CN105489038A - 基于定向天线的交通信号灯系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及智能天线领域，为提供基于定向天线的交通信号灯系统，实现驾驶员可以通过车载设备随时随地了解到前方交通信号灯的状态信息，并根据信号灯状态即时采取相应的驾驶行为，即使前方可视条件差，也可以实时的掌握交通信号灯的状态；同理，自动行驶的汽车可以实时的掌握前方交通信号灯的状态，从而能够及时采取相应的行驶行为，提高行驶安全系数。为此，本发明采取的技术方案是，基于定向天线的交通信号灯系统，包括：核心CPU、带有定向天线的无线发射装置、LED信号灯，核心CPU用于产生交通信号灯的状态信息，并把这些信息传输给LED灯和无线发射装置分别进行显示和发射。本发明主要应用于交通管控场合。

Description

基于定向天线的交通信号灯系统

技术领域

本发明涉及智能天线领域、802.11p协议、智能交通系统领域、嵌入式系统领域，尤其涉及一种基于定向天线的交通信号灯系统领域。

背景技术

随着中国现代工业的快速发展，不论是城市还是乡镇，汽车的数量都飞速上升，汽车无疑是人们日常出行中必不可少的交通工具。援引人民网《2014年国民经济和社会发展统计公报》(下称《公报》)的统计数据，我国2014年底全国民用汽车保有量达到历史新高，为15447万辆，比2013年末增长了12.4％。其中，民用轿车数量增长了16.6％，达8307万辆；私人轿车增长了18.4％，达7590万辆。《公报》指出，全国道路交通事故万车死亡人数为2.22人，比2013年底万车死亡人数2.3人下降了5％，但通过2014年汽车保有量数据可得出2014年的交通事故死亡人数为34292.34人，比2013年的死亡31604.3人增加了2688.04人，增长率为8.5％；相比2012年的死亡30222.5人，增加了4069.84人，增长率为13.46％；相比2011年的死亡29618人，增加了4676.34人，增长率为15.78％。可见，近些年来，我国交通事故死亡人数呈逐年小幅度上升趋势，这与我国机动车数量的不断增加密切相关。因此，为了保障汽车的安全行驶，智能交通系统、辅助驾驶以及自动驾驶成为现代社会发展的很重要的研究课题。

交通信号灯是智能交通系统中非常重要的一部分，其加强了道路交通管理，减少了交通事故的发生，提高了道路使用效率，是改善交通状况的一种重要工具。传统的交通信号灯系统的工作模式是：通过实时的提供不同颜色或形状的图案，然后由人眼区分图案，最后人根据图案作出相应的行为。这样不利于司机在可视条件差的环境下(雾天、雨天)获取交通信号灯的信息，并且分散司机对汽车周围其他信息(如行人信息等)收集的注意力，从而很可能导致交通事故。

同时，传统的信号灯系统也为自动驾驶的发展带来了难题。由于目前自动驾驶中对交通信号灯的识别是通过摄像头采集信息，当汽车前方有大车遮挡住摄像头视线或可视条件极差时，就无法准确获得交通信号灯信息；并且这种识别方式很难区分出前方汽车尾灯和红灯，因此，通过非视觉的方式传递交通信号灯系统的信息是非常必要的。

发明内容

为克服现有技术的不足，提供基于定向天线的交通信号灯系统，实现驾驶员可以通过车载设备随时随地了解到前方交通信号灯的状态信息，并根据信号灯状态即时采取相应的驾驶行为，即使前方可视条件差，也可以实时的掌握交通信号灯的状态；同理，自动行驶的汽车可以实时的掌握前方交通信号灯的状态，从而能够及时采取相应的行驶行为，避免因前方车辆尾灯等复杂环境因素导致的错误识别，提高行驶安全系数。为此，本发明采取的技术方案是，基于定向天线的交通信号灯系统，包括：核心CPU、带有定向天线的无线发射装置、LED信号灯，核心CPU用于产生交通信号灯的状态信息，并把这些信息传输给LED灯和无线发射装置分别进行显示和发射；无线发射装置用于以无线电的形式通过定向天线将交通信号信息发射到相应的方向，对应方向的汽车通过车载设备上的无线接收装置与交通信号灯通信，二者的通信采用802.11p协议，从而汽车能够接受到交通信号灯发出的无线电信号，并从中获取信息。

