智能交通信號(hào)燈系統(tǒng)設(shè)計(jì)目錄TOC\o"1-3"\h\u5651第1章緒論 1126721.1設(shè)計(jì)背景 185531.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 1279191.3設(shè)計(jì)目的和意義 3210351.4論文主要內(nèi)容 4153911.5本章小結(jié) 47707第2章系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 555122.1系統(tǒng)總體思路 582722.2邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)電路 644132.3本章小結(jié) 77510第3章系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 8256883.1設(shè)計(jì)思路 8301103.2邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì) 8221053.3車流檢測(cè)節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì) 11246213.3.1硬件初始化 11167913.3.2車輛探測(cè) 12224933.4綠燈時(shí)長更新算法 15327493.5本章小結(jié) 1614271第4章系統(tǒng)測(cè)試 17282104.1電源電路測(cè)試 17100684.1.1LDO電路測(cè)試 17173964.1.2升壓電路測(cè)試 17157934.2LoRa模塊測(cè)試 18108964.2.1LoRa模塊功耗測(cè)試 18150694.2.2LoRa模塊AUX引腳測(cè)試 1955444.2.3LoRa模塊通信距離測(cè)試 20288924.3NB-IoT模塊測(cè)試 20124054.4車流檢測(cè)節(jié)點(diǎn)測(cè)試 225754.5系統(tǒng)模擬及交通信號(hào)燈測(cè)試 2337284.6本章小結(jié) 262626第5章總結(jié)與展望 2710635.1總結(jié) 2788875.2展望 2726810結(jié)束語 2824784參考文獻(xiàn) 3016856附錄 31第1章緒論1.1設(shè)計(jì)背景隨著城市現(xiàn)代化進(jìn)程地不斷推進(jìn),國內(nèi)車輛保有量逐年上升，在這個(gè)汽車時(shí)代，大多數(shù)家庭擁有私家車外出通行，私家車在帶來便利的同時(shí)，也會(huì)有很多難題。例如，在各個(gè)

十字路口人群與行車的交通矛盾特別突出。在交通管理的初期，僅僅只是依靠專職交通警察的手勢(shì)以及警笛和喇叭來引導(dǎo)交通。后來發(fā)展到1869年的時(shí)候，第一盞機(jī)械制紅藍(lán)信號(hào)燈在英國倫敦街頭亮起來了，開始有信號(hào)燈指揮交通的時(shí)代。在當(dāng)時(shí)，由于這種機(jī)械信號(hào)燈存在煤氣光源易爆炸的現(xiàn)象，引發(fā)了很多不可控的事件。在一片指責(zé)聲中，這種機(jī)械制初代交通信號(hào)燈被人們不看好所淘汰，往后更進(jìn)一步的研究升級(jí)使現(xiàn)代交通信號(hào)燈時(shí)代真正開始了。一直到1968年，國際聯(lián)合國在《道路交通和道路標(biāo)志信號(hào)協(xié)定》一文中對(duì)信號(hào)燈的各種不同的含義作了正規(guī)規(guī)定。交通的出行為居民生活之中不能夠缺少的內(nèi)容之一，并且交通也為經(jīng)濟(jì)的重點(diǎn)，優(yōu)質(zhì)的交通情況對(duì)于提升居民的生活水平與制造力均有關(guān)鍵價(jià)值，不過交通的困難卻始終未被完全處理。十字路成為城市線路的基礎(chǔ)，其運(yùn)行水平將造成路網(wǎng)的運(yùn)行狀況的改變。路口經(jīng)過交通燈實(shí)施管控，所以交通信號(hào)燈的低效管控會(huì)造成很多困難，比如乘客長時(shí)間的延遲與非常多的能源損失。并且有幾率造成車禍的發(fā)生。智能交通燈控制系統(tǒng)影響著整個(gè)交通，在不同的交通燈模式下，不同的交通燈在不同的行駛方向上都有不同的指示燈和控制燈的功能。現(xiàn)如今，交叉路口數(shù)量連年增加，汽車擁擠而造成的交通效率低下，往往造成期望與實(shí)際結(jié)果之間的巨大差距。鑒于交通堵塞現(xiàn)象日益嚴(yán)重，單靠行政措施是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，解決交通問題還必須以科學(xué)技術(shù)為基礎(chǔ)，有效管理城市交通，有效監(jiān)測(cè)和管理交通事故，如堵塞事件。