CN110610612A - 基于树莓派与互联网的智能交通信号控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明为基于树莓派与互联网的智能交通信号控制系统，包括地下检测模块、信号显示模块、控制决策模块、图像采集模块、网络连接模块、远程终端和显示界面模块；网络连接模块、图像采集模块、信号显示模块、地下检测模块和显示界面模块均与控制决策模块相连；所述的控制决策模块包括树莓派控制器，所述的网络连接模块包括树莓派WiFi模块和云服务器，树莓派WiFi模块连接网络调用中国天气网API接口和高德地图官网API接口，同时通过树莓派WiFi模块连接网络将树莓派控制器与云服务器和远程终端连接在一起；所述的图像采集模块包括摄像头与舵机，摄像头转动角度为所检测车道的车辆来向方向、车辆来向方向所设置的行人等待区域方向。该系统拓展网络接口，实现网络通信。

Description

基于树莓派与互联网的智能交通信号控制系统

技术领域

本发明涉及交通信号领域，特别是涉及一种基于树莓派与互联网的智能交通信号控制系统。

背景技术

智能交通的研究和推进在我国仍然处于起步探索阶段，目前我国的城市道路交叉口的信号灯虽然是自动的，但信号转换仍是固定配时状态。而固定配时控制无法适应路口行人、车辆的随机性、多变性，往往会出现空放空待、多次停车、行人闯红灯等现象。

近几年来智能交通信号灯发展快速，方案多种多样。如中国专利CN207123946U公开一种针对行人聚集区的智能交通信号灯控制装置，该装置使用了树莓派连接摄像头、地磁线圈、压力传感器，STM32单片机连接舵机，树莓派只进行统计计算得出最优时间，分配交通灯时间，装置中STM32仅用于控制舵机，增加了控制难度的同时也增加了成本。同时仅开发了树莓派的控制运算能力，没有对其进行网络开发，效果不理想。

发明内容

针对上述现有技术的缺陷和不足，本发明要解决的技术问题在于，提供一种基于树莓派与互联网的智能交通信号控制系统，该系统拓展网络接口，实现网络通信。

本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：

一种基于树莓派与互联网的智能交通信号控制系统，包括地下检测模块、信号显示模块、控制决策模块、图像采集模块；所述的信号显示模块包括信号灯子系统与数码管倒计时子系统，信号灯子系统与数码管倒计时子系统与树莓派控制器连接；其特征在于：

该系统还包括网络连接模块、远程终端和显示界面模块，其中网络连接模块、图像采集模块、信号显示模块、地下检测模块和显示界面模块均与控制决策模块相连；

所述的控制决策模块包括树莓派控制器，

所述的网络连接模块包括树莓派WiFi模块和云服务器，树莓派WiFi模块连接网络调用中国天气网API接口和高德地图官网API接口，同时通过树莓派WiFi模块连接网络将树莓派控制器与云服务器和远程终端连接在一起；

所述的图像采集模块包括摄像头与舵机，其中摄像头安装于舵机上，摄像头和舵机均与树莓派控制器连接；所述的摄像头与舵机安装于红绿灯灯杆上，设置其转动角度为所检测车道的车辆来向方向、车辆来向方向所设置的行人等待区域方向；

所述的显示界面模块包括显示屏，显示屏悬挂于每个通行方向红绿灯灯杆上，显示屏与树莓派控制器连接。

所述树莓派控制器为树莓派4B或树莓派3B+。

所述控制系统安装在交叉路口，在交叉路口的每个方向上均设置红绿灯灯杆，每个红绿灯灯杆上均安装有一个摄像头、一个红绿灯控制信号灯、一个显示屏及一个舵机，一个树莓派控制器连接一个交叉路口上所有的摄像头、舵机、红绿灯控制信号灯、显示屏及地下检测模块。

在交叉路口，红绿灯控制信号灯根据以第一方向直行>第一方向左拐>第二方向直行>第二方向左拐>…>第M方向直行>第M方向左拐>第一方向直行的顺序变换；(M一般可以取值1～3，此处以M取2进行阐述)

以第一方向直行为初始方向，交叉路口上的舵机搭载摄像头在一个周期内旋转角度为：交叉路口处于第一方向直行方向绿灯状态，此时第一方向上的两个摄像头分别处于对应检测区域的第一方向左拐车道方向，树莓派控制器获取第一方向上两个摄像头数据，其余方向的摄像头分别处于对应检测区域等待树莓派的指令；

路口信号灯从第一方向直行转换为向第一方向左拐的黄灯阶段时，此时第一方向的两个摄像头分别转至对应检测区域的第一方向直行车道方向等待树莓派的指令；路口信号灯变为第一方向左拐状态后，下一个方向的两个摄像头分别在对应检测区域的直行车道方向的角度与直行车道附近的行人等待区方向的角度之间周期性反复停留，树莓派控制器获取下一个方向上的摄像头所采集的数据；

