基于树莓派的智能交通控制

车辆在使用树莓派的印度道路交通控制系统

Bura Vijay Kumar1, Seena Naik Korra2, N 斯瓦蒂3, D. 哥坦达拉曼4, 纳根德·亚姆萨尼5 和耶罗拉·钱提6
1嵌入式系统与物联网中心成员，计算机科学与工程系，SR大学，瓦朗加尔，特伦甘纳。2计算机科学与工程系，SR大学，瓦朗加尔，特伦甘纳。
3苏马提·雷迪女子理工学院，瓦朗加尔，特伦甘纳，印度。4SR工程学院计算机科学与工程系人工智能与深度学习中心成员，瓦朗加尔，特伦甘纳，印度。
5印度特伦甘纳瓦朗加尔SR工程学院计算机科学与工程系。
6印度特伦甘纳瓦朗加尔SR工程学院计算机科学与工程系。
电子邮件：vijaykumar.bura@gmail.com1

摘要

在印度，由于人口增长，道路上的车辆数量不断增加，交通控制成为负责交通管理的人员面临的一项艰巨任务。在关键交叉路口，日常交通拥堵给应急车辆带来了更多问题，应急车辆不得不等待绿灯信号，导致污染水平上升和时间浪费，污染物水平可能大幅增加。以往使用的交通控制策略，如埋设在道路侧面的磁环检测器和感应环检测器，仅能提供有限的交通信息，并需要单独的监测系统进行现场车流量统计和交通监控。本文提出一种基于图像处理和树莓派的智能交通控制系统。

关键词 ：微控制器，交通控制，树莓派，图像处理，射频识别

1. 引言

道路上公众面临的主要问题是交通拥堵，由于道路上车辆众多，交通管理人员难以有效控制。这一问题需要借助独立的系统来解决，例如磁力检测器、车辆射频识别以及道路监控摄像头。磁力检测器虽然成本效益高，但容易出现故障；而红外传感器和视频拍摄摄像头虽可辅助使用，却无法实现有效的监控。相比之下，基于视频的系统与传统方法相比具有更多优势[1]。该系统能够整合交通控制技术与监控功能，提供更丰富的信息，且无需复杂的安装过程[19]。本文中，我们尝试为道路上大量车辆提供一种交通控制技术解决方案，并在交叉路口使用树莓派[2]。同时，紧急车辆享有高优先级。对紧急车辆的检测主要基于RFID—射频识别，通过RFID标签识别紧急车辆，并在交叉路口给予其高优先级。为了实现对紧急车辆的检测，需要在交叉路口增加额外的硬件设备，同时紧急车辆上也必须安装RFID标签[3]。为实现该系统，采用动态颜色变换算法，车辆将根据动态颜色变换遵守交通规则。

2. 文献综述

物联网设备与互联网相关联，并通过网络向不同设备或工作人员/存储发送有关其自身或环境因素的数据（例如，关联传感器检测到的数据），或允许远程激发其周围的物理元件/状态[3]。

树莓派是一种小巧便捷的个人电脑，体积与Visa卡相当；树莓派可运行多种Linux操作系统的版本，几乎可以完成普通个人电脑所能执行的所有任务。树莓派还允许通过通用I/O引脚连接传感器和执行器。由于树莓派运行Linux操作系统，因此它原生支持Python编程。树莓派包含摄像头模块，用于拍摄照片。树莓派没有内置硬盘或固态驱动器，而是使用SD卡插槽进行启动和数据存储。Python、C和Perl等编程语言被用作树莓派的编程语言[4]。树莓派Model-B型号配备两个USB端口和一个十/百兆以太网控制器。尽管树莓派Model-A型号没有8P8C (RJ45)以太网端口，但可以通过Wi-Fi适配器或外接以太网连接到网络。树莓派Model-B型号具有内置的USB以太网连接器。与现代计算机系统一样，通用USB键盘和鼠标均可与树莓派兼容。操作系统必须通过SD卡加载到树莓派上。在硬件首次发布之前经过若干建议方案后，树莓派基金会推出了开箱即用新系统（NOOBS）安装程序，自2013年7月起推荐使用该程序安装基于Debian的Rasping系统[17]。基金会计划创建一个应用程序商店网站，以便用户更换程序。

