嵌入式密碼之智能交通信號燈

哦哈喲

"紅燈停、綠燈行、黃燈亮了等一等"，還記得這首童謠么？如今隨處可見的交通信號燈大家一定不在陌生，那你知道這些信號燈都隱藏著哪些“秘密”？跟著小編一起來了解一些交通信號燈背后的那些“秘密”以及 未來智能交通信號燈的發展趨勢。

一、交通信號燈

交通信號燈由紅燈、綠燈、黃燈組成。紅燈表示禁止通行，綠燈表示準許通行，黃燈表示警示。

1、綠燈信號：綠燈信號是準許通行信號。按《交通安全法實施條例》規定：綠燈亮時，準許車輛、行人通行，但轉彎的車輛不準妨礙被放行的直行車輛和行人通行。

2、方向指示信號燈：方向信號燈是指揮機動車行駛方向的專用指示信號燈，通過不同的箭頭指向，表示機動車直行、左轉或者右轉。

3、人行橫道燈信號：人行橫道燈由紅、綠兩色燈組成。在紅燈鏡面上有一個站立的人形象，在綠燈面上有一個行走的人形象。人行橫道燈設在人流較多的重要交叉路口的人行橫道兩端。燈頭面向車行道，與道路中心垂直。

二、交通信號燈控制邏輯

以一個最常見的十字路口為例，東西南北四個方向各有一組紅綠燈。

十字路口紅綠燈，最常見的交通信號燈的控制邏輯是南北方向通行時，東西方向不通行；東西方向通行時，南北方向不通行。如果十字路口車流量很大，可能會是另外一套控制邏輯，比如每一個時刻只有一個方向為綠燈，其它都是紅燈。平時見到的交通信號燈，絕大部分都是固定配時的，也就是紅燈、綠燈時長固定不變，也有 非固定配時的，比如按照一天中的時間段、或者按照一個星期的不同日子來設置不同的配置[color=inherit !important]方案，還有會根據路口的流量變化動態調整配時方案的。

三、為什么現在信號燈的設計越來越復雜？

開過車的朋友，尤其是新手司機來說，最怕經過情況比較復雜的路口。路面上不僅有復雜的導向線，路口處還有樣式特別的紅綠燈，一個方向可能會有多組燈，比如有直行燈、左轉燈、右轉燈、甚至掉頭燈，總之各種情況都會有。 從表面上看，這些交通信號標志的類型似乎很復雜，在不同的情況下想要采取不同的方式去應對。其實萬變不離其宗，看見交通信號燈只要遵循“紅燈停，綠燈行”的原則即可。

為什么現在交通信號燈的設計越來越復雜？是因為我國主要大中城市的市內交通擁堵情況日益加重，特別是在交通高峰期，如果還是采用簡單控制邏輯，那么整個區域的交通都可能面臨癱瘓的處境，更合適的信號控制時間和轉向配置方案，可以更加有效地改善交通擁堵情況。

四、交通信號燈背后的[color=inherit !important]嵌入式

理工科的同學是否還記得那些年做過的實驗，通過定時器+LED+數碼管實現交通信號燈的演示。當然如此簡單的演示方案，肯定不能滿足日益復雜的交通現場環境，而現實中的交通信號燈控制是如何做到的呢？

交通信號控制系統是一個獨立的系統，又是整個地區信號燈系統的一部分。是城市道路交通管理系統中對交叉路口、行人過街，以及環路出入口采用信號控制的子系統，主要包括交通工程設計、車輛信息采集、數據傳輸與處理、控制模型算法與仿真分析、優化控制信號調整交通流等。

在十字路口道路旁，都會有這么樣的一個交通信號控制柜，針對于交通信號燈控制的交通信號機就安裝于交通信號控制柜內，是現代城市交通系統的重要組成之一，用于城市道路交通信號的控制與管理。

交通信號機內部由單片機或者[color=inherit !important]Linux的處理器作為 主控，外圍有串口、網口、按鍵、顯示屏、指示燈等接口。看似不復雜，但是由于它工作環境嚴酷、需要常年累月連續工作，對產品穩定、質量要求很高。小編通過檢索各個嵌入式廠商針對交通信號機提供的[color=inherit !important]解決方案，簡單為大家梳理一下交通信號機的工作原理。

上面這張框架圖很好的體現了 交通信號機內部主控系統是如何工作的。根據[color=inherit !important]飛凌嵌入式提供的解決方案，簡單梳理了各個接口連接的外設需求。以[color=inherit !important]飛凌嵌入式的[color=inherit !important]iMX6UL系列[color=inherit !important]核心板為例，