路口信号灯从第一方向左拐转换为第二方向直行的黄灯阶段时，此时第二方向的两个摄像头分别转至对应检测区域的第二方向左拐车道方向；路口信号灯变为第二方向直行状态后，树莓派控制器获取第二方向上两个摄像头所采集数据，第一方向上的两个摄像头仍出于对应检测区域的第一方向直行车道方向等待树莓派指令；

路口信号灯从第二方向直行转换为向第二方向左拐的黄灯阶段时，此时第二方向的两个摄像头分别转至对应检测区域的第二方向直行车道方向等待树莓派的指令；路口信号灯变为第二方向左拐状态后，下一个方向的摄像头在对应检测区域的直行车道方向的角度与直行车道附近的行人等待区方向的角度之间周期性反复停留，树莓派控制器获取下一个方向摄像头所采集数据；

如此循环至第一方向直行，相应位置的摄像头始终检测下一通行状态所等待的行人和车辆，在黄灯阶段计算出下一通行状态的通行时间并将摄像头转至再下一个通行状态方向采集数据。

所述交叉路口为十字交叉路口。在十字交叉路口，一个树莓派控制器控制一个十字交叉路口上的四个红绿灯杆、四个行人等待区域及四个车辆等待区域；

以十字路口中心为基准，四个红绿灯灯杆上的摄像头分别命名为：摄像头N(北边架设)、摄像头S(南边架设)、摄像头E(东边架设)、摄像头W(西边架设)；树莓派在整个周期内的任何时刻只读取两个摄像头所采集数据且这两个摄像头的位置关于十字路口中心点为中心对称，即摄像头N与摄像头S为一对、摄像头E与摄像头W为一对，树莓派在某一时刻只读取其中一对摄像头所采集的数据；路口信号灯以东西直行->东西左拐->南北直行->南北左拐->东西直行顺序变换；

以初始方向是“东西方向直行”为例四个舵机搭载摄像头在一个周期内旋转角度是：

路口处于东西直行方向绿灯状态，此时摄像头E与摄像头W分别处于对应检测区域的东西方向左拐车道方向，树莓派控制器获取摄像头E与摄像头W所采集数据，摄像头N与摄像头S分别处于对应检测区域的南北方向直行方向等待树莓派控制器的指令；

路口信号灯从东西方向直行转换为向东西方向左拐的黄灯阶段时，此时摄像头E与摄像头W分别转至对应检测区域的东西方向直行车道方向等待树莓派控制器的指令；路口信号灯变为东西方向左拐状态后，摄像头N与摄像头S分别在对应检测区域的南北方向直行车道方向的角度与南北方向直行车道附近的行人等待区方向的角度之间周期性反复停留，树莓派控制器获取摄像头N与摄像头S所采集数据；

路口信号灯从东西方向左拐转换为南北方向直行的黄灯阶段时，此时摄像头N与摄像头S分别转至对应检测区域的南北方向左拐车道方向；路口信号灯变为南北方向直行状态后，树莓派控制器获取摄像头N与摄像头S所采集数据，摄像头E与摄像W仍出于对应检测区域的东西方向直行车道方向等待树莓派控制器指令；

路口信号灯从南北方向直行转换为向南北方向左拐的黄灯阶段时，此时摄像头N与摄像头S分别转至对应检测区域的南北方向直行车道方向等待树莓派控制器的指令；路口信号灯变为南北方向左拐状态后，摄像头E与摄像头W分别在对应检测区域的东西方向直行车道方向的角度与东西方向直行车道附近的行人等待区方向的角度之间周期性反复停留，树莓派控制器获取摄像头E与摄像头W所采集数据；

路口信号灯从南北方向左拐转换为东西方向直行的黄灯阶段时，此时摄像头E与摄像头W分别转至对应检测区域的东西方向左拐车道方向；路口信号灯变为东西方向直行状态后，树莓派控制器获取摄像头E与摄像头W所采集数据，摄像头N与摄像S仍然在对应检测区域的南北方向直行车道方向等待树莓派控制器指令；

自此完成了一个周期内四个摄像头的角度旋转，期间摄像头始终检测下一通行状态所等待的行人和车辆，在黄灯阶段计算出下一通行状态的通行时间并将摄像头转至再下一个通行状态方向采集数据。

所述的基于树莓派与互联网的智能交通信号控制系统，工作过程包括：

网络连接模块：将树莓派控制器连接网络，并记录树莓派控制器的网络IP地址，通过树莓派WiFi模块连接远程终端即可利用VNC远程控制界面，在远程终端输入树莓派控制器的IP地址远程操控树莓派控制器；启动系统，通过中国天气网API获取路口所在地区的天气信息：包括天气状况、能见度、PM2.5数值、未来1小时预测；通过高德地图API获取路口所在地区附近路况信息：包括道路通畅度；