此外，还包括片外存储器EEPROM用于接收来自核心CPU的信息，以存储掉电保持参数，包括交通信号灯的运行逻辑、掉电时间、预置信息；复位电路用于重新启动交通信号灯系统；电源用于为交通信号灯系统供电。

核心CPU内部进一步设置有初始化模块、通信接口设置模块、信息处理模块、无线发射模块、LED显示模块；其中，初始化模块主要完成系统初始参数设置、中断设置、定时器时间设置；通信接口设置模块根据设定的通信模式配置通信协议参数；交通信号灯状态信息来自定时器中断。当定时器达到预设的定时时间后，会执行动作，即产生交通信号灯下一状态，此状态供LED显示并传输给信息处理模块；信息处理模块对需要传输、显示的交通信号灯状态信息按照既定的协议封装处理，通过无线发射装置将这些信息发送出去。

本发明的特点及有益效果是：

(1)本发明是一个带有无线发射装置的交通信号灯系统，其中无线发射装置带有定向天线，通信协议采用802.11p协议。

(2)本发明通过LED灯显示不同的信号，例如允许前行、禁止前行、允许左转、禁止左转灯，方便行人对交通信号的获取；

(3)安装有定向天线的无线发射装置实时的从处理器接收交通信号灯的状态信息，然后以无线电波的形式在对应方向上发射出去，避免了各个方向交通信号灯信号间的相互干扰，便于对应方向上车辆对信号的接收；

(4)交通信号灯的无线发射装置采用802.11p协议进行通信，802.11p协议是一个由IEEE802.11标准扩充的通信协议，主要用于车载电子无线通信，接入速度快，通信距离远，解决了因汽车与交通信号灯之间的可通信时间短无法正常进行信息传输的问题。

附图说明：

图1基于定向天线的交通信号灯系统的整体效果图。

图2基于定向天线的交通信号灯系统框图。

图3基于定向天线的交通信号灯系统的软件流程图。

图4基于定向天线的交通信号灯系统与传统的交通信号灯对比效果。

具体实施方式

由于通常安装交通信号灯的位置是十字路口，一个十字路口对应四个方向，每一个方向对应一个交通信号灯，若无线发射装置采用全向天线，安装带有无线通信功能的车载的汽车很难确定要接收哪一个信号，所以采用定向天线，确定每一个信号灯发出的信号方向，从而在每个方向只有一个信号，同时车载的无线通信模块也采用定向天线，便于汽车接收对应方向交通信号灯的信号。

由于汽车的行驶速度较快，导致汽车与交通信号灯的可通信时间很短，所以无线通信装置需要采用接入速度快、通信距离远的通信协议，本发明采用IEEE802.11p协议。IEEE802.11p(又称WAVE,WirelessAccessintheVehicularEnvironment)是一个由IEEE802.11标准扩充的通信协议，主要用于车载电子无线通信。它本质上是IEEE802.11的扩充延伸，符合智能交通系统的相关应用。应用层面包括高速车辆之间以及车辆与ITS路边基础设施(5.9千兆赫频段)之间的数据交换。IEEE1609标准则基于IEEE802.11p通信协议的上层应用标准。

本发明就是通过采用定向天线技术、嵌入式技术，并结802.11p通信协议发明了一种基于定向天线的交通信号灯系统。该系统不仅可以在可视条件好的条件下为行人、司机提供交通信号灯信息，还可以在可视条件极差的环境下给司机提供交通信号灯信息，而且有利于自动驾驶中对前方交通信号灯信息的获取，促进了自动驾驶的发展。此外，本发明可以辅助红绿色盲患者获取交通信号灯信息，给他们带来合法驾驶的可能。

