基于紅外熱釋電傳感器的智能交通勸導(dǎo)系統(tǒng)設(shè)計
電子警察的出現(xiàn)有效控制了機動車闖紅燈的現(xiàn)象,但人行道上行人及自行車違規(guī)的問題未得到有效解決,行人闖紅燈極易導(dǎo)致交通事故。為減少行人、自行車的違規(guī)行為,多數(shù)城市安排交通勸導(dǎo)員現(xiàn)場指揮,一方面增加了城市交通管理費用;另一方面,受時間約束和氣候條件影響,交通勸導(dǎo)員較難做到全天候值守。
文中介紹的智能交通勸導(dǎo)系統(tǒng)能自動檢測交通信號燈及行人運動的狀態(tài),通過交通燈及行人狀態(tài)綜合判定行人是否違規(guī),并采用聲音信息輔助行人過馬路,若發(fā)現(xiàn)有人闖紅燈,系統(tǒng)可自動給予語音警示及教育,人性化的提醒違章行人遵守交通規(guī)則,同時也能為交通事故的取證提供重要依據(jù),從而減少行人亂闖紅燈現(xiàn)象。
1 系統(tǒng)組成及硬件設(shè)計
智能交通勸導(dǎo)系統(tǒng)的組成如圖1所示,主要由交通燈狀態(tài)檢測模塊、行人狀態(tài)檢測模塊及語音提示模塊三部分組成。
其中,交通燈狀態(tài)檢測模塊采用光頻轉(zhuǎn)換顏色傳感器TCS3200設(shè)計,用來檢測交通燈的狀態(tài),自動識別當前紅綠燈所亮的顏色;行人狀態(tài)檢測模塊采用紅外熱釋電傳感器設(shè)計,用來檢測是否有行人通過人行橫道;微控制器P89LPC917根據(jù)當前交通燈及行人的狀態(tài)來綜合判定是否有行人違規(guī);語音提示模塊采用ISD1700語音錄放芯片設(shè)計,用來儲存并播放語音,完成對行人的語音提示。
1.1 交通燈狀態(tài)檢測電路設(shè)計
交通燈狀態(tài)檢測電路用于識別當前交通燈信號的指示狀態(tài),如紅燈、黃燈、綠燈等,文中采用TCS3200作為交通燈狀態(tài)檢測傳感器。TCS3200是TAOS公司2009年推出的可編程彩色光到頻率的轉(zhuǎn)換器,它將硅光電二極管、電流頻率轉(zhuǎn)換器和紅綠藍(RGB)三種濾波器集成在單一的CMOS電路上,在單一傳感芯片上包含了64只光電二極管,其中,帶有紅色、綠色、藍色及不帶任何濾波器的光電二極管各16只。光電二極管在芯片內(nèi)交叉排列,能最大限度地減少入射光輻射的不均勻性,增加顏色識別的精確度;同類型的16只光電二極管并聯(lián)連接且均勻分布在二極管陣列中,可以消除顏色的位置誤差。基于TCS3200的交通燈狀態(tài)檢測電路如圖2所示。
采用微控制器P89LPC917作為CPU,通過LPC917的計數(shù)器端口0對顏色傳感器TCS3200輸出的頻率信號計數(shù),采用定時器1產(chǎn)生定時時基,通過計數(shù)器0和定時器1完成顏色傳感器輸出信號的頻率測量。TCS3200的典型輸出頻率范圍從2 Hz~500 kHz,通過引腳S0、S1可選擇不同的輸出頻率比例因子(100%、20%、2%),對輸出頻率的范圍進行調(diào)整,使TCS3200的輸出頻率范圍和微控制器LPC917的測頻電路相匹配。通過引腳S2、S3選擇濾波器,根據(jù)三原色感應(yīng)原理,顏色是由不同比例的三原色(紅色、綠色、藍色)混合而成,在測量時,依次選通紅、綠、藍三種顏色濾波器,然后對TCS3200的輸出頻率進行測量,可得到相應(yīng)的RGB值,進而得出投射到TCS3200傳感器上的光的顏色,完成交通燈狀態(tài)的檢測和識別。
1.2 行人狀態(tài)檢測電路設(shè)計