保留在树莓派控制器本地磁盘存储的数据和云服务器存储的数据共同构成系统数据库，设定系统数据库发送周期与发送地址，系统即会根据设定的发送周期与发送地址周期性地发送所在路口每个周期内路口通行数据至云服务器；

网络连接模块连接远程终端，远程终端包括有控制界面，控制界面包括：程序暂停、程序继续、远程手动操控、常规模式、程序结束五个操控按钮。

点击远程手动操控按钮后弹出手动操控界面，该界面包括：四个访问摄像头按钮、东西方向通行按钮、东西左拐通行按钮、南北方向通行按钮、南北左拐通行按钮，点击相应按钮即可做出对应操作。

所述的地磁线圈每组横向埋设于路面之下，长度为通行车道宽度，隔3～5米铺设一组；地磁线圈共计铺设30～40组，地磁线圈感应器连接于每组地磁线圈末端；压力传感器位于人行横道附近所指定的摄像头检测的矩形区域，每个区域采用五点法铺设5组压力传感器，分别位于矩形区域的四个角与中心，每组压力传感器均通过压力传感器放大器、采集芯片连接树莓派控制器。

实施本发明的技术方案，至少具有以下的有益效果：

本发明突出的实质性特点是：

本发明装置利用树莓派控制器直接连接摄像头和舵机，同时树莓派连接网络利用网络资源，于中国天气网获取路口所在地区天气信息、于高德地图获取路口所在地区附近道路的路况信息、运用远程网络控制技术进行路口远程访问与远程控制，将每个周期内各个通行方向通过的车辆、行人数量以数据库形式保存在树莓派内存(本地磁盘)中，并定期利用网络发送至云服务器存储。

本发明的显著进步是：

1)本发明可以实时根据不同的车流、人流协调控制，在原有基础上考虑了行人因素，降低了路口空放空待、多次停车、行人闯红灯等现象的发生率。在摄像头受恶劣天气影响检测准确率时，地下检测模块可以辅助检测，提高了系统的稳定性。合理开发了系统的网络功能，将获取的天气信息与附近道路路况公布在显示屏上，提示合理的出行建议，以供车辆和行人参考；远程访问与控制路口状态，能够简易快速的间接指挥交通；所采集的数据有助于分析路口的日常通行情况和通行规律。

2)本发明利用摄像头采集路口下一个通行方向所等待的车辆和行人信息，地下检测模块辅助采集信息；树莓派收集采集信息并进行处理运算，将所得车辆、行人数据带入设定好的信号灯配时算法得出下一通行方向所需的放行时间，进而控制信号灯状态；同时树莓派连接网络利用网络资源，通过中国天气网API获取路口所在地区天气信息、通过高德地图API获取路口所在地区附近道路的路况信息、运用远程网络控制技术进行路口远程访问与远程控制，将每个周期内各个通行方向通过的车辆、行人数量以数据库形式保存在树莓派本地磁盘中，并定期利用网络发送至云服务器存储。

3)本发明装置不仅适用于单向路口，还适用于交叉路口，尤其是实现了十字路口的运行。舵机搭载摄像头，始终检测下一通行状态所等待的行人和车辆，在黄灯时进行通行时间计算与舵机转向，为了检测准确因此设置了行人等待区域。比如系统当前正处于东西方向通行阶段，而舵机目前搭载摄像头转至东西左拐方向进行检测，当信号灯转换为黄灯时，将采集的行人、车辆数据带入时间算法，计算出东西左拐通行的时间并且舵机转至南北通行方向检测。将一个周期的计算划分成了一个周期中的某一通行方向时间的计算，减少主控芯片对红绿灯时间计算的运算量，同时提高了准确性。

附图说明

图1为本发明智能交通信号灯系统结构图。

图2为本发明智能交通信号灯路口设置图。

图3为本发明智能交通信号灯装置工作流程图。

图4为本发明中远程控制界面的示意图。

图5为本发明中摄像头数据处理界面示意图。

图中，1网络连接模块、2图像采集模块、3控制决策模块、4信号显示模块、5地下检测模块、6显示界面模块。

具体实施方式

下面结合实施例及附图进一步解释本发明，但并不以此作为对本申请保护范围的限定。

本发明一种基于树莓派与互联网的智能交通信号控制系统，包括地下检测模块5、信号显示模块4、控制决策模块3、图像采集模块2、网络连接模块1、远程终端和显示界面模块6；其中网络连接模块、图像采集模块、信号显示模块、地下检测模块和显示界面模块均与控制决策模块相连；

所述的控制决策模块包括树莓派控制器，可以为树莓派4B或树莓派3B+；

所述的网络连接模块包括树莓派WiFi模块和云服务器，树莓派WiFi模块连接网络调用中国天气网API接口和高德地图官网API接口，同时通过树莓派WiFi模块连接网络将树莓派控制器与云服务器和远程终端连接在一起；其包括的功能为：利用网络技术于中国天气网获取系统所在地的天气信息、于高德地图官网获取系统所在路口附近路况信息、远程访问摄像头、远程控制信号灯状态、定期发送系统运行数据至云服务器；