本发明的目的在于把交通信号灯的信息通过以LED灯的形式显出以外，再通过带有定向天线的无线发射装置以无线电的形式发射到相应的方向，对应方向的汽车通过车载设备上的无线接收装置与交通信号灯通信，二者的通信采用802.11p协议，从而汽车能够接受到交通信号灯发出的无线电信号，并从中获取信息，驾驶员便可以通过车载设备随时随地了解到前方交通信号灯的状态信息，并根据信号灯状态即时采取相应的驾驶行为，即使前方可视条件差，也可以实时的掌握交通信号灯的状态；同理，自动行驶的汽车可以实时的掌握前方交通信号灯的状态，从而能够及时采取相应的行驶行为，避免了因前方车辆尾灯等复杂环境因素导致的错误识别，提高了行驶安全系数。

本发明就是通过采用定向天线技术、嵌入式技术，并结802.11p协议发明了一种基于定向天线的智能交通信号灯系统。该发明在保证行人正常获取交通信号的前提下，不仅可以使驾驶员实时掌握前方信号灯的状态信息，及时采取相应的驾驶行为，而且能够促进自动驾驶的发展，最重要的是可以降低因可视条件差无法获取交通信号灯信号而导致的意外事故的概率。

本发明借助于定向天线技术、嵌入式软硬件技术设计了基于定向天线的智能交通信号灯系统。

技术方案如下：

每一个交通信号灯都安装了带有定向天线的无线发射装置，并采用802.11p协议，该无线发射装置负责交通信号灯的状态接收和信号定向发送等任务。

上述所说的基于向天线的交通信号灯系统主要集成了核心CPU、片外存储器EEPROM、无线发射电路、LED电路、复位电路等。其中核心CPU采用ARM公司的ARMCortexA7DualCore处理器；无线通信模块支持802.11p协议，并安装定向天线，与核心CPU采用串口的方式连接，无线通信模块根据CPU的命令，向一定方向发射交通信号灯实时的状态数据；外围的EEPROM负责存储一些掉电保持参数，如交通信号灯的运行逻辑、掉电时间、预置信息等；LED模块用来显示行驶指示图案，例如允许前行、禁止前行、允许左转、禁止左转等，并根据CPU的指令实时做出相应的变化。

上述所说的带有定向天线的交通信号灯的软件部分主要包括初始化模块、通信接口设置模块、信息处理模块、无线发射模块、LED显示模块等。其中，初始化模块主要完成系统初始参数设置、中断设置；通信接口设置模块根据设定的通信模式配置通信协议参数；信息处理模块对需要传输、显示的信息按照既定的协议封装处理，通过无线通信模块将这些信息发送出去，从而使车载终端接收信息；LED显示模块根据CUP发出的处理信息，把相应的状态信息通过LED灯显示出来。

基于定向天线的交通信号灯系统将定向天线技术引入智能交通信号灯系统，实现了定向传输交通信号灯状态信号的目标，并且突破可视条件的限制，只要汽车上的车载系统接入交通信号灯所提供的局域网络，即使是在大雾大雨等可视条件极差的天气时，也可以实时的准确的接收交通信号灯的状态信息。为此，本发明特别适合国内外汽车数量众多、天气环境恶劣的地区，并且也在很大程度上促进了自动驾驶的发展。

本发明通过提供如下功能，增强了汽车接收交通信号灯状态信息的准确性和及时性。

(1)通过LED灯实时的显示不同信号状态，例如允许前行、禁止前行、允许左转、禁止左转灯，方便行人对交通信号的获取；

(2)无线发射装置实时收集交通信号灯的状态信息，并将这些信息通过定向天线发射出去，使汽车实时掌握交通信号灯的状态信息；

(3)由于信号采用无线电的方式传播，当可视条件极差时，也能使汽车实时的接收到信号，使驾驶员掌握交通信号灯状态信息，提高了驾驶的安全系数；

(4)无线通信装置采用IEEE802.11p协议，与带有无线接收装置的车载系统通信时，接入速度快，通信距离远；

智能交通系统领域是当今国内科研的前沿领域，是新一代信息技术的重要组成部分，而智能交通信号灯是智能交通系统的重要组成部分。发明基于无线发射装置的交通信号灯系统为智能交通系统的进一步发展打下了基础，同时也促进了自动驾驶的发展。

下面结合附图对本发明作进一步详述。

图一所示的是基于定向天线的交通信号灯系统的整体效果图。如图所示，在一个十字路口的每个方向都有安装了基于无线发射装置的交通信号灯，由于无线发射装置上安装的是定向天线，所以只在对应的方向上有波束发出，其中黑色椭圆代表波束，从而对应方向的汽车能够正确接收交通信号灯状态信息。