如果城市要實(shí)現(xiàn)智能的交通管制，就必須考慮到異常情況，毫無疑問，管制交通的最容易和最有效的方式是使用交通燈，一個(gè)緊迫的問題是交通管理中的優(yōu)化智能交通系統(tǒng)，緩解了城市交通擁擠問題。實(shí)現(xiàn)交通信號(hào)燈的數(shù)據(jù)傳輸，城市道路單交叉口的交通信號(hào)燈，這樣提高每個(gè)交叉口的交通效率改善了整個(gè)交通運(yùn)輸?shù)慕煌髁烤W(wǎng)絡(luò)。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀這些年以來，伴著進(jìn)一步的學(xué)習(xí)與智能設(shè)備的前行，愈發(fā)多的探討使用深層次的學(xué)習(xí)來處理交通困難。深層次的學(xué)習(xí)涵蓋加強(qiáng)，監(jiān)督與無監(jiān)督的學(xué)習(xí)，而且已使用在交通的預(yù)估與路網(wǎng)絡(luò)流量的管控方面。上世紀(jì)九十年代人工智能就已使用在交通燈的管控方面，而且在管控的困難之中，深層次的學(xué)習(xí)為處理困難的有效方式。因?yàn)榧訌?qiáng)學(xué)習(xí)中的各種約束，其一般將構(gòu)成小的狀況范圍，比如等車數(shù)目與流量的總數(shù)。真實(shí)上，交通道路系統(tǒng)的繁雜性而且無法經(jīng)過此類范圍的數(shù)據(jù)來展現(xiàn)。如若在約束的狀況下去掉很多實(shí)用的有關(guān)數(shù)據(jù)，其不能在交通燈的管控之中起到最好的效果。針對(duì)交通信號(hào)燈研究現(xiàn)狀，通過查閱各式資料，發(fā)現(xiàn)國內(nèi)目前很多大城市的交通管控已經(jīng)有向智能化發(fā)展的趨勢(shì)。在南京城泰山路的兩個(gè)路口，智能交通信號(hào)燈已經(jīng)正式上崗工作，通過行車的間距、車速等因素，能智能判定信號(hào)燈狀態(tài)改變的時(shí)機(jī)、實(shí)時(shí)監(jiān)控路口，極大程度解決車輛行人擁堵難題，提高整體效率。還有在西安市，跟隨阿里巴巴集團(tuán)與西安政府合作的“城市交通大腦”維護(hù)城市安全項(xiàng)目的發(fā)展，西安市也在市中心設(shè)置了智能交通信號(hào)燈，可以根據(jù)這個(gè)道路交通通行情況自主的調(diào)節(jié)紅綠燈時(shí)長。不僅僅是國內(nèi)，國外也在大幅度的增加智能交通信號(hào)燈的推廣范圍。英國就具有敏銳的眼光，在距離倫敦不遠(yuǎn)的米爾頓·凱恩斯新鎮(zhèn)上率先部署了由城市出行解決方案提供商Vivacity開發(fā)的智能交通信號(hào)燈。為提高主干路與支路交叉口的通行效率，并減少由于固定信號(hào)造成的綠燈時(shí)間浪費(fèi)和經(jīng)濟(jì)損失。英國打造的這一款智能交通信號(hào)燈系統(tǒng)是可以自主調(diào)節(jié)模式，其中一切依據(jù)來源于系統(tǒng)觀察到的實(shí)時(shí)通行情況，所以能降低整個(gè)路口的擁堵度。另外還與人工智能技術(shù)相結(jié)合，進(jìn)一步提高了工作效率城市交通控制系統(tǒng)無疑是一個(gè)集多種高新技術(shù)在一體的一個(gè)多功能產(chǎn)物，雖然目前已經(jīng)有很多理論技術(shù)在國際上有了成熟的研究成果以及開發(fā)經(jīng)驗(yàn),

但是技術(shù)的發(fā)展是沒有止境的。我國城市道路交叉口交通流分布不均衡、到達(dá)隨機(jī)性強(qiáng)且復(fù)雜多變[12]，即使交通信號(hào)燈在各個(gè)交通場(chǎng)景的運(yùn)用越來越廣，但就交通信號(hào)燈本身而言，它的適用現(xiàn)態(tài)也還存在或多或少的問題，就長遠(yuǎn)的目光來看，一般的交通信號(hào)燈只能在一定時(shí)間內(nèi)簡(jiǎn)單的對(duì)車輛進(jìn)行分流，但在實(shí)際情況里面，也還存在一些問題缺點(diǎn)。在車輛在路口等待的時(shí)候，經(jīng)常出現(xiàn)有一邊車道是主干道，車流量比較龐大，放行通過的時(shí)間也應(yīng)該隨之變長。另一邊為副干道，有時(shí)候車輛較少，放行通過的時(shí)間就應(yīng)該短一些才合理。還有例如救護(hù)車、消防車等救急車輛，交通信號(hào)燈就可以采取緊急應(yīng)對(duì)措施，讓其余的車輛都停止行車，讓救急車輛順利通過，不耽誤更多的時(shí)間。信號(hào)交叉口交通安全是道路交通安全較為薄弱的環(huán)節(jié)之一，所以，我們要想保證交通管理的最大安全性，就應(yīng)該支持智能交通的發(fā)展，從最基本的也是最重要的交通信號(hào)燈入手，建造智能交通體系，在保障人車安全的前提下，提高實(shí)時(shí)通行效率。在實(shí)施智能化的交通信號(hào)燈探討之時(shí)，引進(jìn)了傳感的科技與智能的方式。閆東宇等人把CCD和模糊管控相整合，達(dá)成交通信號(hào)燈的優(yōu)化管控。