(yīng)設(shè)置相應(yīng)車道車輛通行時間，從而提高道路利用效率。本系統(tǒng)中，集中控制器與傳感器節(jié)點(diǎn)之間采用無線通信方式，無需敷設(shè)通信電纜，安裝十分便捷。密集分布在路面上無線傳感器節(jié)點(diǎn)可準(zhǔn)確感知各車道車輛數(shù)量和車型大小，為自適應(yīng)信號燈控制提供準(zhǔn)確的車流量信息。

2、系統(tǒng)設(shè)計

如圖1所示，本系統(tǒng)由以下幾個部分組成：1）集中控制器;2）無線傳感器節(jié)點(diǎn);3）信號燈。本系統(tǒng)可通過城域網(wǎng)將車輛流量信息和信號燈工作狀態(tài)傳送至遠(yuǎn)程監(jiān)控計算機(jī)，或接收遠(yuǎn)程監(jiān)控計算機(jī)控制命令。

圖1 系統(tǒng)組成

集中控制器是本系統(tǒng)的設(shè)備，它具有以下功能：1）與無線傳感器節(jié)點(diǎn)的通信。在本系統(tǒng)中，集中控制器起到無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中匯聚節(jié)點(diǎn)（SinkNode）的作用，各節(jié)點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù)均匯聚到此。因此，集中控制器必須配備與各節(jié)點(diǎn)相匹配的無線收發(fā)模塊。2）運(yùn)行調(diào)度算法;3）信號燈控制;4）與遠(yuǎn)程監(jiān)控計算機(jī)進(jìn)行通信?？梢姡鞠到y(tǒng)對集中控制性能要求較高，故采用ARM處理器設(shè)計。

無線傳感器節(jié)點(diǎn)是檢測車流量信息的關(guān)鍵設(shè)備。每個傳感器節(jié)點(diǎn)可攜帶多組用于探測車輛的超聲波收發(fā)器。節(jié)點(diǎn)既可采用線纜供電，也可采用電池供電。采用線纜供電方式施工量較大，采用電池供電則后期運(yùn)行維護(hù)成本較高。

本系統(tǒng)對信號燈功能無特殊要求，一般在交通路口每個車輛通行方向上都設(shè)置一組信號燈。

由于系統(tǒng)中傳感器節(jié)點(diǎn)為數(shù)眾多，集中控制器與節(jié)點(diǎn)之間采用無線通信大大降低了施工難度。集中控制器與信號燈之間則采用有線連接，這樣在傳感器節(jié)點(diǎn)與控制器之間的通信受到無線電干擾的情況下，集中控制器能夠放棄自適應(yīng)調(diào)度，改按預(yù)定的時序控制信號燈，避免造成整個系統(tǒng)癱瘓。

3、硬件設(shè)計

3.1、無線傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計

本系統(tǒng)所使用的無線傳感器節(jié)點(diǎn)由3部分組成：處理器板（含射頻電路和電源）、底板和傳感器板。一個處理器板可連接多個傳感器板，兩者之間采用電纜連接。其硬件框圖如圖2所示。

圖2  無線傳感器節(jié)點(diǎn)硬件框圖

3.1.1、處理器板設(shè)計

處理器板以CC2430為設(shè)計，CC2430實際上是在一顆芯片上集成了CC2420射頻芯片和C8051單片機(jī)的電路，自帶無線收發(fā)器、FLASH、RAM、14位ADC、定時器、AES128協(xié)同處理器、看門狗等資源，硬件支持CSMA/CA，支持多種電源管理模式，具有功耗低、無線接收靈敏度高、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

處理器板如圖3所示。由于CC2430固有的發(fā)射功率不足，我們?yōu)橹黾恿松漕l功率放大電路，功放芯片為CC2591，實測發(fā)射功率為18dBm，通信距離可達(dá)500m。CC2430的部分引腳被配置為輸出，經(jīng)驅(qū)動器放大后，連接到傳感器板的輸入端。另一部分則被配置為輸入，連接到傳感器的輸出端。

圖3   處理器板

3.1.2、超聲波傳感器板設(shè)計

傳感器板由超聲波發(fā)送器、接收器、發(fā)送電路、接收電路共四部分組成。超聲波發(fā)送器選用壓電陶瓷傳感器T:40:12，接收器采用與之配對的R:40:12。發(fā)送電路采用音頻集成功放芯片LM386，其具有功耗低、工作電壓范圍寬、增益可調(diào)（20~200倍）等優(yōu)點(diǎn)。發(fā)送電路的激勵信號是40kHz、占空比為50%的方波脈沖，由處理器板提供，經(jīng)發(fā)送電路放大后，推動壓電陶瓷傳感器T:40:12產(chǎn)生超聲波。接收電路采用在電視機(jī)遙控器上經(jīng)常采用的紅外線檢波接收器CX20106，其帶通濾波器的中心頻率為30~60kHz可調(diào)，故也可用作超聲波檢測電路。其內(nèi)部電路如圖4所示。

圖4  超聲波檢測電路

當(dāng)收到特定頻率的超聲波時，會在第8腳產(chǎn)生一個負(fù)脈沖，輸出到CC2430的中斷輸入引腳進(jìn)行處理?？梢姡柯穫鞲衅靼逍枰加锰幚砥靼?個I/O端口。在不對CC2430的輸入輸出口進(jìn)行擴(kuò)展的情況下，每塊處理器板多可連接10塊傳感器板。

在傳感器板的布局上，必須注意超聲波發(fā)送器與接收器之間應(yīng)保持一定的距離，以防止發(fā)生發(fā)送器與接收器之間的串?dāng)_問題，即發(fā)送器發(fā)射的超聲波未經(jīng)障礙物反射就直接繞射到接收器上。

3.2、集中控制器設(shè)計

圖5  集中控制器硬件框圖

4、網(wǎng)絡(luò)部署

本系統(tǒng)部署方式如圖6所示。無線傳感器節(jié)點(diǎn)密集分布在車道上，可通過超聲波收發(fā)器準(zhǔn)確檢測出車流量。為防止車輛碾壓造成傳感器節(jié)點(diǎn)損壞，可將傳感器節(jié)點(diǎn)嵌入鑄鐵材料的減速板中，或鉆孔安裝在比路面略低的位置。

圖6  網(wǎng)絡(luò)部署

5、結(jié)語

智能交通技術(shù)對解決城市交通問題、提高道路利用率、提升交通管理水平方面具有重要意義。本文利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)這一先進(jìn)技術(shù)設(shè)計了一種自適應(yīng)交通燈控制系統(tǒng)，密集分布超聲波傳感器可以準(zhǔn)確獲取車流量信息，自適應(yīng)的信號燈調(diào)度算法可根據(jù)各方向車流量變化自動調(diào)節(jié)通行時間，從而減少車輛和平均等待時間，提高通行效率。

集中控制器硬件框圖如圖5所示。它采用了與無線傳感器節(jié)點(diǎn)相同的CC2430處理器板。S3C2440ARM處理器采用TTL電平的串口與CC2430進(jìn)行通信。與信號燈通信則采用RS485串口。集中控制器配備了以太網(wǎng)接口，用于和遠(yuǎn)程監(jiān)控中心通信。