Rasping是一个基于Debian的完全松散的操作系统，专为树莓派硬件优化。它是目前推荐使用的系统，于2012年7月正式发布，尽管至今仍在持续开发中。它是一个免费的软件系统，由独立于树莓派基金会的团队维护。它提供了一些可用的软件包，即预编译软件包[6]。Rasping至少需要2GB SD卡，但通常建议使用4GB SD卡或更大容量的SD卡。使用动态颜色变换算法，当紧急车辆驶上道路时，LED灯会动态改变颜色[18]。

3. 开发系统所需的必要条件

3.1 软件

• MATLAB
• Python编程

3.2 硬件

• 树莓派 - model B
• 配备i7处理器的个人电脑
• 网络摄像头
• 射频识别 (RFID)

4. RFID：射频识别

射频识别（RFID）利用无线电频率捕获并读取附着在物体上的标签中存储的数据或信息[2]。射频识别标签能够在数英尺范围内读取数据。它使用无线电波、近场通信（NFC）协议和集成电路（IC）卡。射频识别结构分为两部分，如下图所示。

4.1 RFID读取器

射频信号发生器产生通过天线发射的无线电波，信号检测器接收来自物体的信号，为了处理这些信号，使用了微控制器[16][3]。

4.2 RFID标签

收发器接收来自读取器的信号，并向读取器发送反馈。无源标签利用整流电路存储来自无线电波的能量，该能量作为控制器和存储元件[3]的电源。由于无源标签自身没有电源，因此依赖无线电波提供能量。半无源标签拥有自身的电源，但在回传信号时仍依赖RFID读取器发出的信号。有源标签在发送和接收过程中均使用自身的电源[20-22]。

5. 实现

这里我们考虑了四条道路和一个中心，每条道路的时间限制均为60秒延迟。当道路3为绿色时，其他三条道路（即道路1、道路2、道路4）为红色开启；当道路2为绿色时，其他三条道路（即道路1、道路3、道路4）为红色开启；当道路4为绿色时，其他三条道路（即道路1、道路2、道路3）为红色开启；当道路1为绿色时，其他三条道路（即道路2、道路3、道路4）为红色开启。

下图显示了道路上LED灯的闪烁情况，根据LED灯的颜色对四条道路上的车辆进行交通控制。此处为了在道路上实现交通控制系统，我们采用了动态颜色变换算法。

道路	道路1	道路2	道路3	道路4
道路1	绿色	Red	Red	Red
道路2	Red	绿色	Red	Red
道路3	Red	Red	绿色	Red
道路4	Red	Red	Red	绿色

6. 紧急车辆的设计系统

该系统描述了当紧急车辆出现在道路1时，给予道路1优先级；当紧急车辆出现在道路2时，给予道路2优先级；当紧急车辆出现在道路3时，给予道路3优先级；当紧急车辆出现在道路4时，给予道路4优先级。

6.1 道路1的优先级:

道路	LED on Road
道路1	橙色
道路2	Red
道路3	Red
道路4	Red

6.2 道路2的优先级:

道路	LED on Road
道路1	Red
道路2	橙色
道路3	Red
道路4	Red

6.3 道路3的优先级:

道路	LED on Road
道路1	Red
道路2	Red
道路3	橙色
道路4	Red

6.4 道路4的优先级：

道路	LED on Road
道路1	Red
道路2	Red
道路3	Red
道路4	橙色

7. 结果

从结果中我们注意到，LED灯根据时间戳闪烁，如果检测到物体（带有射频识别的紧急车辆），则橙色 LED灯闪烁。

8. 结论

本文中，我们实现了一种系统，当紧急车辆驶上印度道路时，该系统会为相应道路开启优先级，给予该道路优先通行权，其中紧急车辆被赋予最高优先级。未来，我们可以仅使用单个交通信号灯来切换颜色。