賈健以EDA為基礎(chǔ)，規(guī)劃了十字路的智能化的管控體系，達(dá)成對(duì)于所有交通信號(hào)燈的管控，而且實(shí)時(shí)的測(cè)試車的流量，達(dá)成了對(duì)于綠燈的自動(dòng)化的調(diào)節(jié)。能夠把智能化的交通系統(tǒng)前行方向歸納為：突破技術(shù)瓶頸，達(dá)成在交通方面的信息共享；人工智能等前沿科技使用在智能化的系統(tǒng)；智能化的交通管控體系的預(yù)估能力、主動(dòng)化、實(shí)時(shí)的提升；很好的優(yōu)化信息使用水平低、智能化的能力低的狀況；設(shè)立信息加情報(bào)為特點(diǎn)的運(yùn)作形式。1.3設(shè)計(jì)目的和意義指定時(shí)間的交通信號(hào)燈在繁忙階段與節(jié)日時(shí)而且無法有效的起到效果，這期間的交通信號(hào)燈大量由交通警察實(shí)施手動(dòng)的調(diào)節(jié)，由圖1-1表示。圖1-1高峰環(huán)節(jié)交通警察手動(dòng)調(diào)節(jié)交通信號(hào)燈交通警察經(jīng)過檢測(cè)城市所有路口的車輛狀況，調(diào)節(jié)來自各方的車輛的運(yùn)行，大大的提升了路口的運(yùn)行速度。該規(guī)劃經(jīng)過AMR傳感裝置檢測(cè)車輛運(yùn)行以模擬交通警察對(duì)于所有路口的分析，在對(duì)于所有傳感裝置檢測(cè)到信息實(shí)施解決后調(diào)節(jié)交通信號(hào)燈的循環(huán)時(shí)間與綠信比。經(jīng)過智能化交通信號(hào)燈的規(guī)劃，提升十字路的運(yùn)行速度，提升居民的交通體驗(yàn)而且降低環(huán)境的污染。1.4論文主要內(nèi)容智能交通系統(tǒng)是指將先進(jìn)的通信技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等綜合地應(yīng)用于交通管理體系，從而建立一種全方位發(fā)揮作用的實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、高效的交通綜合管理和控制系統(tǒng)。在20世紀(jì)60年代末，美國首先開始智能交通系統(tǒng)方面的研究，隨后歐洲、日本等發(fā)達(dá)地區(qū)也相繼加入了這一研究行列。經(jīng)過30多年的發(fā)展，美國、歐洲、日本已成為世界智能交通系統(tǒng)研究的三大基地。從20世紀(jì)60年代歐洲的道路交通信息系統(tǒng)到美國的智能車輛道路系統(tǒng)（IVHS智能交通系統(tǒng)正以前所未有的速度發(fā)展。該論文關(guān)鍵探討經(jīng)過AMR傳感裝置實(shí)施車輛運(yùn)行的監(jiān)控，整合前沿的LPWAN科技達(dá)成數(shù)據(jù)傳送，而且按照獲得的車流數(shù)據(jù)實(shí)施交通信號(hào)燈的調(diào)節(jié)。該論文經(jīng)過一下的內(nèi)容實(shí)施闡述：第1章緒論。闡述了該論文的探討背景、國內(nèi)外的探討現(xiàn)狀還有目的與價(jià)值。第2章交通燈的管控原理基礎(chǔ)。闡述交通信號(hào)燈調(diào)節(jié)的關(guān)鍵指數(shù)與交通質(zhì)量的評(píng)估系統(tǒng)。第3章硬件系統(tǒng)規(guī)劃。這一章對(duì)于這個(gè)規(guī)劃之中運(yùn)用的所有的硬件電路實(shí)施了具體闡述。第4章系統(tǒng)程序規(guī)劃。關(guān)鍵針對(duì)于每一個(gè)硬件電路實(shí)施程序規(guī)劃與軟件編程。第5章系統(tǒng)檢測(cè)。這一章對(duì)于系統(tǒng)的所有作用模塊與作用達(dá)成進(jìn)行了檢測(cè)，用來表明這個(gè)規(guī)劃可操作性。第6章總結(jié)和期望。最終歸納這一次規(guī)劃能夠達(dá)成狀況，而且實(shí)施前景分析。1.5本章小結(jié)這一章關(guān)鍵對(duì)于該規(guī)劃的背景價(jià)值、規(guī)劃現(xiàn)狀還有規(guī)劃的目的和價(jià)值實(shí)施闡述，而且簡(jiǎn)捷闡述了該論文的關(guān)鍵內(nèi)容。第2章系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)2.1系統(tǒng)總體思路交通信號(hào)燈通常設(shè)置在交叉路口或多街道路的交叉路口。目的是調(diào)整十字路口的交通秩序，以使上下道路的車輛可以有序行駛。交通信號(hào)燈的工作原理：如上圖所示，當(dāng)A，B組的紅色信號(hào)燈亮起，綠色信號(hào)燈不亮?xí)r；然后C組和D組的綠色信號(hào)燈亮起，而紅色指示燈不亮。對(duì)于A，B或C，D組，黃色信號(hào)燈在綠色信號(hào)燈變成紅色信號(hào)燈之前亮起一段時(shí)間（具體時(shí)間取決于實(shí)際情況），而黃色信號(hào)燈在綠色信號(hào)燈不亮?xí)r同時(shí)不亮。