CN102360531A - 基于无线传感器网络的智能交通灯控制方法及系统 - Google Patents

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曹喜滨
刘晓为
马月超
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Abstract

一种基于无线传感器网络的智能交通灯控制方法及系统，在十字路口安装无线传感器网络系统，通过无线传感器探测路口车流量和正在十字路口等待车辆排队的长度，并将采集的路口车辆信息实施的发送给交通信号灯控制节点，由软件算法自适应的计算红绿灯的时间长度，并自动调整红绿灯的时长，有效的减少车辆等候的时间，从而提高十字交叉路口处车辆行驶的效率，提高交通控制的自动化水平。该系统还能够避免破路布置管线的麻烦，系统具有体积小、成本低、便于安装的优点，适合于在交通部门进行推广和普及。

Description

基于无线传感器网络的智能交通灯控制方法及系统
技术领域
本发明涉及智能交通领域，特别是一种传感器类智能交通控制方法。以目前热门的巨磁阻传感器为基础，研发出的一种具体的智能交通灯控制方法以及实施该方法的控制系统。
背景技术
智能交通统是将先进的信息技术、通讯技术、传感技术、控制技术以及计算机技术等有效地集成运用于整个交通运输管理体系，而建立起的一种在大范围内、全方位发挥作用的，实时、准确、高效的综合的运输和管理系统。
目前，我国的智能交通系统对车辆的检测大多采用环形线圈探测器、微波探测器、超声波和视频探测器等。从性价比角度考虑，环形线圈探测器其技术成熟，检测精度高，可全天候的工作，但是安装时候需要切割地面，影响路面的寿命，目前主要应用在停车场内。超声波和微波容易受到天气和障碍物的影响，造成误检。视频探测是目前应用较多的检测方式，适用于城市交叉路口的交通控制，但易受恶劣气候的影响，夜间要求有路灯照明。上述的交通控制系统普遍价格比较昂贵，需要有线的方式进行检测，只能够提供单一的十字路口的交通控制。
发明内容
本发明为了克服上述系统的弊端，提出了一种新的控制方式，采用无线传感器网络结合巨磁阻传感器来完成交通的智能控制，相临十字交叉路口处的无线传感器汇聚节点之间能够进行通信，提供了相对较多的数据冗余信息。该系统具有体积小、成本低、便于安装的优点，能够全天候的工作，便于在交通部门进行推广和普及。
为了实现本发明目的，本发明技术方案是：
一种基于无线传感网络的智能交通信号灯控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
A、在交叉路口铺设无线传感器网络，该网络包括设置在与交叉路口相邻的道路两旁的若干组无线传感器节点和设在交叉路口中部的无线传感器汇聚节点；
B、安装在道路两边的无线传感器节点实时地检测检测车道上行经的车辆数量，并能够由远离信号灯的无线传感器节点实时的检测停留在车道上的排队车辆长度；
C、无线传感器节点将监测到的上述信息实时地发送给无线传感器汇聚节点；
D、无线传感器汇聚节点的中央处理器根据测得路口各方向驶入的车辆数目和排队车辆数目，采用实时控制算法处理获得路口的信号灯时间分配；
E、无线传感器汇聚节点将控制信号输出，控制路口信号灯的转换时间。
还包括：
F、将信号灯的控制数据在数据库中备份，同时将各方向前进的车辆数目送至其他路口，用以满足对其他路口设备的超前控制；
G、储存在数据库的以往的信号灯控制数据用于本路口的自学习控制。
