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基于STM32的智能交通灯控制系统设计与实现思路：LoRa、控制算法结合

news 2024/10/22 12:28:23

一、项目概述

项目目标与用途

随着城市化进程的加快，交通拥堵和交通事故频发已成为困扰城市管理者的重要问题。本项目旨在设计一个智能交通灯控制系统，通过实时监测交通流量和行人过马路情况，智能调节交通灯周期，从而提高交通效率和安全性。系统不仅能够减少交通信号切换的延迟，还能为紧急车辆提供优先通行权，提高道路使用效率。

技术栈关键词

硬件：STM32微控制器、红外传感器、摄像头、LED显示屏、气象传感器
通信协议：LoRa无线通信
控制算法：模糊逻辑控制
编程语言：C/C++
开发工具：STM32CubeIDE、Keil、Arduino IDE

二、系统架构

系统架构设计

本智能交通灯控制系统的架构设计包括多个关键组件，旨在实现高效、智能的交通管理。以下是系统架构图：

选择的硬件与通信协议

主控单元：选择STM32微控制器，因其具备强大的数据处理能力和丰富的外设支持，适合实时控制应用。
传感器：
红外传感器：用于实时监测车辆流量，能够快速响应交通变化。
摄像头：用于视觉监控行人过马路情况，并通过图像识别技术判断行人状态。
气象传感器：用于监测天气变化（如雨、雪、雾等），以动态调整交通信号灯策略。
无线通信模块：选择LoRa模块，因其低功耗和长距离传输能力，适合城市交通系统的多点协调需求。

三、环境搭建和注意事项

环境搭建

硬件准备：
- STM32开发板（如STM32F4系列）
- 红外传感器（如HC-SR501）
- 摄像头（如OV7670）
- LED显示屏（如7段数码管或点阵屏）
- 气象传感器（如DHT11或BMP180）
- LoRa模块（如RFM95W）
软件准备：
- STM32开发环境：使用STM32CubeIDE进行开发和调试。
- Arduino IDE：用于传感器调试和快速原型开发。
- 调试工具：如JTAG/SWD调试器，确保代码运行的稳定性。

四、代码实现过程

本节将详细介绍系统的主要功能模块的代码实现，包括每个模块的逻辑、代码示例以及相应的时序图。

1. 交通流量监测模块

功能说明：该模块通过红外传感器检测通过交叉口的车辆数量，并根据流量来控制交通灯的状态。

代码示例：

#include "sensor.h"   // 引入传感器头文件
#include "traffic_light.h" // 引入交通灯控制头文件#define THRESHOLD 5   // 设定流量阈值// 函数用于监测交通流量
void TrafficMonitoring() {int vehicleCount = ReadInfraredSensor(); // 从红外传感器读取车辆数量// 根据车辆数量决定交通灯状态if (vehicleCount > THRESHOLD) {ChangeTrafficLight(GREEN); // 如果车辆数量超过阈值，切换为绿灯} else {ChangeTrafficLight(RED); // 否则切换为红灯}
}

逻辑说明：

通过 ReadInfraredSensor() 函数获取当前经过传感器的车辆数量。
设定一个阈值，当车辆数量超过此阈值时，交通灯变为绿灯，允许车辆通行；若不超过，则保持红灯。

2. 模糊逻辑控制模块

功能说明：该模块使用模糊逻辑控制算法来动态调整交通灯的切换时间，以优化交通流。

代码示例：

#include "fuzzy_logic.h" // 引入模糊逻辑头文件// 函数用于模糊逻辑控制交通灯
void FuzzyControl() {int vehicleCount = ReadInfraredSensor(); // 获取当前车辆数量int pedestrianCount = ReadCameraData(); // 从摄像头获取行人数// 模糊逻辑计算int greenLightDuration = CalculateGreenLightDuration(vehicleCount, pedestrianCount);SetTrafficLightDuration(greenLightDuration); // 设置绿灯持续时间
}// 模糊逻辑计算函数
int CalculateGreenLightDuration(int vehicles, int pedestrians) {// 设定模糊规则（此处为示例，具体规则需根据需求调整）if (vehicles > 10 && pedestrians < 3) {return 30; // 高流量少行人} else if (vehicles < 5 && pedestrians > 5) {return 10; // 低流量多行人} else {return 20; // 中等流量}
}