以物聯(lián)網(wǎng)科技為基礎(chǔ)的智能化的交通燈主要是規(guī)劃一個(gè)可以對(duì)于十字路的車流狀況實(shí)施實(shí)時(shí)的監(jiān)控，而且以此調(diào)整交通信號(hào)燈循環(huán)時(shí)間與綠信比。系統(tǒng)涵蓋邊緣運(yùn)算節(jié)點(diǎn)與傳感裝置的電路。系統(tǒng)硬件構(gòu)造由圖2-1表示。邊緣運(yùn)算節(jié)點(diǎn)的電路涵蓋LoRa、NB-IoT溝通部分與交通信號(hào)燈展示，經(jīng)過LoRa和車流測(cè)試節(jié)點(diǎn)溝通。并且在交通繁忙之時(shí)交通警察能夠經(jīng)過LoRa和邊緣運(yùn)算節(jié)點(diǎn)進(jìn)行溝通，進(jìn)一步調(diào)節(jié)交通信號(hào)燈。NB-IoT用在傳送交通數(shù)據(jù)到管控中心。傳感裝置電路涵蓋車流測(cè)試傳感裝置與LoRa溝通電路，達(dá)成車輛運(yùn)行的測(cè)試與數(shù)據(jù)的匯報(bào)。圖2-1系統(tǒng)硬件構(gòu)造圖2.2邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)電路邊緣運(yùn)算節(jié)點(diǎn)的電路運(yùn)用STM32F103RCT6成為關(guān)鍵控制的芯片，運(yùn)用LoRa與NB-IoT實(shí)施溝通，并且經(jīng)過OLED屏展示車流的數(shù)據(jù)，而且達(dá)成交通信號(hào)燈的展示。電路整體的框圖由圖2-2表示。圖2-2邊緣運(yùn)算節(jié)點(diǎn)電路圖2.3本章小結(jié)按照整體規(guī)劃思路，系統(tǒng)涵蓋交通信號(hào)燈模擬、邊緣運(yùn)算與車流測(cè)試節(jié)點(diǎn)的電路三項(xiàng)。這一章關(guān)鍵闡述了該規(guī)劃全部電路的規(guī)劃思路及機(jī)理圖與PCB的詳細(xì)規(guī)劃與必需重視的細(xì)節(jié)，而且對(duì)于所有電路的運(yùn)用的集成模塊與關(guān)鍵芯片、部件實(shí)施了闡述。第3章系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)該規(guī)劃整體均使用STM32MCU成為主控的芯片，因此，在硬件的電路規(guī)劃達(dá)成后必需對(duì)于MCU實(shí)施編輯，以達(dá)成所有的作用。開發(fā)條件使用ARM企業(yè)的KeilMDK5集中的開發(fā)條件，并且運(yùn)用了ST企業(yè)的STM32庫，減少開發(fā)的困難而且提升了速度。在MDK之中達(dá)成軟件編寫、解析與調(diào)節(jié)，而且經(jīng)過SW調(diào)節(jié)口實(shí)施調(diào)節(jié)與軟件記錄。3.1設(shè)計(jì)思路該規(guī)劃關(guān)鍵涵蓋兩個(gè)思路：邊緣運(yùn)算與車流測(cè)試節(jié)點(diǎn)，程序軟件也依次分為邊緣運(yùn)算節(jié)點(diǎn)程序規(guī)劃與車流測(cè)試節(jié)點(diǎn)。達(dá)成邊緣運(yùn)算節(jié)點(diǎn)和所有的節(jié)點(diǎn)與交通管控中心相互間的LoRa與NB-IoT交流，而且把接收的信息實(shí)施解析獲得360度的車流數(shù)據(jù)，按照這個(gè)數(shù)據(jù)調(diào)節(jié)交通信號(hào)燈指數(shù)的調(diào)節(jié)。車流測(cè)試節(jié)點(diǎn)的程序規(guī)劃要達(dá)成對(duì)于車輛運(yùn)行的監(jiān)測(cè)而且將信息經(jīng)過LoRa傳送至邊緣運(yùn)算的節(jié)點(diǎn)。系統(tǒng)總體的程序框圖如圖3-1。圖3-1系統(tǒng)總體程序框圖3.2邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)硬件的初始化為對(duì)于MCU的初始片上的外設(shè)、GPIO實(shí)施與所有外接模塊的初始化。關(guān)鍵涵蓋I2C及UART、定時(shí)裝置、信號(hào)燈初始的管控GPIO、OLED展示使用者界面、對(duì)于LoRa模塊實(shí)施指數(shù)布置與對(duì)于NB-IoT模塊BC95實(shí)施網(wǎng)絡(luò)連接的設(shè)立。初始的LoRa模塊要設(shè)立模塊的運(yùn)行狀況、發(fā)射的功率、模塊位置與信道。初始化的BC95經(jīng)過AT指令達(dá)成，達(dá)成NB-IoT模塊融入進(jìn)運(yùn)營方的NB-IoT網(wǎng)，而且聯(lián)結(jié)到服務(wù)器上，必需運(yùn)用的AT指令如表3-1。