行人狀態(tài)檢測電路基于人體紅外輻射及熱釋電傳感器設(shè)計,用來檢測是否有行人通過人行橫道。紅外輻射是一種波長介于可見光與微波之間的電磁波,在絕對零度以上的任何物體都能輻射紅外能量,人體輻射紅外線的本領(lǐng)很強,其中心波長在8~10 ?滋m。熱釋電紅外傳感器基于熱釋電效應(yīng),它將吸收的紅外輻射能量轉(zhuǎn)化為電壓信號,當所吸收的紅外輻射的強度發(fā)生變化時才有信號輸出,它由探測單元、干涉濾光片和場效應(yīng)管匹配電路等組成。干涉濾光片只通過特定波段的紅外輻射,以消除其余波段紅外線的干擾?;跓後岆娂t外傳感器的行人狀態(tài)檢測電路如圖3所示。
采用響應(yīng)波長在5.5~14 ?滋m的熱釋電紅外傳感器D205B作為行人狀態(tài)檢測模塊的探測傳感器,人體輻射的紅外線經(jīng)過菲涅爾透鏡聚焦后,產(chǎn)生交替變化的紅外輻射高靈敏區(qū)和盲區(qū)照射到熱釋電紅外傳感器D205B上。運算放大器U6A對D205B輸出的微弱電壓信號進行第一級放大,然后由C22耦合至運算放大器U6B進行第二級放大,同時將電位抬高至0.5 VCC,再經(jīng)由電壓比較器U7A、U7B組成的雙向鑒幅器處理后,檢出有效的觸發(fā)信號VSA并送至微控制器LPC917。
文中所述的智能交通勸導(dǎo)系統(tǒng)通過兩只熱釋電紅外傳感器構(gòu)成的兩個探測平面來判別行人的行走方向,微控制器根據(jù)當前路口的紅綠燈狀態(tài)及行人行走方向來綜合判斷是否有闖紅燈現(xiàn)象發(fā)生。
1.3 語音提示電路設(shè)計
微處理器根據(jù)當前紅綠燈的狀態(tài)及行人是否違規(guī)來播放相應(yīng)的語音段,以對行人進行語音提示。采用單片優(yōu)質(zhì)語音錄放芯片ISD1700設(shè)計語音提示電路,如圖4所示。
采用編程拷貝機將設(shè)定的語音段內(nèi)容存儲在ISD1700芯片內(nèi)部,微控制器LPC917與ISD1700之間采用SPI總線進行通信,系統(tǒng)工作時,CPU通過對當前交通燈及行人狀態(tài)的檢測來判斷并確定應(yīng)播放的語音段,如行人止步提示,行人前行提示,行人快速前行提示,行人闖紅燈警示等。
2 系統(tǒng)安裝及工作過程
系統(tǒng)安裝方法如圖5所示。交通燈狀態(tài)檢測模塊安裝在行人側(cè)紅綠燈的前端,使顏色識別傳感器TCS3200接收紅綠燈發(fā)出的光線。行人狀態(tài)檢測模塊安裝在支架上,在熱釋電紅外傳感器外罩的菲涅爾透鏡前端安裝寬約1 cm的平面狹縫,形成一個探測面,使人體輻射的紅外線通過平面探測狹縫到達熱釋電傳感器。行人狀態(tài)檢測模塊由兩組行人狀態(tài)檢測電路組成,用來構(gòu)成兩個相互平行的探測面A和探測面B,實現(xiàn)行人過馬路的狀態(tài)檢測及行走方向判斷。
系統(tǒng)的工作過程如下:
(1)當檢測到當前交通燈為綠燈信號時,系統(tǒng)播放當前綠燈,行人前行提示語音段。
(2)當檢測到當前交通燈為紅燈信號時,播放當前紅燈,行人止步提示語音段。此時,若A、B探測面檢測到有行人時,表明有人闖紅燈,可通過語音進行警示。
(3)在紅燈狀態(tài)下,根據(jù)行人到達A、B探測面的先后順序及時間間隔,可判定行人闖紅燈違規(guī)的各個階段。若探測到行人先后經(jīng)過A、B探測面,則表明當前有行人即將走完人行橫道,可進行快速前行語音提示;若探測到行人先后經(jīng)過B、A探測面,則表明有行人正在橫穿馬路,可進行語音勸告并警示。
文中介紹的智能交通勸導(dǎo)系統(tǒng)能夠自動檢測交通燈的信號狀態(tài)及行人的運動狀態(tài),判定行人是否闖紅燈并采用語音輔助行人過馬路,人性化地提醒人們遵守交通規(guī)則。該系統(tǒng)能做到全天候值守,代替交通勸導(dǎo)員可降低城市交通管理費用,對減少行人亂闖紅燈現(xiàn)象、提高人們的文明交通意識具有積極意義。