所述的图像采集模块包括摄像头与舵机，其中摄像头安装于舵机上，摄像头和舵机均与树莓派控制器连接；所述的摄像头与舵机安装于红绿灯灯杆上，设置其转动角度为所检测车道的车辆来向方向、车辆来向方向所设置的行人等待区域方向；

所述的信号显示模块包括信号灯子系统与数码管倒计时子系统，信号灯子系统与数码管倒计时子系统也与树莓派控制器连接；

所述的显示界面模块包括显示屏，显示屏悬挂于每个通行方向红绿灯灯杆上，显示屏与树莓派控制器连接，实时显示当前路口所在地天气信息、路口附近路况信息、提示的出行建议。

所述的地下检测模块包括地磁线圈、地磁线圈感应器、压力传感器和压力传感器放大器，地磁线圈和地磁线圈感应器相连，压力传感器和压力传感器放大器相连，地磁线圈感应器和压力传感器放大器与数据采集芯片相连；所述的地磁线圈每组横向埋设于路面之下，长度为通行车道宽度，隔3～5米铺设一组；地磁线圈共计铺设30～40组，地磁线圈感应器连接于每组地磁线圈末端；压力传感器位于人行横道附近所指定的摄像头检测的矩形区域，每个区域采用五点法铺设5组压力传感器，分别位于矩形区域的四个角与中心，每组压力传感器与一个压力传感器放大器相连，尽量实现对采集区域的全区域信号采集。

实施例1

图1所示实施例表明，本发明智能交通信号灯系统的组成包括网络连接模块1、图像采集模块2、控制决策模块3、信号显示模块4、地下检测模块5和显示界面模块6。其中以控制决策模块3为核心，网络连接模块1、图像采集模块2、信号显示模块4、地下检测模块5和显示界面模块6均与其相连。控制决策模块3发出所需要信息至网络连接模块1，网络连接模块1获取控制决策模块3所需信息，并将信息传回控制决策模块3。控制决策模块3将获取的信息与要显示的信息发送至显示界面模块6。当图像采集模块2不受天气影响时，图像采集模块2传递采集数据至控制决策模块3；当天气大雨、大雾等，能见度低至图像采集模块2无法正常工作时，切换为地下检测模块5传递采集数据至控制决策模块3。控制决策模块3对接收到图像采集模块2或地下检测模块5的数据进行分析处理、计算信号灯配时后将控制信号传递至信号显示模块4，同一时刻以一种方式采集的信号为准能减少主控芯片的运算量，并发送控制信号至图像采集模块2使舵机转到下一通行方向。

信号显示模块4为显示信号灯及对应倒计时数值。

以一个十字交叉路口为例，在每个红绿灯杆上分别安装一个舵机、摄像头及红黄绿灯控制信号灯、倒计时数码管，一个树莓派控制器控制一个十字交叉路口上的四个红绿灯杆、四个行人等待区域及四个车辆等待区域。控制决策模块为树莓派4B控制器，树莓派4B有40个引脚引出，其中除2个5V、2个3.3V、8个地外，其余28个引脚可以设置为输出，输出高电平(3.3v)或输出低电平(0v)；设置为输入，这时可以接收信号，这一信号不光可以来自机械开关，还可以是各式各样的传感器或其他设备。12个引脚接信号灯，作为四个通行方向的红、黄、绿灯控制信号，2个引脚分别接两对舵机，作为舵机旋转角度的控制信号，8个引脚接数据采集芯片，作为采集数据芯片数据的接收，一组采集芯片(4个)连接多个压力传感器放大器，另一组采集芯片(4个)连接多个地磁线圈传感器分别采集各自的传感器数据；6个引脚接数码管，作为四个数码管显示示数的控制信号。实际虽然需要控制24个信号灯灯、4个舵机(4个摄像头)、4个数码管，但因为是路口是对称的，所以被控信号是共用的。

树莓派控制器的HDMI接口通过HDMI(高清晰度多媒体接口)转VGA转接线连接显示界面模块的显示器，树莓派控制器的四个USB接口分别连接一个USB摄像头，四个走向的红黄绿信号灯、四个数码管、八个数据采集芯片及四个舵机分别连接在树莓派控制器的相应输出引脚上(摄像头、数码管直接采用现有路口信号控制的数码管、摄像头即可)。

地磁线圈+地磁线圈感应器采用Zigbee无线网络车辆检测传感器型号WVD-130X，用于采集地磁线圈数据的数据采集芯片为WAP-348x无线接收器；

压力传感器为昆仑精测DYLY-102拉压力传感器，压力传感器放大器采用BSQ-001压力变送放大器，用于采集压力传感器数据的数据采集芯片采用ZKA-4088-WIFI；

