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基于RTOS的智能交通燈設計方法
摘要：介紹一種基于車流量變化動態調節時間的智能交通燈的設計方法；在進行流量統計的同時，對違章情況進行監測；根據模糊算法分配各車道的綠燈時間，實現車流動態調節。分析其中存在的多種任務，用傳統的前后臺編程方法實現難度較大，使用實時操作系統可簡化程序設計，并使程序具有良好的可讀性、可維護性和可移植性。介紹車流量檢測的原理與綠燈時間分配方案。關鍵詞：智能交通燈車流量實時多任務實時操作系統
引言
隨著城市汽車保有量的越來越多，城市的交通擁擠問題正逐漸引起人們的注意。交通燈是交管部分管理城市交通的重要工具。目前絕大部分交通燈其時間都是設定好的，不管是車流高峰還是低谷，紅綠燈的時間都固定不變；還有一些交通燈能根據簡單劃分的時間段來調整時間，但控制起來都不是很靈活，這使得城市車流的調節不能達到最優。本文所述設計正是針對這一弊端進行了改進，根據實時車流量對各路口的綠燈時間進行動態調節，大大加強了其靈活性和實時性；軟件編程采用了實時操作系統RTX51，在確保實時性要求的同時，簡化了復雜的軟件設計工作。
1方案論證
圖1是一個典型的十字路口示意圖。分別用1、2、3、4表明四個流向的主車道，用a、b、c、p分別表示各主車道的左行車道、直行車道、右行車道以及人行橫道。
通過分析很容易得知，除了四個右行車道外，在同一時間，最多只能有兩個車道通行，如1a、1b通行時，其它車道都會被阻斷。所以在設計紅綠燈時，可以兩兩組合，共有四組（如la-1b、2a-2b、3a-3b、4a-4b）；而各車道的紅燈時間和人行橫道通停時間都由這四個組合的綠燈窗口時間決定。本文將以廣泛采用的圖2所示的通行順序來講述智能交通燈的設計。
2系統軟硬件設計
本系統硬件上采用上位機和下位機設計，其中下位機四個，均采用AT89C52單片機，分別控制圖2所示的四個組合。AT89C52單片機具有MCS-51內核，片內有8KBFlash、256字節RAM、6個中斷源、1個串行口、最高工作頻率可達24MHz，完全可以滿足本系統的需要。
上位機和下位機之間的串行通信采用RS-485標準接口。在通信頻率為9600bps的情況下，有效通信距離可達2.1km。
軟件設計中，采用RTX51小型實時操作系統。它是一個專用于8051系列處理器的多任務實時操作系統，能使用四個任務優先權完成同時存在時間片輪轉調度和搶先的任務切換，并可以簡化那些復雜而且時間要求嚴格的工程軟件設計工作。
2.1下位機設計
以控制1a-1b-3c-4c-2p組合的下位機為例說明。
下位機外接動態車輛檢測電路、LED和數碼相機。各下位機通過對車輛檢測電路定時掃描，讀取各車道當前信息，判斷是否有車通過；LED顯示各車道方向箭頭及剩余時間；數碼相機則對違章車輛進行抓拍。
動態車輛檢測電路結構如圖3所示。
埋設在各車道安全線前方路面下的環形線圈傳感器與振蕩器匹配，形成一定頻率的周期信號。該信號經施密特整形電路轉化為脈寬信號后可作為計數脈沖。當有車輛通過該環形線圈時，線圈磁場發生變化，從而導致計數脈沖數量的變化。將100ms時間內沒有車通過時的頻率計數作為基準計數Base，實際計數為Num。當NumBase>0時，就可判定有車輛通過。
下面是下位機中多任務的分析與實現。
（1）初始化任務
初始化串行接口，并開始全部其它任務。最后刪除自身，因為初始化只需要一次。
（2）數據采集任務
每隔100ms順次讀取四個車道（1a、1b、3c、4c）動態車輛檢測電路的信息，判斷Num-Base是否大于0。若為真，則置相應Flag為1，否則置0（Flash表示某一車道有無車輛通過的標識）。令FLAG1、flag1分別標志1a車道上一次和本次的檢測結果。若FLAG1-flag1=1，則表明有車通過（同樣，可以令FLAG2、flag2標識1b車道，FLAG3、flag3標識3c車道、FLAG4、flag4標識4c車道前后兩次的檢測結果）。若任一車道有車通過，則向流量統計及違章監測任務發送信號。程序如下：