逻辑说明：

FuzzyControl() 函数获取当前车辆和行人数，并调用 CalculateGreenLightDuration() 函数来确定绿灯时间。
该函数根据设定的模糊逻辑规则返回绿灯的持续时间，确保交通流量的动态调整。

3. 紧急车辆优先通行模块

功能说明：该模块检测紧急车辆（如救护车、消防车），并立即给与红绿灯优先通行权。

代码示例：

#include "emergency.h" // 引入紧急车辆监测头文件// 函数用于检测紧急车辆
void EmergencyVehicleDetected() {if (DetectEmergencyVehicle()) { // 检测紧急车辆ChangeTrafficLight(RED); // 切换为红灯Delay(3); // 红灯持续3秒ChangeTrafficLight(GREEN); // 然后切换为绿灯}
}// 示例的紧急车辆检测函数（实际实现需接入具体传感器）
bool DetectEmergencyVehicle() {// 假设有一个传感器可以检测到紧急车辆return ReadEmergencySensor() == 1; // 返回1表示检测到紧急车辆
}

逻辑说明：

EmergencyVehicleDetected() 函数调用 DetectEmergencyVehicle() 来判断是否有紧急车辆出现。
一旦检测到紧急车辆，交通灯会立即变为红灯，持续3秒后再切换为绿灯，确保紧急车辆优先通行。

4. 天气监测与调整模块

功能说明：该模块通过气象传感器监测当前天气情况（如雨、雪、雾等），并根据天气变化调整交通信号灯的策略，以确保行车安全。

代码示例：

#include "weather.h" // 引入天气监测头文件// 函数用于监测天气并调整交通灯策略
void WeatherAdjustment() {WeatherCondition currentWeather = ReadWeatherSensor(); // 读取天气状态switch (currentWeather) {case SUNNY:SetTrafficLightTiming(30, 30); // 晴天，正常信号灯时间break;case RAINY:SetTrafficLightTiming(40, 20); // 雨天，增加红灯时间以减少行车风险break;case FOGGY:SetTrafficLightTiming(60, 15); // 雾天，延长红灯时间，减少通行速度break;case SNOWY:SetTrafficLightTiming(50, 25); // 雪天，增加红灯时间break;default:SetTrafficLightTiming(30, 30); // 默认正常信号灯时间break;}
}// 设置交通灯时间函数
void SetTrafficLightTiming(int redDuration, int greenDuration) {SetRedLightDuration(redDuration); // 设置红灯持续时间SetGreenLightDuration(greenDuration); // 设置绿灯持续时间
}

逻辑说明：

WeatherAdjustment() 函数根据气象传感器返回的天气状态进行判断，并调用 SetTrafficLightTiming() 函数来调整交通灯的时间策略。
不同的天气条件会导致交通灯时间的不同设置，例如在雨天和雾天，会增加红灯的持续时间，以确保行车安全。

5. 交叉口协调控制模块

功能说明：该模块利用LoRa无线通信模块实现多个交叉口之间的协调控制，确保整个区域的交通流畅性。

代码示例：

#include "lora.h" // 引入LoRa通信头文件// 函数用于协调交通灯状态
void CoordinateTrafficLights() {SendTrafficDataOverLoRa(); // 发送当前交通状态到其他交叉口ReceiveTrafficData(); // 接收其他交叉口的交通状态// 根据接收到的数据调整当前交叉口的信号灯状态AdjustTrafficLightBasedOnReceivedData();
}// 发送交通数据
void SendTrafficDataOverLoRa() {TrafficData data;data.lightStatus = GetCurrentTrafficLightStatus(); // 获取当前交通灯状态data.vehicleCount = ReadInfraredSensor(); // 获取当前车辆数量LoRaSend(data); // 通过LoRa发送数据
}// 接收交通数据
void ReceiveTrafficData() {TrafficData receivedData = LoRaReceive(); // 接收数据// 根据接收到的数据调整当前信号灯状态if (receivedData.lightStatus == RED) {ChangeTrafficLight(RED); // 如果接收到红灯信号，保持红灯} else {ChangeTrafficLight(GREEN); // 否则切换为绿灯}
}