信号灯为FX300-3-3P-BZ，数码管为两个LED-595-7.0级联，摄像头可为海康威视DS-2CE16C3T-IT3，显示器为P4LED显示屏，舵机为MG995。

图2所示实施例表面，本发明智能交通信号灯路口设置是：

路口设置组成包括行人等待区域7、压力传感器铺设8、地磁线圈铺设9、红绿灯灯杆10、数码管11、指示灯12、摄像头与舵机13、显示屏14和控制箱15。其中压力传感器铺设8在行人等在区域7内，且采用五点放置方式；地磁线圈铺设9在车辆等待区域，数码管11、指示灯12、摄像头与舵机13和显示屏14均架设在红绿灯灯杆10上，控制箱15内放置树莓派、数据采集芯片。其中每个通行方向的舵机搭载摄像头所旋转的角度方向分别为：车辆行驶方向与被检测车辆行驶方向区域对应相邻的行人等待区域方向，旋转角度需要装配前根据路口设置好，一个摄像头转到图中三个方向。以十字路口中心为基准，4个红绿灯灯杆上的摄像头分别命名为：摄像头N(北边架设)、摄像头S(南边架设)、摄像头E(东边架设)、摄像头W(西边架设)。树莓派在整个周期内的任何时刻只读取两个摄像头所采集数据且这两个摄像头的位置关于十字路口中心点为中心对称，即摄像头N与摄像头S为一对、摄像头E与摄像头W为一对，树莓派在某一时刻只读取其中一对摄像头所采集的数据。路口信号灯以东西直行->东西左拐->南北直行->南北左拐->东西直行顺序变换。

以初始方向是“东西方向直行”为例4个舵机搭载摄像头在一个周期内旋转角度如下所述：

路口处于东西直行方向绿灯状态，此时摄像头E与摄像头W分别处于对应检测区域的东西方向左拐车道方向，树莓派获取摄像头E与摄像头W所采集数据，摄像头N与摄像头S分别处于对应检测区域的南北方向直行方向等待树莓派的指令；

路口信号灯从东西方向直行转换为向东西方向左拐的黄灯阶段时，此时摄像头E与摄像头W分别转至对应检测区域的东西方向直行车道方向等待树莓派的指令；路口信号灯变为东西方向左拐状态后，摄像头N与摄像头S分别在对应检测区域的南北方向直行车道方向的角度与南北方向直行车道附近的行人等待区方向的角度之间周期性反复停留，树莓派获取摄像头N与摄像头S所采集数据；

路口信号灯从东西方向左拐转换为南北方向直行的黄灯阶段时，此时摄像头N与摄像头S分别转至对应检测区域的南北方向左拐车道方向；路口信号灯变为南北方向直行状态后，树莓派获取摄像头N与摄像头S所采集数据，摄像头E与摄像W仍出于对应检测区域的东西方向直行车道方向等待树莓派指令；

路口信号灯从南北方向直行转换为向南北方向左拐的黄灯阶段时，此时摄像头N与摄像头S分别转至对应检测区域的南北方向直行车道方向等待树莓派的指令；路口信号灯变为南北方向左拐状态后，摄像头E与摄像头W分别在对应检测区域的东西方向直行车道方向的角度与东西方向直行车道附近的行人等待区方向的角度之间周期性反复停留，树莓派获取摄像头E与摄像头W所采集数据；

路口信号灯从南北方向左拐转换为东西方向直行的黄灯阶段时，此时摄像头E与摄像头W分别转至对应检测区域的东西方向左拐车道方向；路口信号灯变为东西方向直行状态后，树莓派获取摄像头E与摄像头W所采集数据，摄像头N与摄像S仍然在对应检测区域的南北方向直行车道方向等待树莓派指令；

自此完成了一个周期内4个摄像头的角度旋转，期间摄像头始终检测下一通行状态所等待的行人和车辆，在黄灯阶段计算出下一通行状态的通行时间并将摄像头转至再下一个通行状态方向采集数据。

所述的地磁线圈每组横向埋设于路面之下，长度为通行车道宽度，隔3～5米铺设一组；地磁线圈共计铺设30～40组，地磁线圈感应器连接于每组地磁线圈末端；压力传感器位于人行横道附近所指定的摄像头检测的矩形区域，每个区域采用五点法铺设5个压力传感器，分别位于矩形区域的四个角与中心，每个压力传感器与一个压力传感器放大器相连。

图3所示实施例表明，本发明智能交通信号灯装置的具体工作过程是：

(1)初始化设置：在系统工作前，根据路口所在地、路口每个通行方向的车道数目、通过路口的路程、人行横道长度、人行横道宽度、每个摄像头采集信息角度、行人通过路口饱和流率、车辆通过路口饱和流率的实际值设置分别对应程序运行时所需要的相应参数。在系统进入工作状态后，检查各个部分连接状况和初始化状况，检测无误后，进入步骤(2)。