voidjob2()_task_job2{
while(1){
讀取車輛檢測電路信息，通過判斷給flag1、flag2、flag3、flag4賦值；
if(FLAG1-flag1==1||FLAG2-flag2==1||FLAG3-flag3==1||FLAG4-flag4=1)//若某一車道有車通過
{
記錄有車通過的車道；
os_send_signal(job3);//向流量統計與違章監測任務發出信號
}
FLAG1=flag1;FLAG2=flag2;FLAG3=flag3;FLAG4=flag4；//當前標識位成為前一標識位
各計數器恢復初值；
os_wait(100ms)；
}
}
（3）流量統計與違章監測任務
在接收到任務2發來的信號后，根據其提供的車道記錄及該車道的當前顯示情況，實現流量統計或違章監測的功能。
voidjob3()_task_job3{
while(1){
os_wait(K_SIG,0,0);
if(1a||1b車道有車通過){
if(當前為紅燈)啟動數碼相機抓拍，并讀取實時時鐘當前時間；
elseN1++;//在綠燈持續時間內對通過車輛計數
}
else若當前為紅燈，啟動數碼相機抓拍，并讀取時間。3c、4c違章監測
}
}
（4）顯示任務
圖2十字路口典型通行順序示意圖
在外接的LED上分別顯示四個車道方向箭頭和人行橫道的紅綠燈，以及1a-1b車道剩余時間。最初的窗口時間由上位機給定。該顯示值每秒鐘刷新一次。
Voidjob4()_task_job4{
t1=T1;//T1為上位機給定綠燈窗口時間
while(1){
各路口方向箭頭、人行橫道紅綠燈顯示及1a、1b車道剩余時間（t1）顯示；
os_wait(1000ms)；//1s刷新
t1--;
if(t1==0)
{os_create_task(job6);//若時間到，創建通信任務
os_delete_task(job4)；}//刪除顯示任務
}
}
（5）看門狗復位任務
定期對看門狗進行復位，表明程序正常運行。
（6）通信任務
當時間到時，根據當前情況進行紅綠燈顯示切換若1a、1b當前為綠燈，則時間到后通知上位機，并將統計的車流量經串行口傳送給上位機，由上位機觸發下一組綠燈顯示；右1a、1b當前為紅燈，則時間到后等待上位機觸發信號。這樣由上位機統一調度，可以避免各下位機各自為政所造成的時間差。由于通信任務對時間特性的要求很高，所以應將通信任務設為高優先級。
Voidjob6()_task_job6_prority_1{
if(綠燈時間間到){
V1=N1*60/(2*T1);//N1表示1a、2b車道在T1時間內通過的車輛總和，V1為該綠燈周期內兩個車道平均每分鐘車流量
將V1值傳送上位機；
N1清0；
1a、1b、3c、2p轉紅色顯示；
}
if(紅燈時間到){
os_wait(K_SIG,0,0)；//等待上位機信號
根據上位機計算數據更新T1；
1a、1b、4c、2p轉綠色顯示；
}
os_create_task(job4);//創建顯示任務
os_delete_task(job6);//刪除自身
}
2.2上位機設計
上位機主要完成人機交互的功能。它外接一個字符型LCD顯示器和鍵盤。LCD顯示器在睡眠狀態下顯示各路口的當前綠燈窗口時間。當有鍵盤響應時，作相應的輔助顯示。
本系統的鍵盤采用9按鍵輸入。當主車道上有緊急車輛（如警車、消防車或急救車等）要求通行時，可以按下此鍵。
本系統設定了6種功能選項：4個主車道的綠燈窗口時間調節選項、手動/自動操作模式切換選項以及違章記錄查詢選項。這6項功能，可以通過按功能鍵進行切換。
