干线公路与乡村道路交叉口智能预警系统设计

谭菊琴、金重宇、王雪洁、陈昊、屠升飞

（南京理工大学紫金学院，江苏南京210000）

0 引言

随着乡村振兴战略的推进，村镇公路的交通量明显增加。而乡村公路与干线公路相连接的公路路网结构和道路等级还未达到一致，导致乡村公路与干线公路相接的交叉口事故频发，给道路交通安全带来了较大的隐患。另外，无人值守的乡镇公路交叉口交通环境复杂，交通盲区多，且交通设施较为落后，其交叉口也是交通冲突集中地段。解决这一问题的根本途径就是要提高交叉口安全预警智能化的水平。

目前研究者主要集中研究了基于视频检测的城市道路交叉口有信号灯情况下的事故预警系统。如张诚哲[1]利用监控视频监测路口的行人，通过处理后对路口前的车辆进行预警。杨良义等人[2]研究了基于视频检测的车路协同辅助驾驶系统，该系统能实时感知车辆状态信息并获取区域内道路路况信息，实现了车与车、车与路之间的数据传输。朱淑亮等[3]提出了一种基于机器视觉与信息共享的全局域内的人车安全预警系统，采用机器视觉技术分析车辆和行人的运动状态，通过计算碰撞时间预测监控目标继续通行的安全程度，并向危险车辆精准传递报警信息。龚天洋等[4]研究出一种基于车道线检测获取道路能见度的方法，结合能见度模型，实时进行能见度值的计算，实现了对驾驶人的及时预警。屠升飞等只对交叉口的交通设施进行了设计。

根据无信号灯道路交叉口交通状况，设计一种合理的、低成本的道路交通信息智能安全预警系统显得尤为重要。因此，本文利用模块化设计方法，设计了干线公路与乡村道路交叉口智能预警系统。

1 系统工作原理

本文以宽度为2m×4m 双向双车道的干线公路和宽度为5m 的乡村道路组成的交叉口为设计背景，其安全预警系统原理框图如图1所示，它由控制电路、ZigBee 无线通信电路、红外热释电探测电路、超声探测电路、声光报警电路和显示电路组成。道路交叉口预警系统主要分为两个大部分，分别是探测单元和预警单元，工作原理：系统上电稳定后，探测单元内的红外探测电路开始探测乡村道路上有无行人或车辆，超声探测电路探测干线公路是否有车准备穿过交叉口；采用ZigBee 将红外超声复合探测器探测的信息传输给主控制电路，控制电路根据探测信息判定道路上行人和车辆的状态；一旦发现乡村道路上有行人或车，立即点亮干线公路段的警示灯对司机进行预警；若发现干线公路上有车辆，则根据车辆距交叉口的位置控制蜂鸣器报警电路的发声频率和可变信息板的显示内容，对乡村道路上行人、车辆进行实时预警，保证行人和车辆的安全。

图1 无信号交叉口安全预警系统原理框图

2 交叉口智能预警控制电路设计

控制系统在道路交通信息安全预警系统中占有重要地位，根据该系统的要求，考虑到外围设备的工作原理以及该系统设计所需要程序的复杂程度和存储容量的要求。该设计选用了两块AT89C51 单片机分别作为探测单元和预警单元的主控芯片，探测单元的主控电路如图2（a）所示，预警单元的主控电路如图2（b）所示。

图2 探测与预警主控电路原理图

从图2 可看出，探测单元的主控电路和预警单元的主控电路的最小系统的都相同，XTAL1、XTAL2 与电容组成时钟电路，复位电路由外部的复位电路进行复位。探测单元主控电路图2（a）中的P2.0 口、P2.1口与超声探测电路的控制端相连，P3.2 口、P3.3 口与超声探测电路的信号接收端相连，P1.0～P1.7 与红外探测电路的控制端相连。预警单元的主控电路如图2（b）所示，图2（b）中的P2.3 控制绿色警报灯，P2.4 控制黄色警报灯，P2.0～P2.2 分别与显示电路的RS、RW 和E 的驱动端口相连，P0 口与LCD 显示电路的D0～D7 脚相连，P2.7 与蜂鸣器相连。两主控电路的RXD 和TXD 串口通信端口与ZigBee 无线通信电路的TXD、RXD 口进行数据通信，当红外超声复合探测电路监测到交叉口附近有行人或车辆时，通过ZigBee 无线网络将道路信息发送给预警控制电路，由其控制声光和可变信息板的显示内容，以提醒交叉口附近的行人、车辆注意安全。

3 交叉口智能预警系统软件设计

交叉口智能预警系统程序流程图如图3所示，当系统上电后，单片机初始化，此时红外超声复合探测电路及ZigBee 无线通信电路处于稳定的待机状态，灯光报警电路显示绿灯，显示屏为熄灭状态。红外探测电路通过菲涅尔透镜探测检测区域内是否接收到人体发出的红外线，即判断乡村道路上是否有行人在附近或者即将通过斑马线穿过公路，若探测到这一行为，那么探测单元主控系统处理红外信号并通过Zig-Bee 无线通信电路给预警单元主控系统进行处理后，向干线公路驾驶员发送预警信息，此时灯光报警电路的黄灯常亮。再由超声探测电路的发射电路发出超声波，若接收电路接收到发出的超声波，即此时干线公路有车辆驶来，则向探测单元主控系统发送一段时间的高电平，探测单元主控系统通过内部时钟记录高电平持续时间。再次通过ZigBee 无线通信电路将时间信息传输至预警单元主控系统，预警单元主控系统将接收到的时间信息通过公式处理成距离，并根据预警单元主控系统计算出的距离控制蜂鸣器的频率。车辆离交叉口越近，蜂鸣器的声音频率越高。同时预警单元主控系统触发交叉口显示电路显示车辆距离，提醒道路上行人有车正在通过马路。当红外探测电路和超声探测电路都没有检测到目标时，警示灯为绿色，显示屏熄灭，驾驶员可以安全通过，系统返回初始等待状态。

图3 系统程序流程图

4 结语

本文设计了一种干线公路与乡村道路交叉口智能预警系统，该系统利用红外超声复合探测器实时监测交叉口道路信息，控制电路根据监测到的信息判定公路交叉口附近车辆和行人的状态，并通过声光和文字对司机和行人进行实时预警，从而有效地避免交通事故的发生，减少财产损失。