(2)网络连接模块：将树莓派控制器连接网络，并记录树莓派控制器的网络IP地址，通过树莓派WiFi模块连接远程终端即可利用VNC(虚拟网络控制台)远程控制界面，在远程终端输入树莓派控制器的IP地址远程操控树莓派控制器。启动系统，于中国天气网获取路口所在的地区天气信息：包括天气状况、能见度、PM2.5数值、未来1小时预测；于高德地图官网获取路口所在地区附近路况信息包括：道路通畅度；

设定系统数据库(保留树莓派本地磁盘存储的数据和云服务器存储的数据)(整个系统一共有两个程序，同时运行，一个为路口控制信号灯状态程序，在运行中每个周期会记录一次数据并存储在树莓派的本地磁盘，另一个程序为获取天气信息、周边路况信息、远程访问与控制、发送存储的数据至云服务器存储，其中后者程序可以控制前一个程序，可以让前一个程序先停止，然后打开操作界面，直接控制路口信号灯的状态及远程控制功能)发送周期与发送地址，系统即会根据设定的发送周期与发送地址周期性地发送所在路口每个周期内路口通行数据至云服务器；

网络连接模块连接远程终端，远程终端包括有控制界面，控制界面(参见图4)包括：程序暂停、程序继续、远程手动操控、常规模式、程序结束五个操控按钮；其中点击手动操控按钮后弹出手动操控界面，该界面包括：访问摄像头E、摄像头W、摄像头N、摄像头S、东西方向通行、东西左拐通行、南北方向通行、南北左拐通行八个按钮，点击相应按钮即可做出对应操作。

图5中为摄像头数据处理界面，图中直行方向摄像头车辆数据处理界面1为一对摄像头(摄像头E和摄像头W、摄像头N和摄像头S)中的一个摄像头在直行状态下对车辆数据的处理，直行方向摄像头车辆数据处理界面2为另一个摄像头在直行状态下对车辆数据的处理。直行方向摄像头行人数据处理界面1和2、左拐方向摄像头车辆数据处理界面1和2含义与上述一致，在直行时左拐处理界面暂停不动，在左拐时直行界面暂停不动。

(3)图像采集模块：图像采集模块中舵机搭载摄像头始终采集信号灯下一通行阶段的方向的车辆、行人数据，摄像头实时采集信息，采集到的信息利用OpenCV(基于BSD许可(开源)发行的跨平台计算机视觉库)车辆检测识别车辆数目、人体检测识别行人数目，返回车辆数目与等待行人数目两个量至控制决策模块。若因特殊天气摄像头识别受到干扰，则运用步骤(4)。

(4)地下检测模块：利用地磁线圈和压力传感器采集信息。在检测区域地下等间距铺设地磁线圈，当汽车通过时地磁线圈产生的信号传地至地磁线圈感应器，数据采集芯片将每片采集区域的数据收集，再将信号传递至控制决策模块。在设置好的行人等待区域利用五点法放置压力传感器，从而估算出等待行人的数量，数据采集芯片将每块行人等待区域和车辆等待区域的数据收集，再将信号传递至树莓派控制决策模块。

(5)控制决策模块：每个控制周期首先读取步骤(2)中获取的天气状况和能见度并判断摄像头是否受到天气影响，如果摄像头不受天气影响，则采用图像采集模块获取车辆与行人信息；如果摄像头受天气影响，则采用地下检测模块采集车辆与行人数据。其次将获取的车辆数目和行人数目带入预先设定好的时间算法(时间算法是引用武汉理工大学李勇文教授论文《路段人行横道通行能力及过街绿灯时间计算》内的算法)。算法根据路口不同而设置不同的参数，此外加入灰色预测方法：根据所测结果对短时车、人流量进行的预测与反馈，实际值与预测值相加为最终车辆、行人数目计算值。最终计算结果取车辆过街时间和行人过街时间的最大值，且时间超过设置最大值时按照最大值计算。

(6)信号显示模块：根据接收到控制决策模块的控制信号，对信号显示模块进行控制，被控对象为红绿灯颜色控制部分和数码管倒计时显示部分。

(7)显示界面模块：显示屏悬挂于等待区前方红绿灯灯杆上，其显示内容由树莓派控制器提供包括：天气状况、能见度、PM2.5数值、未来1小时天气预测、合理行车速度、附近道路通畅度。