图二所示的是基于定向天线的交通信号灯系统框图。核心CPU采用ARM公司的ARMCortexA7DualCore处理器，无线通信模块支持802.11p协议，并安装定向天线，与核心CPU采用串口的方式连接，无线通信模块根据CPU的命令，向一定方向发射交通信号灯实时的状态数据；外围的EEPROM负责存储一些掉电保持参数，如交通信号灯的运行逻辑、掉电时间、预置信息等；LED模块用来显示行驶指示图案，例如允许前行、禁止前行、允许左转、禁止左转等，并根据CPU的指令实时做出相应的变化。

图三所示的是基于定向天线的交通信号灯系统的软件流程图。软件部分主要包括初始化模块、通信接口设置模块、信息处理模块、无线发射模块、LED显示模块等。其中，初始化模块主要完成系统初始参数设置，若程序初始化成功，则设置通信接口，若初始化失败，则再进行程序初始化；通信接口设置模块根据设定的通信模式配置通信协议参数，若通信协议参数设置成功，则进行信息处理，若通信协议参数设置失败，则再次进行设置；信息处理模块对需要传输、显示的信息按照既定的协议封装处理，通过无线通信模块将这些信息发送出去，从而使车载终端接收信息；LED显示模块根据CUP发出的处理信息，把相应的状态信息通过LED灯显示出来。

核心CPU的工作流程如下：首先进行程序初始化和通信接口设置，其中包括定时器的定时时间设置等，设置成功后，进入while循环；在while循环中，首先进行交通信号灯状态信息处理，即对信息按照装既定的协议进行封装处理，然后由LED显示和无线发射模块以无线电形式定向发射。其中，交通信号灯状态信息来自定时器中断。当定时器达到预设的定时时间后，会执行动作，即产生交通信号灯下一状态，并把此状态通过全局变量传递到while循环里，供LED显示和无线发射模块以无线电形式定向发射。

图四所示的是基于定向天线的交通信号灯系统与传统的交通信号灯对比效果。如图所示，在可视条件差的行车环境下，若公路上安装的是传统的交通信号灯，因为可视条件差，司机或自动驾驶汽车无法通过视觉准确获得交通信号灯的状态信息；若公路上安装的是基于定向天线的交通信号灯系统，虽然司机或自动驾驶汽车无法通过视觉准去获得交通信号灯状态信息，但是可以通过无线电波接收交通信号灯信息。

Claims (3)

1.一种基于定向天线的交通信号灯系统，其特征是，包括：核心CPU、带有定向天线的无线发射装置、LED信号灯，核心CPU用于产生交通信号状态信息，并把这些信息传输给LED信号灯和无线发射装置分别进行显示和发射；无线发射装置用于以无线电的形式通过定向天线将交通信号信息发射到相应的方向，对应方向的汽车通过车载设备上的无线接收装置与交通信号灯通信，二者的通信采用802.11p协议，从而汽车能够接受到交通信号灯发出的无线电信号，并从中获取交通信号信息。

2.如权利要求1所述的基于定向天线的交通信号灯系统，其特征是，还包括片外存储器EEPROM，用于接收来自核心CPU的信息，以存储掉电保持参数，包括交通信号灯的运行逻辑、掉电时间、预置信息；复位电路用于重新启动交通信号灯系统；电源用于为交通信号灯系统供电。

3.如权利要求1所述基于定向天线的交通信号灯系统，其特征是，核心CPU内部进一步设置有初始化模块、通信接口设置模块、信息处理模块、无线发射模块、LED显示模块；其中，初始化模块主要完成系统初始参数设置、中断设置、定时器时间设置；通信接口设置模块根据设定的通信模式配置通信协议参数；交通信号灯状态信息来自定时器中断。当定时器达到预设的定时时间后，会执行动作，即产生交通信号灯下一状态，此状态通过LED显示模块驱动LED显示并传输给信息处理模块；信息处理模块对需要传输、显示的交通信号灯状态信息按照既定的协议封装处理，通过无线发射装置将这些信息发送出去。