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基于红外技术的交通灯设计
一、研究目的
在世界各地的城市中，随着人口的增加交通流量也不断增加，导致移动缓慢，交通拥挤。目前，许多交通灯大都采用的是离线的方式，使用历史测量的数据估测出最佳信号配置时间。该方法采用的只是固定配时的方式，这样容易造成“空等”的现象，如当南北方向为红灯且等待的车辆很多，而东西方向已经没有了车辆通行，但还按照原先设定的绿灯时间执行。这样的交通控制系统效率低，严重浪费了交通资源，增加了人们出行时间，影响人们的出行效率。这种固定配时的方案已经不能满足实际的需要[1]。虽然目前在一些城市采用了分时段控制的方案，即在车辆高峰期和平缓期分配不同的绿灯时间，采用该方式在一定程度上能够缓解交通压力，但因为采用该方式只是基于前期一段时间获取的车流信息来设置不同时间段的红绿灯时间，并且采用的是循环执行，因此不具有实时性的特点。故起到的效果很有限。基于这些问题，智能交通控制系统应运而生。
该课题研究的是基于车流量的交通灯控制系统，目的是为了解决交通拥堵的问题。实现对交通灯的优化，解决两车道的车辆轮流放行时间固定、两条干道的红绿灯时间不能随时间的改变而修改等问题，进而达到以改变交通整体状况的目的，除此功能之外，交通灯还有GSM故障报修模块、闯红灯报警模块。
二、交通灯研究现状及分析
（一）国外交通灯的研究现状
当前世界各国广泛使用的最具代表性却有实施的城市道路交通信号控制系统有英国的TRANSYT与SCOOTS交通控制系统和澳大利亚的SCATS系统。
在信号机的发展历程中，自适应理论一直受到各研究机构的欢迎，比如上面所述的SCOOTS和SCATS系统。最近几年，国外仍偏向于引进自适应理论来对交通信号控制系统进行研制,特别是美国有十几个大学或研制机构正在研制自适应交通信号控制系统，具有代表性的有美国亚利桑那大学研制的RHODES[2].
（二）国内交通灯的研究现状
我国交通领域的发展起步较晚，基本是从新中国建国之后，随着各方面的条件的成熟以及社会发展的要求，才建立及健全交通控制系统的，主要引用国外的交通控制系统。各级交通管理部门通过技术引进和自主创新，在中国部分大中城市里，摒弃旧有的控制方式，一些先进的控制技术得到应用。虽然在整体规模和层次上与世界发达国家还有不少差距，但部分领域技术水平已处于世界先进位置。目前，我国交通控制系统己不单单是对交叉口信号灯进行控制，而是集交叉口信号的控制和干线控制以及现代城市高速公路交通控制于一体的混合型交通，实现区域信号控制和城市高速公路集成控制[3]。
三、研究的意义
城市规模的不断扩大，机动车辆的急速增加，交通超负荷等一系列问题让道路一再出现拥堵状况，而我国大部分城市仍然采用平均定时分配方式控制交通灯，虽然缓解了交通矛盾，但道路并没有被高效利用[4]。本系统通过对道路上车流量实时检测，合理安排各个方向通行时间，有效改善了车辆拥堵状况，提高了通行效率，解决了交通堵塞问题，另外对减少能源消耗，降低环境污染程度也有一定的积极作用。同时闯红灯报警模块，能及时提醒行人红灯时间，有效防范事故的发生，GSM报修模块能让检修人员及时对故障交通灯进行维修。
四、课题任务要求
课题的设计主要有以下几个内容：倒计时功能、车流量检测模块、应急开关功能、闯红灯报警功能、GSM报修功能这五大功能组成，能实现手动控制和自动控制交通灯的功能。
（一）课题重点
（1）倒计时功能
不同方向的红绿灯时间通过数码管显示，并且以倒计时的形式呈现出来。
（2）车流量检测功能
在东西方向和南北方向均安装车辆传感器装置来感应不同方向的车流量，接通电源后，系统开始正常工作，由车流量检测器检测经过的车辆的数量，将收集到的车辆数量信息传送到单片机，单片机根据东西和南北方向的实时车流量数据，通过一定算法自动延长相应繁忙方向的绿灯倒计时时间，实现红、黄、绿灯的有序燃亮，防止“空等”现象，有效减少拥堵现象[5]。
（3）应急开关功能模块
当警车或者救护车出行时，就可以通过按下紧急按键启动紧急模式，此时的交通灯就会改变模式，装换为紧急模式。当紧急情况结束后，按键恢复正常模式，并根据路口车辆等待情况，判断红灯时间，尽快缓解交通拥堵情况。
（4）闯红灯报警功能
红灯时，检测到有人通过斑马线时，系统具备发出报警和提示行人的功能。因此，本系统实现功能的关键是检测周围环境。当红绿灯处于红灯时，系统能检测周围环境，并将检测结果反馈至单片机，做出警报处理；当红绿灯处于绿灯时，系统传感器的检测无效[6]。
