基于微處理器的車流量數(shù)據(jù)的檢測(cè)與分析

1 前言

隨著城市車輛的增多，道路情況變得復(fù)雜，如何對(duì)道路車流量進(jìn)行監(jiān)控，對(duì)統(tǒng)計(jì)、預(yù)測(cè)城市道路交通情況至關(guān)重要，同時(shí)這也是對(duì)城市道路運(yùn)行情況合理調(diào)度的重要依據(jù)。而目前對(duì)城市道路監(jiān)測(cè)多以通過視頻為主，甚至?xí)扇∪斯び洈?shù)，這對(duì)每條道路在某個(gè)時(shí)段車輛的頻率或通行的車型不易做到長(zhǎng)期、精確的統(tǒng)計(jì)。因此，需要設(shè)計(jì)一種低成本、高效率的智能識(shí)別裝置，來促進(jìn)對(duì)道路交通情況的監(jiān)測(cè)水平。

2 裝置總體設(shè)計(jì)

裝置可劃分為三部分，如圖1，分別為采集部分，信號(hào)調(diào)理部分和識(shí)別處理部分。在應(yīng)用中，可以將多個(gè)裝置分別安裝在各個(gè)路段兩側(cè)，最終將處理結(jié)果匯總到最近的上位機(jī)節(jié)點(diǎn)，然后將各地方節(jié)點(diǎn)匯總到中心工作站，從而對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、分析、統(tǒng)計(jì)，達(dá)到道路車流量檢測(cè)的目的。為掌握各路段車輛通行規(guī)律，預(yù)測(cè)車流高峰和堵車高峰，作出合理調(diào)度和措施提供依據(jù)。

裝置結(jié)構(gòu)
 

圖1  車流量識(shí)別裝置總體結(jié)構(gòu)圖

3 采集部分

本部分采取了矩陣理念，分別用紅外線發(fā)射和接收管組成檢測(cè)區(qū)矩陣電路，當(dāng)有車輛駛?cè)霗z測(cè)區(qū)，將會(huì)遮擋部分發(fā)射和接收管，從而引起電路中電平的變化。因此通過對(duì)車行駛情況的充分分析，設(shè)計(jì)識(shí)別算法，微處理器就能按照算法，將車輛的行駛狀況識(shí)別出來。本文將以實(shí)驗(yàn)模型，說明設(shè)計(jì)思路。

矩陣采集區(qū)以發(fā)射電路和對(duì)應(yīng)在其下方的接收電路組成，發(fā)射部分由兩排紅外線發(fā)射管，每排八個(gè)組成。接收電路由正對(duì)每個(gè)發(fā)射管的接收管組成，同樣是兩排的測(cè)量層次，和每排八個(gè)單元的測(cè)量密度。

    在實(shí)際應(yīng)用中，為了提高識(shí)別的準(zhǔn)確性和適應(yīng)道路狀況，可以合理的增加矩陣中的測(cè)量層次和采集點(diǎn)密度，還需要根據(jù)實(shí)際情況對(duì)識(shí)別算法簡(jiǎn)單修改。

4 信號(hào)調(diào)理部分

主要作用是將采集的信號(hào)進(jìn)行放大、整理，達(dá)到微處理器能夠處理的程度，再根據(jù)處理部分的需要選通矩陣中的測(cè)量排。原理圖如圖2。其中(a)部分是將接收管所產(chǎn)生的微弱信號(hào)變化進(jìn)行放大，在相應(yīng)的引腳部位體現(xiàn)出來，并傳輸?shù)剿拥?4HC244芯片(b)部分，將放大后的信號(hào)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，達(dá)到微處理器能處理的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。由圖可知，每排接收排的引腳接到一片74HC244芯片上。

圖2  信號(hào)調(diào)理部分原理圖

5 判斷處理部分

本部分主要應(yīng)用1片ATmega16L芯片作為微處理器，如圖3。

圖3  微處理器作為判斷處理部分

利用AVR單片機(jī)的PD口來控制選通兩片74HC244芯片中的一個(gè)，即分別選通兩個(gè)接收排中的一排，將接收到的數(shù)據(jù)用AVR的PB口接收，通過仿真，可檢測(cè)算法在運(yùn)行中的正確性。另外，微處理器的PA口用于與外部進(jìn)行通信，將識(shí)別結(jié)果發(fā)送到上位機(jī)。

6 識(shí)別算法的設(shè)計(jì)過程

算法的設(shè)計(jì)直接決定識(shí)別的效果，甚至系統(tǒng)的成本。算法中要解決的關(guān)鍵技術(shù)問題是如何確定有車進(jìn)入測(cè)試區(qū)間、判斷車行進(jìn)方向、并排行駛多輛車的識(shí)別、車的型號(hào)以及車流量的確認(rèn)。

本系統(tǒng)采用C語言編程，軟件調(diào)試通過硬件測(cè)試、單排識(shí)別測(cè)試、穩(wěn)定雙排識(shí)別測(cè)試和帶外部通信的測(cè)試四個(gè)階段逐步設(shè)計(jì)、修改、優(yōu)化算法和程序，最終達(dá)到比較理想的識(shí)別效果。