一种实施所述的基于无线传感网络的智能交通信号灯控制方法的控制系统，包括设置在交叉路口的信号灯，其特征在于，在该交叉路口设有无线传感器网络，该网络包括设置在与交叉路口相邻的道路两旁的若干组无线传感器节点和设在交叉路口中部的无线传感器汇聚节点，该无线传感器节点采用无线通信方式向无线传感器汇聚节点传送车辆通过和排队信息，无线传感器汇聚节点根据计算的控制数据去控制路口的各个信号灯。
所述的无线传感器节点和无线传感器汇聚节点包括：巨磁阻传感器、A/D转换器、处理器、无线通信模块及供电单元，至少一个巨磁阻传感器经过A/D转换器后与处理器的对应接口连接，无线通信模块与处理器的对应接口连接；供电单元为上述各部件提供工作电源。
每一所述的无线传感器节点的巨磁阻传感器的个数为2～4个，间距为5-10cm。
所述的无线通信模块使用基于ZigBee协议的射频模块。
所述的巨磁阻传感器采用HMC1021Z型巨磁阻传感器。
在所述的无线传感器汇聚节点与交通管理控制中心之间建立无线或有线通信，对各路口的信号灯进行监控和临时控制。
本发明通过无线传感器探测路口车流量和正在十字路口等待车辆排队的长度，并将采集的路口车辆信息实施的发送给交通信号灯控制节点，由软件算法自适应的计算红绿灯的时间长度，并自动调整红绿灯的时长，有效的减少车辆等候的时间，从而提高十字交叉路口处车辆行驶的效率，提高交通控制的自动化水平。该系统还能够避免破路布置管线的麻烦，系统具有体积小、成本低、便于安装的优点，适合于在交通部门进行推广和普及。具有廉价、体积小、耗电少、自动控制能力强、误差较小以及可长时间全天候运作的特点。
附图说明
图1是本发明控制系统的总体构成框图；
图2是本发明无线传感网络安装位置示意图；
图3是本发明的无线传感器节点的构成框图；
图4是本发明的无线传感器汇聚节点的构成框图；
图5是本发明的控制系统的控制方法示意图；
图6是本发明无线传感器汇聚节点的控制程序流程图。
具体实施方式
本发明结合了国内外智能交通系统的设计以及磁阻传感器研究成果，设计了利用巨磁阻传感器及射频模块，处理器构成的基于无线传感网络的智能交通系统。
参见图1和图2，本发明控制系统的硬件系统包括：设置在交叉路口K的数组信号灯3，在该交叉路口K设有无线传感器网络，该无线传感器网络包括设置在与交叉路口K相邻的各道路两旁的若干组无线传感器节点1和设在交叉路口K中部的无线传感器汇聚节点2。该无线传感器节点1采用无线通信方式向无线传感器汇聚节点2传送车辆通过和排队信息，无线传感器汇聚节点2根据计算的控制数据去控制路口的各个信号灯3。
参见图3，所述的无线传感器节点1包括：巨磁阻传感器11和12、A/D转换器、处理器、无线通信模块及供电单元，两个巨磁阻传感器11和12经过A/D转换器后与处理器的对应接口连接，无线通信模块与处理器的对应接口连接；在处理器和无线通信模块设有调试与测试接口；在A/D转换器还设有备用接口。供电单元(即系统供电和电源管理模块)为上述各部件提供工作电源。
每一所述的无线传感器节点的巨磁阻传感器的个数为2～4个，间距为5-10cm。
参见图4，本发明的无线传感器汇聚节点2包括：处理器、无线通信模块、数据库及系统供电和电源管理模块，无线通信模块和数据库分别与处理器的对应接口连接。在处理器和无线通信模块设有调试与测试接口。系统供电和电源管理模块为上述各部件提供工作电源。
所述的无线传感器节点1和无线传感器汇聚节点2中的无线通信模块使用基于ZigBee协议的射频模块(包括收发芯片和射频天线)。