（5）GSM故障报修功能
交通灯配备相关检测器，设置交通灯正常的条件，当检测器检测到超出正常情况，便进行故障报修功能，让维修工人能及时进行维修。
（二）课题关键问题
（1）车流量检测器的选择
当前对于道路车辆检测的方案主要有四种：视频检测、红外检测、地感线圈检测和超声波检测。视频检测是利用摄像头分析输入的交通图像，识别过往车辆，并计算车辆数量，优点是安装和维护方便、工作稳定、识别率高，缺点是容易受到恶劣天气影响；红外检测是通过线性排列的红外光发射和接收来检测经过的车辆，安装方便、不易受到天气的影响，但同时具有价格昂贵，使用寿命可能因环境因素受到影响；地感线圈检测是通过车辆的金属部件改变地感线圈的电感值来检测是否有车辆通过，这项技术计数准确、性能稳定、不会受到外界环境影响，但安装时需要破坏路面，工程量大、不易维护；超声波检测使用反射原理，通过计算超声波的发射和接收之间的时间差来确定车辆是否已经通过，该技术相较于其它技术而言安装方便、价格低廉、性能稳定、受天气影响小，但是技术实现较困难[7]。
选择合适的传感器，才能让交通灯的功能更准确。
（2）闯红灯模块传感器的选择
在报警模块，主要检测人是否闯红灯，即传感器的检测只对行人检测有效，对其他物体检测无效，因此系统传感器的选用很重要。
（3）应急模式下交通灯红灯时间的设置
当发生紧急情况的时候，执行紧急模式，在这种情况下，红灯设置时间过长，会使交通出现堵塞或者“空等”情况，造成不必要的麻烦，并且在经济情况结束之后，等待车辆过多，也会使堵塞情况严重[8]。
（4）GSM报修模块
交通灯的时间是根据车流量变化而变化的，在检测交通灯是否出现故障时，不能单纯根据时间来准确判定，要选择合适的方法来判断是否报修，并且报修信息的发送，要保证时效性、有效性[9]。
五、课题目标要求及可行性的分析
当车流量检测器将检测到的车辆的数量信息传送到单片机，单片机根据实时车流量数据，通过一定算法自动延长相应繁忙方向的绿灯倒计时时间，当出现紧急情况时，按下紧急按键启动紧急模式，此时的交通灯就会改变模式，直到情况结束。红灯时，检测到有人通过斑马线时，系统具备发出报警和提示行人的功能，同时GSM及时上报出现故障的交通灯。课题完成后能有效防范车辆事故、交通拥堵的发生。
六、课题所需条件
（1）笔记本电脑以及调试相关软件
（2）文献下载平台
（3）相关原件器材
（4）电烙铁等
七、课题进度计划
2019年12月1日—2020年1月1日：收集资料，整理思路，确定基本思路及系统的设计，完成开题答辩，提交报告
2020年1月2日—2020年3月1日：查阅文献，对课题总系统进行设计，仿真软件进行仿真，完成选材，保证在理论上，系统能实现功能
2020年3月1日—2020年4月1日：准备中期答辩，购买所需器材原件，进行原件的焊接调试
2020年4月2日—2020年5月1日：进行原件的焊接、调试及论文的编写
2020年5月1日—2020年5月15日：进行论文修改，查重，准备毕业答辩
2020年5月底：准备毕业答辩
参考文献：
[1]吕晓颖.基于车流量检测的智能交通控制系统设计与仿真[J].科技创新与应用,2019(25):42-43.
[2]翟明欣.一种带中断的单片机交通灯控制系统[J].集成电路应用,2019,36(09):60-61.
[3]范姝彤,李思思.智能交通灯控制系统优化[J].微处理机,2019,40(04):57-60.
[4]李波,韩达,许文杰.基于51单片机的交通灯模拟系统设计[J].河北农机,2019(03):57.
[5]贺哲明,袁申,牟晨淏,葛楠.基于FPGA的交通控制灯设计[J].电脑知识与技术,2019,15(07):239+257.
[6]黄帅,张娜娜,都一蕾,陈伟超.一种用于交通安全的红绿灯护栏[J].信息记录材料,2019,20(03):117-118.
[7]刘国进.具有语音播报功能的新型智能交通灯控制电路设计[J].通信电源技术,2019,36(02):163-164.
[8]陈嘉.基于单片机的交通灯控制系统设计探讨[J].中国新通信,2019,21(21):76.
[9]邹智恒,钟靓,刘含超,张科,白宇,邓皓云.基于单片机的十字路口交通灯控制系统设计[J].机械研究与应用,2019,32(05):157-159.
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