■ [color=inherit !important]雙網口冗余設計，當某一線路出現故障時，自動啟動另外一條線路與指揮中心進行通信；

■ 8路串口，可外接多種傳感器、檢測器、GPS，保證系統的精確[color=inherit !important]時鐘；

■ USB接口，可外接U盤、鼠標，方便生成和下載參數；

■ 多路[color=inherit !important]GPIO，實現多通道紅綠燈控制；

■ 7寸、10.1寸高清屏幕顯示，界面運行流暢；

■ 上行通道支持4G接口，WiFi熱點方便參數配置；

■ 工業級主板，可在-40°[color=inherit !important]C~+85°C溫寬下運行，經多個的領域長期測試，保證產品在嚴苛環境下的性能穩定；

■ 采用Linux+QT開發，提供各個接口的Demo例程，可以更快速的開發產品，支持Linux3.14+QT4.8.5，Linux4.1.15+QT5.6。

五、什么是智能信號燈？是否可以解決擁堵問題？

同時，城市發展的日新月異以及居民生活水平的提高使得市政道路改建工程頻繁、機動車保有量持續增加，這些變化都對城市交通分布特征帶來了巨大的影響，對交通信號燈控制如何應對這些快速變化提出了挑戰。

隨著中國城市化與機動化進程的深入，交通擁堵問題日益突出，已成為制約城市發展的主要瓶頸之一。傳統的緩解交通擁堵的解決方案例如：拓寬道路、加大路網密度、建立立體交通等越來越顯示出其局限性，隨著[color=inherit !important]物聯網、大數據、人工智能、信息技術的發展，交通部門意識到只有利用高科技手段才能改善日趨嚴重的交通問題。因此，對道路基礎設施的“智能化”改造成為智能交通發展的必然趨勢。交通信號燈是城市交通管理控制的重要手段，信號燈控制系統升級將有極大潛力緩解交通擁堵。

在人工智能技術高速發展的背景下，對路面交通設施設備進行數字化梳理和數字化采集上，基于圖像處理及嵌入式系統的智能交通信號燈應運而生。它可以通過多個渠道進行感知和收集相關的交通數據，然后利用“智慧大腦”分析研判，計算出更合適的信號控制時間和轉向配置方案，從而有效地改善交通擁堵情況。

六、智能交通信號燈需要“智能大腦”

智能交通信號控制系統解決方案，飛凌嵌入式提供的解決方案是這樣的，在各路口的交通信號燈現場的路邊控制柜內，交通信號機可采用飛凌嵌入式的相關嵌入式[color=inherit !important]ARM核心板設計，推薦的是FE[color=inherit !important]T3399-[color=inherit !important]C核心板，多種AI框架支持， Android7.1系統，支持Tensorflow Lite、Caffe等多種AI框架；并提供針對[color=inherit !important]RK3399平臺深度學習目標檢測開發的優化方案例程（RKSSD），利用了OpenCL、RGA等硬件加速模塊，以降低CPU負載。

■ 具備2個[color=inherit !important]ARM [color=inherit !important]Cortex-[color=inherit !important]A72內核和4個ARM Cortex-A53內核，最高主頻1.8GHz，GPU采用Mali-T864，視頻處理性能強大，可結合視頻車輛檢測器，利用路口電子警察的攝像機進行車輛信息的采集，進行車輛信息的采集；

■ 具備多種[color=inherit !important]顯示接口，包括HDMI2.0、MIPI-DSI、EDP1.3、DP1.2，最大分辨率達[color=inherit !important]4K，可靈活選擇顯示接口，超大高清分辨率屏幕顯示；

■ 具備ADC 5路，可通過監測信號燈的電壓、電流、功率來監視信號燈的狀態；

■ 可通過4G/[color=inherit !important]5G與實時路況數據進行交換，實時改變控制方案，解決突發交通擁堵問題。在擁堵頻發的核心區域、潮汐流明顯的主干道區域，能發揮更加強大的協調路況的功能；

■ 多系統支持，Linux4.4+QT5.12、Android7.1、Forlinx Desktop18.04，python3.6語言編程，讓開發變得更簡單。

■ 由于飛凌嵌入式嵌入式計算機硬件的產品優勢，使得交通燈可以有效規避“停機”或延遲等故障，同時可以高效處理海量的數據與控制任務。

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相關信號機專業術語

有兩個不太容易理解的概念，叫做 相位和 相位階段，官方的解釋我就不引用了，說下自己的理解。

簡單來說，一個路口有幾組燈，就對應幾個相位，比如上述的十字路口，東西南北各一組燈，那就是4個相位。

相位階段，車輛“通行權”的每一次轉換就稱為一個信號相位階段，一個信號周期內"通行權"的交接幾次，就是幾個信號階段。

相位周期，就比較好理解了，就是該相位的信號燈各種燈色輪流顯示一次所需的時間總和。

還有一些其他術語就不解釋了。