表3-1AT指令及其含義邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)的硬件初始化流程圖如圖3-2所示。圖3-2邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)硬件初始化流程圖交通信號(hào)燈管控運(yùn)用了定時(shí)裝置與一些GPIO口。對(duì)于交通信號(hào)燈的管控在定時(shí)裝置中斷之中達(dá)成。經(jīng)過定時(shí)裝置實(shí)施1s定時(shí)，運(yùn)用變量time記下倒計(jì)時(shí)的時(shí)長，每一次進(jìn)入定時(shí)裝置中斷倒計(jì)時(shí)為1秒，并且更新倒計(jì)時(shí)的展示。當(dāng)?shù)褂?jì)時(shí)至3秒之時(shí)把綠燈切換成黃燈。倒計(jì)時(shí)至零秒之時(shí)，要達(dá)成time的更新，并且轉(zhuǎn)換綠燈的相位而且管控LED燈達(dá)成轉(zhuǎn)換。交通信號(hào)燈的管控軟件步驟由圖3-3表示。圖3-3交通信號(hào)燈控制軟件流程圖LoRa與NB-IoT信息出入解決，擔(dān)負(fù)邊緣運(yùn)算和車流測(cè)試節(jié)點(diǎn)與交通管控中心的溝通。必需對(duì)于LoRa接收的信息實(shí)施解析為車流信息解決給到原料，并且LoRa模塊同樣能夠收到從上位機(jī)得到的信息，以達(dá)成交通警察在繁忙環(huán)節(jié)能夠?qū)τ诮煌ㄐ盘?hào)燈實(shí)施靈活實(shí)時(shí)的調(diào)節(jié)。所以LoRa模塊接收信息后按照輸出方的各異依次解決，接收車流測(cè)試節(jié)點(diǎn)的信息之時(shí)，須更新車流數(shù)據(jù)并且保存與展示這些數(shù)據(jù)；接收上位機(jī)的信息之時(shí)，要將信息實(shí)施解析，而且在之后的綠燈相位切換之時(shí)實(shí)施循環(huán)時(shí)間與綠信比的調(diào)節(jié)NB-IoT能夠在每一次綠燈切換至黃燈之時(shí)傳送交通信息到管控的中心，而且收到的信息用在交通信號(hào)燈循環(huán)時(shí)間、綠信比的調(diào)節(jié)。LoRa與NB-IoT信息的出入解決步驟圖見圖3-4。圖3-4LoRa和NB-IoT數(shù)據(jù)收發(fā)處理流程圖設(shè)計(jì)代碼：3.3車流檢測(cè)節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)車流檢測(cè)節(jié)點(diǎn)電路的軟件設(shè)計(jì)主要包括硬件初始化、車輛檢測(cè)和LoRa通信。LoRa通信與邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)電路部分類似，在這里就無需多做介紹了。同時(shí)邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)可通過LoRa發(fā)送指令使車流檢測(cè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)入休眠模式，能起到省電作用，使節(jié)點(diǎn)使用壽命更長。進(jìn)入休眠模式后MCU通過LoRa模塊的AUX引腳進(jìn)行喚醒。3.3.1硬件初始化硬件初初始化主要包括GPIO、I2C總線、HM5883和UART初始化。由于HM5883由I2C總線驅(qū)動(dòng)，且MCU與HMC5883之間需要雙向傳輸數(shù)據(jù)。將I2C總線的引腳設(shè)置為OD開漏輸出，可避免I2C讀寫時(shí)頻繁切換SDA引腳的輸入輸出方向。配置代碼如下：表3-2HMC5883L寄存器配置代碼如下：雖然內(nèi)置的ASIC已有效消除了傳感器溫漂與內(nèi)部偏移，不過仍有環(huán)境噪音之類的干擾存在于讀取的數(shù)據(jù)中，因此將配置寄存器A中的MA1-MA0位設(shè)置為10，即每次輸出數(shù)據(jù)都是HMC5883內(nèi)部讀取四次數(shù)據(jù)后的平均值。如此以來，便對(duì)讀取的數(shù)據(jù)做了濾波處理，使后續(xù)處理變得更簡(jiǎn)單。3.3.2車輛探測(cè)在某種范圍內(nèi)，可以把地球磁場(chǎng)視為穩(wěn)定的均勻磁場(chǎng)，這種地磁場(chǎng)會(huì)受到鐵質(zhì)物體的擾動(dòng)，如圖3-5所示[18,19]。汽車以鐵為主要材質(zhì)，內(nèi)部相關(guān)電路在工作中，也會(huì)產(chǎn)生電流，對(duì)地磁場(chǎng)產(chǎn)生較大的擾動(dòng),具體見圖3-6所示。圖3-5鐵質(zhì)物體對(duì)磁場(chǎng)擾動(dòng)圖3-6車輛對(duì)地磁場(chǎng)的擾動(dòng)因?yàn)楫a(chǎn)生了這種擾動(dòng)，只需用傳感器對(duì)磁性變化量Δφ加以檢測(cè)，就能檢測(cè)到是否有車輛駛到。