下面是上位機中多任務的分析與實現。
（1）初始化任務
初始化串行接口及各車道組合的綠燈窗口時間（20s），并開始其它任務，最后刪除自身。
（2）鍵盤掃描任務
利用順序查詢的方式，定時對鍵盤進行掃描，判斷是否有按鍵被按下。若有，則判斷是哪個鍵被按下，并向任務3發出信號。
voidjob2_task_job2{
while(1){
掃描鍵盤；
if(有鍵被按下){
判斷是哪個鍵；
os_send_signal(job3);
}
os_wait(10ms);
}
}
(3)鍵盤處理任務
若在初始情況下按下功能鍵，則進入6個功能項。再次按下功能鍵，則在這6個功能項之間進行切換；若按下的是確定鍵，則創建相應功能項所定義的任務。在任何情況下按下緊急通行鍵，將創建緊急通行任務。
（4）顯示任務
當鍵盤掃描任務在一定的時間內沒有檢測到輸入信號時，將LCD轉入睡眠狀態，面板顯示各車道組合的當前綠燈窗口時間。若該窗口時間由于任務5被更新，當有按鍵被按下時，則根據按鍵情況作相應的輔助顯示。
（5）時間自動調節任務
在自動操作模式下，每隔10min，對各下位機上傳的各車道組合的車流量進行分析，根據模糊算法確定各車道組合的最優時間分配。
分別用V1、V2、V3、V4表示1a-1b、2a-2b、3a-3b、4a-4b四個車道組合當前每分鐘平衡車流量，t1、t2、t3、t4表示各自綠燈窗口時間，則綠燈時間分配如表1所列。
表1綠燈時間分配表
Vi(i=1～4)Vi≤55<5i≤1010<Vi≤1515<Vi≤20Vi>20ti/S1520253035
不難理解，每一組合的紅燈窗口時間等于其它三個組合的綠燈窗口時間之和。為了避免某一組車道等待的時間過長，當有兩個以上的車道組合的每分鐘平衡車流量都大于15時，將它們的綠燈時間都定為30s。這樣，最長的等待時間不超過90s。
（6）時間手動調節任務
每按一下“+鍵”，將當前車道組合的綠燈窗口時間加1，按“-鍵”則減1。當按確定鍵后，則當前設定時間被保存到變量Ti中。
（7）手動/自動切換任務
當切換到自動操作模式時，創建任務5，并發出信號使任務3中“主車道綠燈窗口時間調節”功能項不可選。當切換到手動操作模式時，刪除任務5，并解除時間調節功能項的限制。
（8）違章查詢任務
讀取各個位機的違章記錄，包括違章車道和違章時間，并在LCD上顯示出來。違章車輛的圖像信息可由數碼相機獲取。
（9）緊急通行任務
當緊急通告鍵被按下時，該任務被創建。任務首先保存當前各車道組合的綠燈窗口時間，然后強制有緊急情況的車道組合綠燈顯示、其它車道組合紅燈顯示，以保障緊一輛順序通行。延時10s后，恢復以前的順序顯示。由于該任務時間特性要求很高，所以應將其優先級設為2，高于通信任務。最后刪除自身。
（10）看門狗復位任務
定期對看門狗進行復位，表明程序正常運行。
（11）通信任務
當某一下位機因綠燈時間到而觸發串行口中斷后，該取該下位機的當前車流量Vi，并觸發控制下一車道組合的下位機進行綠燈顯示；同時，將更新的綠燈窗口時間ti(i=1～4)賦給各下位機，從而實現對車流量的動態調節。由于該任務時間特性要求較高，將其優先級設為1。
結語
本系統結構簡單，操作方便；既可現場控制，又可遠程控制；擁有手動和自動兩種控制模式，具有一定的智能性；能根據現場狀況，合理地調節車流，對優化城市交通具有一定的意義。
另外，利用RTX51實時操作系統提供的系統特征，可以簡化多任務程序設計，滿足多個任務的時間特性要求，可完成前后臺編程方法難以完成的編程任務。同時基于實時多任務操作系統，可以將各任務進行細分包裝，使各任務保持相對獨立；能有效改善程序結構，便于模塊化處理，使程序的可讀性、可維護性和可移植性都得到進一步的提高。
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