智能交通信号灯系统设计

智能交通信号灯系统设计

张智诺1赖信言2

   1济宁学院   山东省济宁市    273199

2华东交通大学理工学院    江西省南昌市  330100 

摘要：针对传统交通信号灯只能手动调整红绿灯的间隔，智能化程度低等问题，设计一款可以根据实时监测的车流量信息，自动调整红绿灯间隔时间的可移动式智能交通灯系统。首先，通过调研分析，确定智能交通灯系统总体设计方案，包括机械结构、硬件系统和软件系统三个部分。其次，进行智能交通灯系统机械结构设计，包括红绿灯模块和车流监测模块。然后，完成基于西门子S7-1200系列PLC的交通灯控制系统设计。最后，设计智能交通灯管理平台，对交通灯进行管控。所设计智能交通灯系统可自动根据车流调整红绿灯时间，满足应用需求。

关键词：交通灯；PLC；车流预测；模拟验证

中图分类号：TP242

0 引言

城市的进步离不开顺畅的交通，而交通信号灯对提升交通效率、规范交通秩序具有十分重要的意义[1]。目前的交通灯普遍采用传统的定时控制模式，按照预设的时间间隔来进行红绿灯的切换[2-3]。虽然在某些交叉口会有车辆流量检测器，但大多数情况下仍然是按照固定的时间表运行。这种模式可能导致交通信号不够灵活，无法根据实时的交通状况做出调整，从而造成拥堵和不必要的延误[4]。为提高通行效率，开发智能交通灯已经成为未来发展的趋势。

目前国内外已经研发了一些交通灯系统，马卜森设计了一款基于西门子S7-200可编程控制器的多路口交通灯控制系统，实现多个交叉口的红绿灯信号控制[5]。张春茜设计了一款智能交通灯管理平台，能够通过网页、微信对红绿灯状态进行查新和控制，便于使用者实时了解交通信息[6]。尹延龙设计一款基于树莓派的红绿灯控制系统，通过计算红绿灯变化情况和路口绿灯剩余时间，调整红绿灯状态[7]。肖强灯以AT89C51单片机为核心，设计了一款具有倒计时显示、紧急情况自动调整功能的红绿灯系统，提高交通灯的工作效率[8]。虽然上述方法对传统信号灯进行了改进，并取得了一定的效果，但智能化水平还是无法满足应用需求。

本文从减轻城市道路拥堵、规范交通秩序出发，研究并设计一种智能交通灯系统，采用车流预测模块结合交通灯的结构，通过视觉采集车流图像，进行交通流预测，并搭建管理平台进行交通灯管控。

1 智能交通信号灯总体设计方案

根据现有情况调研，确定智能交通信号灯系统总体设计方案，如图1所示。系统主要包含5个部分：车流预测模块、交通灯主控模块、无线通讯模块、远端服务器和控制端。车流预测模块包括树莓派、摄像头模块和WIFI模块，车流预测模块通过无线通讯模块与远端服务器连接。交通灯主控模块使用西门子S7-1200PLC，通过485接口和无线通讯模块连接，实现和远端服务器的通讯。控制端为电脑，通过控制界面可实现智能交通信号灯的控制。

图1 智能交通信号灯系统架构

2 智能交通信号灯结构设计

智能交通信号灯包含两个部分，可移动交通灯和车流预测模块，具体模型如图2所示。可移动交通灯包括支撑机构、防水机构、伸缩机构和显示机构，伸缩机构包括液压伸缩缸、两个活动塞、两根连接杆和主杆，两个活动塞均与主杆固定连接，两根连接杆的两端分别与对应的活动塞固定连接，其中一个活动塞与液压伸缩缸的输出端固定连接，液压伸缩缸与支撑机构固定连接，在面对人流情况较多时，液压伸缩缸对其中一个活动塞进行驱动，向上移动，从而将显示机构升高，当对显示机构使用较少时，液压伸缩缸回收，降低显示机构的高度，切断电源，该设计解决了在红路灯没有使用时，持续的供电造成能源的浪费，同时红绿灯也不便于被保护的问题。车流预测模块包括可伸缩支架和摄像头，可伸缩支架使用时将摄像头抬高，方便进行车流检测。

图2 智能交通信号灯结构模型

3 智能交通信号灯控制系统设计

采用西门子S7-1200 PLC作为核心处理单元，利用西门子S7-1200 PLC实现整个智能交通信号灯系统的控制需求。交通信号灯正常工作时，东西方向和南北方向各通行并周而复始。在南北方向通行时，东西方向的红灯亮35s，而南北方向的绿灯先亮30s再闪3s（0.5s暗，0.5s亮）后黄灯亮2s。在东西方向通行时，南北方向的红灯亮35s，而东西方向的绿灯先亮30s再闪3s（0.5s暗，0.5s亮）后黄灯亮2s。当检测到某方向车流较大时，将该方向绿灯时间延长，同时对应的调整另一方向红绿灯时长。实现除正常工作外，根据车流情况调整红绿灯时间，提高车流调度效率。

图3 正常工作交通灯时序

4智能交通信号灯管理平台构建

设计网页端智能交通灯管理平台，平台包括交通灯状态显示，车辆数目统计、地图显示、位置搜索子系统，所有功能系统共用一个登录界面，网页登录界面采用 Visual Studio 作为编程工具，包含账号密码登录、手机号登录、密码找回、注册账号四部分。选择登录方式后，填入的数据与“用户管理”中的数据进行匹配，匹配无误后即可进入主系统。由于主系统、子系统共用一个登录功能，因此点击主系统中的功能界面即可进入相应子系统。

图4 智能交通信号灯管理平台

5 结论

本文从智能交通信号灯需求出发，设计一种智能交通信号灯系统，包括机械结构、控制系统和管理平台三个部分。系统可实时监测车流量信息，自动调整红绿灯间隔时间，从而减少拥堵和不必要的延误，对提升交通智能化水平，具有十分重要的现实意义。

参考文献

[1] 陈转. 基于深度学习的交通信号灯检测与识别研究[D]. 兰州交通大学, 2023.

[2] 杜同春, 王波, 程浩然 等. 聚类与信息共享的多智能体深度强化学习协同控制交通灯[J]. 电子与信息学报, 2024, 46(02): 538-545.

[3] 韩立立, 刘晓然,刘文杰 等.基于OpenMV的智能交通灯系统设计[J]. 微型电脑应用, 2023, 39(11): 22-26.

[4] 郭之栋, 刘筠, 杨凡 等. 基于机器视觉的智慧交通灯控制系统[J]. 计算机与现代化, 2023, (04): 101-105.

[5] 马卜森. 基于PLC的多路口交通灯控制系统的设计[J]. 黑龙江科学, 2024, 15(04): 148-151.

[6] 张春茜, 王继超, 任俊龙 等. 智能交通灯管理平台的设计[J]. 电工技术, 2023, (20):1 6-18.

[7] 尹延龙, 丁瑞好, 董铮. 基于树莓派的交通灯实时控制系统设计[J]. 电子制作, 2024, 32(02): 89-93.

[8] 肖强, 殷鹏, 苏林. 基于单片机的交通灯控制系统设计[J]. 造纸装备及材料, 2023, 52(06): 33-35.

作者简介：张智诺（2002-），女，本科，研究方向为云计算与大数据。

          赖信言（2003-），女，本科，研究方向为电⽓及其⾃动化专业。