由此完成对路口的控制与出行信息的提示。该系统的时间算法设计是针对被控路口专属的应对不同车、人流的控制，有助于提高路口的通行效率。充分考虑行人因素，使行人在路口也占有一定的主动权，体现了以人为本的理念。避免了行人这一重要交通元素被忽略而导致的一系列问题。降低交通拥堵的发生率；减少不必要的等待时间和汽车停车次数。有效的利用了网络技术，在成本较低的前提下，保障了获取信息的准确性与可靠度。程序在运行的同时，将路口每个时间段、每个通行方向、车辆与行人分别数目以数据库的形式记录并定期发送至云服务器存储。为研究设备所在路口的通行规律提供了有效的数据，日后能以大量统计数据为基础，开发设备所在路口专有的控制方案。运用远程访问与远程控制技术，当路口因较小的堵塞现象需要交警指挥时，交警通过远程终端可以远程访问摄像头观看路况，直接对控制界面进行操作即可改变路口信号灯通行状态。同时系统仍然保留常规配时模式即设置各个通行方向为固定的放行时间，以防止因一些突发状况导致设备异常运行而造成交通混乱。

以上所述实施例仅表达了本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术员来说，在不脱离本发明构思的前提下，本发明可以有各种更改、组合和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作任何的修改、等同替换、改进、变形，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

本发明未述及之处适用于现有技术。

Claims (8)

1.一种基于树莓派与互联网的智能交通信号控制系统，包括地下检测模块、信号显示模块、控制决策模块、图像采集模块；所述的信号显示模块包括信号灯子系统与数码管倒计时子系统，信号灯子系统与数码管倒计时子系统与树莓派控制器连接；其特征在于：

该系统还包括网络连接模块、远程终端和显示界面模块，其中网络连接模块、图像采集模块、信号显示模块、地下检测模块和显示界面模块均与控制决策模块相连；

所述的控制决策模块包括树莓派控制器，

所述的网络连接模块包括树莓派WiFi模块和云服务器，树莓派通过WiFi模块连接网络调用中国天气网API接口和高德地图官网API接口，同时通过树莓派WiFi模块连接网络将树莓派控制器与云服务器和远程终端连接在一起；

所述的图像采集模块包括摄像头与舵机，其中摄像头安装于舵机上，摄像头和舵机均与树莓派控制器连接；所述的摄像头与舵机安装于红绿灯灯杆上，设置其转动角度为所检测车道的车辆来向方向、车辆来向方向所设置的行人等待区域方向；

所述的显示界面模块包括显示屏，显示屏悬挂于每个通行方向红绿灯灯杆上，显示屏与树莓派控制器连接。

2.如权利要求1所述的基于树莓派与互联网的智能交通信号控制系统，其特征为：所述树莓派控制器为树莓派4B或树莓派3B+。

3.如权利要求1所述的基于树莓派与互联网的智能交通信号控制系统，其特征为：所述控制系统安装在交叉路口，在交叉路口的每个方向上均设置红绿灯灯杆，每个红绿灯灯杆上均安装有一个摄像头、一个红绿灯控制信号灯、一个显示屏及一个舵机，一个树莓派控制器连接一个交叉路口上所有的摄像头、舵机、红绿灯控制信号灯、显示屏及地下检测模块。

4.如权利要求3所述的基于树莓派与互联网的智能交通信号控制系统，其特征为：在交叉路口，路口信号灯根据以第一方向直行>第一方向左拐>第二方向直行>第二方向左拐>…>第M方向直行>第M方向左拐>第一方向直行的顺序变换；

以第一方向直行为初始方向，交叉路口上的舵机搭载摄像头在一个周期内旋转角度为：交叉路口处于第一方向直行方向绿灯状态，此时第一方向上的两个摄像头分别处于对应检测区域的第一方向左拐车道方向，树莓派控制器获取第一方向上两个摄像头数据，其余方向的摄像头分别处于对应检测区域等待树莓派的指令；

路口信号灯从第一方向直行转换为向第一方向左拐的黄灯阶段时，此时第一方向的两个摄像头分别转至对应检测区域的第一方向直行车道方向等待树莓派的指令；路口信号灯变为第一方向左拐状态后，下一个方向的两个摄像头分别在对应检测区域的直行车道方向的角度与直行车道附近的行人等待区方向的角度之间周期性反复停留，树莓派控制器获取下一个方向上的摄像头所采集的数据；

路口信号灯从第一方向左拐转换为第二方向直行的黄灯阶段时，此时第二方向的两个摄像头分别转至对应检测区域的第二方向左拐车道方向；路口信号灯变为第二方向直行状态后，树莓派控制器获取第二方向上两个摄像头所采集数据，第一方向上的两个摄像头仍出于对应检测区域的第一方向直行车道方向等待树莓派指令；

路口信号灯从第二方向直行转换为向第二方向左拐的黄灯阶段时，此时第二方向的两个摄像头分别转至对应检测区域的第二方向直行车道方向等待树莓派的指令；路口信号灯变为第二方向左拐状态后，下一个方向的摄像头在对应检测区域的直行车道方向的角度与直行车道附近的行人等待区方向的角度之间周期性反复停留，树莓派控制器获取下一个方向摄像头所采集数据；