可用下面的等式來計(jì)算出磁性變化量：Δφ=√2+2+2 (3.1)式中X、Y、Z分別表示空間內(nèi)三個(gè)軸上的磁性變化量。在車輛行進(jìn)經(jīng)過時(shí)傳感器位置時(shí)，傳感器檢測(cè)到磁性變量會(huì)有明顯變化，通過這種變化可以探測(cè)出有無運(yùn)動(dòng)車輛出現(xiàn)。車流檢測(cè)節(jié)點(diǎn)程序中主循環(huán)見圖3.7。圖3-7車流檢測(cè)節(jié)點(diǎn)軟件流程圖總線端口初始化：3.4綠燈時(shí)長更新算法可選擇對(duì)交叉路口各方向的進(jìn)車道實(shí)施模塊化。可在各進(jìn)口道選擇50M，作為一個(gè)模塊，如圖3.8所示。圖3-8進(jìn)口道模塊化示意圖在同一模塊內(nèi)，區(qū)域內(nèi)的車流情況可以用0、1表示。為使整個(gè)路口擁有較高的通行效率，如果車流占到了模塊整體長度的一半，如果進(jìn)車道為南、西方向，可以把模塊對(duì)應(yīng)的值記作1；如果車流長度不到模塊長度的一半，如北、東方向的進(jìn)車道，則將其對(duì)應(yīng)的值記為0。數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)時(shí)，靠近交叉路口的記為高位，因此對(duì)圖3-8中的路口模型化后的數(shù)據(jù)如表3-3所示。表3-3圖3-8中路口模型化后的數(shù)據(jù)若是在綠燈相位上，綠燈轉(zhuǎn)換為黃燈時(shí)，對(duì)于模型化后的交叉路數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，據(jù)此對(duì)下一綠燈相位的綠燈時(shí)長做出調(diào)整，也就是對(duì)交通控制參數(shù)中的周期和綠信比。調(diào)整參數(shù)時(shí)，要先讓等待的車輛盡量都通過，同時(shí)需要注意下一個(gè)相位的紅燈方向增加的滯留車輛數(shù)。所以，綠燈時(shí)長不能隨意延長，在設(shè)置參數(shù)時(shí)，要考慮每個(gè)方向的車流情況，來加以調(diào)整。在設(shè)計(jì)中，要對(duì)模型加以簡(jiǎn)化，根據(jù)處于黃燈狀態(tài)時(shí)，紅燈方向上兩個(gè)進(jìn)車道的數(shù)據(jù)進(jìn)行平均取均值，作為調(diào)整綠燈時(shí)長的參數(shù)。3.5本章小結(jié)本章主要分別從設(shè)計(jì)思路、軟件流程、注意點(diǎn)等角度介紹了本設(shè)計(jì)中各模塊的軟件設(shè)計(jì)。第4章系統(tǒng)測(cè)試本章主要對(duì)系統(tǒng)各部分進(jìn)行檢測(cè)以驗(yàn)證其是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求。測(cè)試包括電源電路測(cè)試、LoRa模塊測(cè)試、NB-IoT模塊測(cè)試、車流檢測(cè)節(jié)點(diǎn)測(cè)試和系統(tǒng)綜合測(cè)試。4.1電源電路測(cè)試電源是電路正常工作的基礎(chǔ)，所以在系統(tǒng)測(cè)試中，要先測(cè)試電源電路。此次設(shè)計(jì)采用了多個(gè)電源，要一一加以檢測(cè)。所用的電源根據(jù)種類，又可分為DO與升壓兩種電路。4.1.1LDO電路測(cè)試首先測(cè)試三個(gè)D0,即MIC29302WU、ASM1117-3.3和SC662K-3.3。圖4-1-圖4-3分別為三個(gè)D0的輸出電壓波形，先測(cè)試MIC29302WU，選擇NB-IoT與LoRa模塊來發(fā)送數(shù)據(jù)，電壓也未發(fā)生嚴(yán)重的跌落。而從圖4-2和4-3可以看出，電源波形和電壓都較平穩(wěn)，能滿足設(shè)計(jì)對(duì)性能的要求。圖4-1MIC29302WU電源輸出圖4-2AMS1117-3.3電源輸出 圖4-3SC662K-3.3電源輸出4.1.2升壓電路測(cè)試MT3608升壓電路除作為SC662K-3.3輸入電壓，為MCU與傳感器的正常工作提供電壓外，還需供電給LoRa模塊，所以MT3608升壓電路在供電過程中，電壓不能大幅下降。該電路的輸出波形見圖4-4所示，測(cè)試時(shí)，LoRa模塊通過發(fā)送數(shù)據(jù)，對(duì)其輸出性能進(jìn)行檢測(cè)。觀察圖可見，LoRa模塊發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，電源電壓并未明顯下降，可以可靠地通信。圖4-4MT3608升壓電路輸出波形4.2LoRa模塊測(cè)試LoRa是LPWAN通信技術(shù)中的一-種,是美國Semtech公司采用和推廣的一種基于擴(kuò)頻技術(shù)的超遠(yuǎn)距離無線傳輸方案。