本系统采用无线传感器网络技术构建了一种新型的智能交通十字路口红绿灯控制的解决方案。如果要实现十字路口交通信号灯的智能控制，对车辆的检测就成为系统设计的关键，虽然汽车由于型号不同而具有不同的结构，但各类汽车中均含有大量的铁磁物质，尤其是汽车底盘均用铁磁材料制造而成。汽车在行驶过程中会对周围的地磁场产生影响，有些汽车甚至可以影响到十几米以外的地球磁场。将磁敏传感器置于道路两侧或路基之下的适当位置处便可感应到地磁场的变化，通过磁敏器件的输出信号可以判断出车辆通过的情况，从而实现对车流量进行监测。本系统选用灵敏度较高的巨磁阻传感器来完成对行驶车辆的检测。系统的频率选择在2.4Ghz工作频段，该频段相对于433Mhz、868Mhz、915Mhz具有较宽的工作频带和较快的信号传输速率。整套系统支持ZigBee协议，具有数据较验和冲突检测的功能。
当有车辆通过路口时，一个无线传感器节点1中的两个相距5-10cm的磁阻传感器11和12周围的地磁场发生变化，变化的磁场信号经过信号放大后经过A/D转换器后送入处理器，处理器便立即启用计时器记录下车辆通过的时刻，然后开始采集最贴近中央传感器汇聚节点2的巨磁阻传感器的输出信号，当检测到车辆后计时器停止计时；重新开始车辆的计数工作，检测下一辆车。系统一个无线传感器节点1中采用两个磁阻传感器能够判断车辆行驶的方向。检测后的信息经处理后发送至收发单元，收发单元提供射频天线将检信号发送给无线传感器汇聚节点2。
安装在道路两边的无线传感器节点1实时的检测检测车道上行经的车辆，并能够由远离信号灯的无线传感器节点1实时的检测停留在车道上的排队车辆长度，无线传感器节点1将监测到的信息实时的发送给无线传感器汇聚节点2。汇聚节点2根据道路两边布置的无线传感器节点1发送来的信息，在内部采用模糊控制结合神经网络来设计控制系统。以路面的实际车辆长度为输入量，输出量为实际控制延长的绿灯时间，最终实现平面交叉口K的信号灯3的控制。
所述的磁阻传感器11和12采用HMC1021Z巨磁阻传感器，磁阻传感器电路中使用滤波电路使输出信号更加稳定，该电路中还使用运算放大器，可使芯片的输出电压信号放大以便在有铁磁物体经过传感器附近时输出供处理器使用的高电平信号，巨磁阻传感器可较为精确的计算通过交通信号灯的车流量大小。
参见图4和图5，本发明的控制方法和流程包括：
A、先通过磁阻传感器网络测得个方向驶入的车辆数目。
B、无线传感器节点1将监测到的上述信息实时地发送给无线传感器汇聚节点2。
C、无线传感器汇聚节点2的中央处理器根据测得路口各方向驶入的车辆数目和排队车辆数目，采用实时控制算法处理获得路口的信号灯时间分配。
D、无线传感器汇聚节点2将控制信号输出到各组信号灯3，控制信号灯的转换时间。
E、将信号灯3的控制数据在数据库中备份，同时将各方向前进的车辆数目送至其他路口，用以满足对其他路口设备的超前控制。
F、储存在数据库的以往的信号灯控制数据用于本路口的自学习控制。
如图6所示流程，将每个十字路口作为一个路口节点，各个路口节点以道路连接成为类似神经网络的结构。每个路口节点输入共分为三个部分：第一部分为直接与该路口节点(称为本路口节点P)连接的道路上开往该本路口节点P的车辆数目，本部分输入由巨磁阻传感器模块测量并发送至该本路口节点P的无线传感器汇聚节点2；第二部分为相邻的各级路口节点(称为相邻路口节点X)开往该本路口节点P的车辆数目，本部分输入由相邻路口节点X的无线传感器汇聚节点统计并发送至该本路口节点P的无线传感器汇聚节点；第三部分为，用该本路口节点P开往各个方向的车辆数目和车流量数据库调出的值来计算红绿灯各个状态的持续时间时，可以根据实际需要，无线传感器汇聚节点将三部分输入数据进行加权，其权值按第一部分优先于第二部分，第二部分优先于第三部分进行分布。其中第二部分中以距离该节点由近到远权值优先级递减的方式分布。在实际操作时，各个部分权值需通过大量流量数据以及对道路状况的分析求得。