如此循环至第一方向直行，相应位置的摄像头始终检测下一通行状态所等待的行人和车辆，在黄灯阶段计算出下一通行状态的通行时间并将摄像头转至再下一个通行状态方向采集数据。

5.如权利要求3所述的基于树莓派与互联网的智能交通信号控制系统，其特征为：所述交叉路口为十字交叉路口。

6.如权利要求5所述的基于树莓派与互联网的智能交通信号控制系统，其特征为：在十字交叉路口，一个树莓派控制器控制一个十字交叉路口上的四个红绿灯杆、四个行人等待区域及四个车辆等待区域；

以十字路口中心为基准，四个红绿灯灯杆上的摄像头分别命名为：摄像头N(北边架设)、摄像头S(南边架设)、摄像头E(东边架设)、摄像头W(西边架设)；树莓派在整个周期内的任何时刻只读取两个摄像头所采集数据且这两个摄像头的位置关于十字路口中心点为中心对称，即摄像头N与摄像头S为一对、摄像头E与摄像头W为一对，树莓派在某一时刻只读取其中一对摄像头所采集的数据；路口信号灯以东西直行->东西左拐->南北直行->南北左拐->东西直行顺序变换；

以初始方向是“东西方向直行”为例四个舵机搭载摄像头在一个周期内旋转角度是：

路口处于东西直行方向绿灯状态，此时摄像头E与摄像头W分别处于对应检测区域的东西方向左拐车道方向，树莓派控制器获取摄像头E与摄像头W所采集数据，摄像头N与摄像头S分别处于对应检测区域的南北方向直行方向等待树莓派控制器的指令；

路口信号灯从东西方向直行转换为向东西方向左拐的黄灯阶段时，此时摄像头E与摄像头W分别转至对应检测区域的东西方向直行车道方向等待树莓派控制器的指令；路口信号灯变为东西方向左拐状态后，摄像头N与摄像头S分别在对应检测区域的南北方向直行车道方向的角度与南北方向直行车道附近的行人等待区方向的角度之间周期性反复停留，树莓派控制器获取摄像头N与摄像头S所采集数据；

路口信号灯从东西方向左拐转换为南北方向直行的黄灯阶段时，此时摄像头N与摄像头S分别转至对应检测区域的南北方向左拐车道方向；路口信号灯变为南北方向直行状态后，树莓派控制器获取摄像头N与摄像头S所采集数据，摄像头E与摄像W仍出于对应检测区域的东西方向直行车道方向等待树莓派控制器指令；

路口信号灯从南北方向直行转换为向南北方向左拐的黄灯阶段时，此时摄像头N与摄像头S分别转至对应检测区域的南北方向直行车道方向等待树莓派控制器的指令；路口信号灯变为南北方向左拐状态后，摄像头E与摄像头W分别在对应检测区域的东西方向直行车道方向的角度与东西方向直行车道附近的行人等待区方向的角度之间周期性反复停留，树莓派控制器获取摄像头E与摄像头W所采集数据；

路口信号灯从南北方向左拐转换为东西方向直行的黄灯阶段时，此时摄像头E与摄像头W分别转至对应检测区域的东西方向左拐车道方向；路口信号灯变为东西方向直行状态后，树莓派控制器获取摄像头E与摄像头W所采集数据，摄像头N与摄像S仍然在对应检测区域的南北方向直行车道方向等待树莓派控制器指令；

自此完成了一个周期内四个摄像头的角度旋转，期间摄像头始终检测下一通行状态所等待的行人和车辆，在黄灯阶段计算出下一通行状态的通行时间并将摄像头转至再下一个通行状态方向采集数据。

7.根据权利要求1所述的基于树莓派与互联网的智能交通信号控制系统，工作过程包括：

网络连接模块：将树莓派控制器连接网络，并记录树莓派控制器的网络IP地址，通过树莓派WiFi模块连接远程终端即可利用VNC远程控制界面，在远程终端输入树莓派控制器的IP地址远程操制树莓派控制器；启动系统，调用中国天气网API获取路口所在的地区天气信息：包括天气状况、能见度、PM2.5数值、未来1小时预测；调用高德地图API获取路口所在地区附近路况信息：包括道路通畅度；

保留在树莓派控制器本地磁盘存储的数据和云服务器存储的数据共同构成系统数据库，设定系统数据库发送周期与发送地址，系统即会根据设定的发送周期与发送地址周期性地发送所在路口每个周期内路口通行数据至云服务器；

网络连接模块连接远程终端，远程终端包括有控制界面，控制界面包括：程序暂停、程序继续、远程手动操控、常规模式、程序结束五个操控按钮。

8.根据权利要求7所述的基于树莓派与互联网的智能交通信号控制系统，其特征在于，点击远程手动操控按钮后弹出手动操控界面，该界面包括：四个访问摄像头按钮、东西方向通行按钮、东西左拐通行按钮、南北方向通行按钮、南北左拐通行按钮，点击相应按钮即可做出对应操作。