這一方案改變了以往關(guān)于傳輸距離與功耗的折衷考慮方式,為用戶提供一種簡(jiǎn)單的能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、長電池壽命、大容量的系統(tǒng),進(jìn)而擴(kuò)展傳感網(wǎng)絡(luò)。目前，LoRa主要在全球免費(fèi)頻段運(yùn)行,包括433、868、915MHz等。LoRa技術(shù)具有遠(yuǎn)距離、低功耗(電池壽命長)、多節(jié)點(diǎn)低成本的特性。4.2.1LoRa模塊功耗測(cè)試在電源電壓保持不變的情況下，通過對(duì)各狀態(tài)下的工作電流進(jìn)行檢測(cè)，即可得出AS-TT-100LoRa模塊的功耗。AS-TT-100在工作中，正常的工作電流為：接受電流為18mA，發(fā)射電流則為100mA（電壓5V），而在處于省電模式下時(shí)，待機(jī)電流可低至30uA。此次測(cè)試中，則分別對(duì)AS32-TT-100的接受與發(fā)射電流進(jìn)行了測(cè)試。因?yàn)長oRa模塊工作電流較小，用萬用表測(cè)量時(shí)也不夠精準(zhǔn)，因此將一個(gè)精度為1%的1Ω電阻串連到電源電路中，再用示波器測(cè)量?jī)啥说碾妷海鶞y(cè)得的結(jié)果即為LoRa模塊的工作電流。為了更易于調(diào)試，此次在設(shè)計(jì)硬件時(shí)，利用排針把LoRa模塊的各引腳連接起來，這樣在串連電阻時(shí)，就更容易。圖4.5即為測(cè)試環(huán)境。借助一個(gè)MCU最小板，利用串口定時(shí)向LoRa模塊發(fā)送數(shù)據(jù)，以精確地檢測(cè)發(fā)射電流。圖4-5LoRa模塊功耗測(cè)試環(huán)境圖4-6即為在各種狀態(tài)下，LoRa模塊的工作電流。從圖中也能得出，工作電壓在3.8V時(shí)，LoRa模塊接受電流和發(fā)射電流分別為17.4mA和95mA。圖4-6LoRa模塊各模式下工作電流4.2.2LoRa模塊AUX引腳測(cè)試AUX引腳可用于喚醒MCU、指示LoRa模塊狀態(tài)，從而使LoRa電路處于低功耗狀態(tài)，所以要測(cè)試AUX引腳的功能。圖4-7為AUX引腳在模塊收發(fā)數(shù)據(jù)時(shí)的輸出情況，從中可以看出，AUX引腳輸出與前節(jié)的描述完全相符。圖4-7AUX引腳輸出4.2.3LoRa模塊通信距離測(cè)試在測(cè)試通信距離時(shí)，應(yīng)對(duì)模塊進(jìn)行設(shè)置，將其速率設(shè)為2.4kbps，發(fā)射功率設(shè)為20dB，選用3dB吸盤天線，高度設(shè)為2M。將測(cè)試地點(diǎn)選在3KM直行道路上。測(cè)試l中，可選擇一個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)作為發(fā)射端，用一個(gè)MCU，每隔5s便對(duì)實(shí)時(shí)檢測(cè)的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行發(fā)送，另一個(gè)節(jié)點(diǎn)使用PC，通過USB轉(zhuǎn)串口模塊連接LoRa模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)接收。每選擇500處，測(cè)試10分鐘，在測(cè)試期間，發(fā)射端發(fā)送的信息達(dá)到120次，通過對(duì)接收端所獲得的數(shù)據(jù)加以統(tǒng)計(jì)，計(jì)算出丟包率。具體的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)見表4-1所示。測(cè)試中還得出，在安裝兩個(gè)天線時(shí)，所選的位置應(yīng)盡可能高一點(diǎn)，并使其中無障礙物。表4-1LoRa模塊通信距離測(cè)試4.3NB-IoT模塊測(cè)試窄帶物聯(lián)網(wǎng)(NarrowBandInternetofThings,NB-IoT)成為萬物互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)重要分支。NB-IoT構(gòu)建于蜂窩網(wǎng)絡(luò)，只消耗大約180kHz的帶寬，可直接部署于GSM網(wǎng)絡(luò)、UMTS網(wǎng)絡(luò)或LTE網(wǎng)絡(luò)，以降低部署成本、實(shí)現(xiàn)平滑升級(jí)。NB-IoT是IoT領(lǐng)域一個(gè)新興的技術(shù)，支持低功耗設(shè)備在廣域網(wǎng)的蜂窩數(shù)據(jù)連接，也被叫作低功耗廣域網(wǎng)(LPWAN)。NB-IoT支持待機(jī)時(shí)間長、對(duì)網(wǎng)絡(luò)連接要求較高設(shè)備的高效連接。據(jù)說NB-IoT設(shè)備電池壽命可以提高至少10年，同時(shí)還能提供非常全面的室內(nèi)蜂窩數(shù)據(jù)連接覆蓋。