所述的自学习控制方法，是通过建立以往资料的数据库，对数据库内资料进行编辑、分类和分析。从而得出一套最优化的当前路线通行方法，再不断根据以往的记录进行优化修改，不断对当前路段进行自适应调节。从而实现根据时间增长对该路段熟悉程度和车流量调节稳定性的目的。
先通过传感器网络测得个方向驶入的车辆数目，将数据传送给目标路口的无线传感器汇聚节点2的处理器，经过实时控制算法处理获得目标路口的信号灯时间分配情况。再输出红绿灯时间，并备份一份去数据库存储备用，同时将各方向前进的车辆数目送至其他路口，用以满足对其他路口设备的超前控制方法。而记录在数据库上的以往的信号灯控制数据用于本路口进行自学习控制。

Claims (8)

1.一种基于无线传感网络的智能交通信号灯控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
A、在交叉路口铺设无线传感器网络，该网络包括设置在与交叉路口相邻的道路两旁的若干组无线传感器节点和设在交叉路口中部的无线传感器汇聚节点；
B、安装在道路两边的无线传感器节点实时地检测检测车道上行经的车辆数量，并能够由远离信号灯的无线传感器节点实时的检测停留在车道上的排队车辆长度；
C、无线传感器节点将监测到的上述信息实时地发送给无线传感器汇聚节点；
D、无线传感器汇聚节点的处理器根据测得路口各方向驶入的车辆数目和排队车辆数目，采用实时控制算法处理获得路口的信号灯时间分配；
E、无线传感器汇聚节点将控制信号输出，控制路口信号灯的转换时间。
2.根据权利要求1所述的基于无线传感网络的智能交通信号灯控制方法，其特征在于，还包括：
F、将信号灯的控制数据在数据库中备份，同时将各方向前进的车辆数目送至其他路口，用以满足对其他路口设备的超前控制；
G、储存在数据库的以往的信号灯控制数据用于本路口的自学习控制。
3.一种实施权利要求1所述的基于无线传感网络的智能交通信号灯控制方法的控制系统，包括设置在交叉路口的信号灯，其特征在于，在该交叉路口设有无线传感器网络，该网络包括设置在与交叉路口相邻的道路两旁的若干组无线传感器节点和设在交叉路口中部的无线传感器汇聚节点，该无线传感器节点采用无线通信方式向无线传感器汇聚节点传送车辆通过和排队信息，无线传感器汇聚节点根据计算的控制数据去控制路口的各个信号灯。
4.根据权利要求3所述的基于无线传感网络的智能交通信号灯控制系统，其特征在于，所述的无线传感器节点和无线传感器汇聚节点包括：巨磁阻传感器、A/D转换器、处理器、无线通信模块及供电单元，至少一个巨磁阻传感器经过A/D转换器后与处理器的对应接口连接，无线通信模块与处理器的对应接口连接；供电单元为上述各部件提供工作电源。
5.根据权利要求4所述的基于无线传感网络的智能交通信号灯控制系统，其特征在于，每一所述的无线传感器节点的巨磁阻传感器的个数为2～4个，间距为5-10cm。
6.根据权利要求4所述的基于无线传感网络的智能交通信号灯控制系统，其特征在于，所述的无线通信模块使用基于ZigBee协议的射频模块。
7.根据权利要求4所述的基于无线传感网络的智能交通信号灯控制系统，其特征在于，所述的巨磁阻传感器采用HMC1021Z型巨磁阻传感器。
8.根据权利要求3所述的基于无线传感网络的智能交通信号灯控制系统，其特征在于，在所述的无线传感器汇聚节点与交通管理控制中心之间建立无线或有线通信，对各路口的信号灯进行监控和临时控制。
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