（1）在硬件測(cè)試中，用程序檢測(cè)接收電路中所選擇的電阻以及三極管的型號(hào)是否合理，這將直接影響采集靈敏性和采集效果。

（2）完成硬件測(cè)試后，通過單排檢測(cè)測(cè)試，首先要解決確定有車進(jìn)入測(cè)試區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)，本步驟關(guān)鍵一點(diǎn)是測(cè)算兩個(gè)接收點(diǎn)的間距w，首先要保證最小的車型寬度足以擋住n個(gè)接收點(diǎn)，而并排行駛的汽車間最小距離也應(yīng)大于一個(gè)接收間距，這樣對(duì)判斷是一輛車經(jīng)過還是多輛車在算法設(shè)計(jì)上提供了可行性?？筛鶕?jù)現(xiàn)場(chǎng)中接收點(diǎn)密度選定n的取值，本實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭羞x擇n為3。因此，在判斷一排接收信號(hào)中，有連續(xù)3個(gè)以上接收點(diǎn)被擋，即說明有車經(jīng)過。

將一排接收點(diǎn)編號(hào)，為r[0]到r[7]，這樣首次提取到r[i]到 r[j]連續(xù)被擋，將j與i的差值賦給變量l,如果l的值不小于3，即發(fā)現(xiàn)車輛，同時(shí)l*w即可以確定車輛寬度，對(duì)照車寬標(biāo)準(zhǔn)，可以判斷車型。另外，提取第j位以后的各位，如果7-j不小于4，則有并行過車可能，仿照第一次判斷標(biāo)準(zhǔn)，判斷出是否有并行車輛，以及型號(hào)。

（3）雙排識(shí)別的作用是穩(wěn)定的判斷出車行駛的方向，以及提取通過測(cè)試區(qū)車流量。這就需要根據(jù)車輛依次通過兩排測(cè)試排時(shí)產(chǎn)生的信號(hào)的先后變化，以及對(duì)車通過測(cè)試區(qū)域的分解動(dòng)作建立模型，設(shè)計(jì)確定車流量的算法。在這個(gè)階段，又會(huì)出現(xiàn)新的干擾問題，就是車輛在連續(xù)通過兩個(gè)測(cè)試排過程中，剛要經(jīng)過每個(gè)測(cè)試排時(shí)都會(huì)產(chǎn)生采集信號(hào)的劇烈變化，造成最終識(shí)別的嚴(yán)重錯(cuò)誤，因此，在這一環(huán)節(jié)，需要加入防抖抗干擾措施，對(duì)每一排信號(hào)在一定時(shí)間內(nèi)進(jìn)行多次采樣，設(shè)置采樣標(biāo)志變量，將多次采樣的標(biāo)志變量進(jìn)行綜合匹配，匹配后結(jié)果在置信區(qū)間的，則認(rèn)為采集數(shù)據(jù)真實(shí)。但過多采樣，會(huì)降低系統(tǒng)運(yùn)行速度，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)，在模型中，取兩次采樣，間隔1ms，已經(jīng)能達(dá)到滿意的效果。以第一排為例，設(shè)第一次采集中識(shí)別的車輛標(biāo)志變量為a1(為0表示無車，為1表示有車)，并行標(biāo)志變量b1(為0表示無車，為1表示有并行車)；同理，設(shè)第二次采集得到的相應(yīng)變量為a2和b2，則第一排真實(shí)的過車情況標(biāo)志變量a和b如圖4所示。

通過類似方式獲得第二排的置信狀態(tài)，綜合兩排車輛運(yùn)行狀態(tài)，通過設(shè)計(jì)的判斷車輛駛?cè)?、通過、駛出和駛離動(dòng)作模型，用算法將完成這一套動(dòng)作作為判斷車行進(jìn)方向以及車輛真正通過測(cè)試區(qū)，完成一次記數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)。綜合，以上各步驟程序以及采集到的數(shù)據(jù)，完成雙向并排車流量的識(shí)別。

（4）系統(tǒng)在處理與外部通信中，根據(jù)外部所連接設(shè)備，用算法讓系統(tǒng)在合適時(shí)機(jī)送出數(shù)據(jù)，避免過頻通信，占用識(shí)別處理時(shí)間，影響結(jié)果。

7 結(jié)論

本文中有兩個(gè)創(chuàng)新點(diǎn)，首先是用矩陣式紅外識(shí)別解決了以往利用紅外線或激光判斷統(tǒng)計(jì)物體經(jīng)過某區(qū)域時(shí)，只能根據(jù)物體經(jīng)過時(shí)阻擋信號(hào)的次數(shù)計(jì)數(shù)，需要物體必須按順序逐個(gè)經(jīng)過測(cè)試區(qū)域，不能對(duì)并行通過的物體識(shí)別的缺陷，實(shí)現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)高效的在雙向上識(shí)別并排通行的多輛車。

其次根據(jù)車輛通過測(cè)試區(qū)的不同狀態(tài)，設(shè)計(jì)了多樣的算法，能夠高效識(shí)別車輛通行狀況。