NB-IoT模塊與云服務(wù)器之間，可用運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)來進(jìn)行連接，應(yīng)用之前，應(yīng)先對(duì)NB-IoT模塊進(jìn)行測(cè)試，看網(wǎng)絡(luò)能否正常連接，連接正常的情況下，要保障模塊與服務(wù)器之間通信正常，能夠發(fā)送報(bào)文。在測(cè)試網(wǎng)絡(luò)連接時(shí)，以USB轉(zhuǎn)串口模塊對(duì)PC與NB-IoT模塊進(jìn)行連接，利用串口調(diào)試助手向NB-IoT模塊發(fā)送AT指令。具體的實(shí)物如圖4-9所示。圖4-9NB-IoT模塊測(cè)試實(shí)物在對(duì)NB-IoT模塊進(jìn)行測(cè)試時(shí)，可以按照以下順序，開啟設(shè)備，使其自動(dòng)入網(wǎng)，重啟，查詢相關(guān)的數(shù)據(jù)和參數(shù)、再對(duì)IP地址進(jìn)行測(cè)試、并配置CDP服務(wù)器，最后嘗試進(jìn)行通信，圖4-10所示即為調(diào)試助手。在對(duì)IMEI碼進(jìn)行了查詢后，需要在服務(wù)器端新建CoAP通信協(xié)議設(shè)備，具體如圖4-11所示。圖4-10串口調(diào)試助手圖4-11云平臺(tái)新建設(shè)備設(shè)備連網(wǎng)后，嘗試用AT+NMGS=<ength>,<data>指令與云平臺(tái)建立通信。圖4-12即為測(cè)試結(jié)果，NB-IoT模塊發(fā)送的消息被云平臺(tái)順利接收，返回的消息狀態(tài)為DEIVERED，代表成功實(shí)現(xiàn)了雙向通信。圖4-12NB-IoT與云平臺(tái)通信4.4車流檢測(cè)節(jié)點(diǎn)測(cè)試對(duì)運(yùn)動(dòng)車輛的檢測(cè)靈敏度是車流檢測(cè)節(jié)點(diǎn)主要性能指標(biāo)。為了更易檢測(cè)，選擇了用ED來指示。若未檢測(cè)到車輛時(shí)，ED滅；檢測(cè)到車輛，則ED亮起。具體的測(cè)試環(huán)境和測(cè)試過程見圖4-13和4-14。圖4-13車流檢測(cè)節(jié)點(diǎn)測(cè)試環(huán)境圖4-14傳感器測(cè)試過程4.5系統(tǒng)模擬及交通信號(hào)燈測(cè)試系統(tǒng)綜合測(cè)試用于測(cè)試各模塊電路是否可以協(xié)同工作，并測(cè)試其工作的可靠性。為此，專門搭建了測(cè)試平臺(tái)，具體見圖4.15所示。選擇了撥碼開關(guān)，對(duì)每個(gè)方向上的車流檢測(cè)節(jié)點(diǎn)傳感器進(jìn)行模擬，車流檢測(cè)節(jié)點(diǎn)與邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)之間的通信選用了LoRa。觀察圖可知，各車道的車流信息皆顯示在了邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)OED上。圖4-15系統(tǒng)綜合測(cè)試平臺(tái)圖4-16是交通信號(hào)燈綠、黃、紅燈的變化情況，在倒計(jì)時(shí)到3s時(shí)綠燈變?yōu)辄S燈，倒計(jì)時(shí)結(jié)束后綠燈相位改變。圖4-16交通信號(hào)燈綠、黃、紅變化情況在綠燈相位上，綠燈變成黃燈時(shí)，邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)會(huì)獲取車流信息，利用NB-IoT網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給服務(wù)器端，具體見圖4-17所示。圖4-17通過NB-IoT上傳車流信息為對(duì)綠燈時(shí)長自動(dòng)調(diào)整功能進(jìn)行檢測(cè)，要先改變紅燈方向每條車道的車流，觀察變換了綠燈相位后，這一方向的綠燈時(shí)長情況。具體結(jié)果見表4.2所示。表4-2紅燈方向車流與綠燈相位變換后的綠燈時(shí)長4.6本章小結(jié)本章主要對(duì)本設(shè)計(jì)中的各個(gè)主要電路和模塊電路進(jìn)行了測(cè)試實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，各電路和模塊能夠基本達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。第5章總結(jié)與展望5.1總結(jié)本設(shè)計(jì)基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，設(shè)計(jì)了道路智能交通燈，使用了當(dāng)前最主流的兩種PWAN技術(shù)，即LoRa和NB-IoT，探討了智能交通燈中，這兩種技術(shù)的應(yīng)用。并以AMR傳感器HM