CN104167101B - 信息发布功能交通灯与移动车体间led光通信系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了信息发布功能交通灯与移动车体间LED光通信系统，包括区域交通信息管理与调度中心、交通信号灯系统、移动车载系统和执勤交警临时信息管理与上报交通信息系统；本发明的有益效果是采用LED交通灯及车灯显示QR二维码形式的交通信息的传输组网方式，网络结构简单。LED交通灯与LED车灯在信息指示的同时能和车载移动体间进行无线光通信，借助QR二维码存储信息容量大的特点发布交通信息缓解道路拥堵及提高车辆的主动预防减少交通事故。

Description

信息发布功能交通灯与移动车体间LED光通信系统

技术领域

本发明属于LED光通信技术领域，涉及信息发布功能交通灯与移动车体间LED光通信系统。

背景技术

随着城市规模的不断增大，城市的交通网络也日益复杂，国际发达国家道路设计是采取人、车、非机动车分离设计，而我们国家还是采取混合交通设计，即使在交通出行机动化时代到来的今天依然采取混合交通设计，把所有的问题都交给了交通信号路口，所以交通拥堵必然会发生。目前城市道路的交通拥堵是个世界级难题，其原因在于道路交通的数学模型难以建立，控制决策难以做出。具有信息发布功能的LED交通灯、LED车灯及LED车灯和LED车灯之间的可见光通信方式，是智能交通系统中解决终端移动通信技术的一种灵活的解决方案，提高移动车辆之间的主动安全预防，减少交通事故。达到LED交通灯、LED车灯信号指示和通信两用目的。

目前智能交通系统解决拥堵问题的方法有：

1、通过建立地铁、高架使车流量分开在不同平面上行驶和停留。

2、限行限号措施可以为大城市破解交通拥堵问题赢得缓冲时间。

3、通过合理设计交通路口的信号秩序，减少路口的损失时间，提高通行能力。

4、绿波带技术。

5、道路旁采用LED屏显示附近主干路通畅拥堵情况。

以上的现有技术，都有其缺点：

1、通过建立地铁、高架使车流量分开在不同平面上行驶和停留，使交通拥堵缓解了许多，但随着城市规模的扩大，拥堵问题还是很严重。2、限行限号措施可以为大城市破解交通拥堵问题赢得缓冲时间，但解决大城市拥堵病从长远和根本上还是要从优化城市空间布局，调整资源配置入手。3、交通路口的信号配时是有其固有的科学规律与计算方法，只要流量和需求数据准确，信号配时是不会有问题的，关键是否掌握流量变化规律及其数据，交通道路口没有禁止左转弯，掉头口又多，流量变化随机性很大，道路交通的数学模型难以建立，控制决策难以做出，很难掌握准确的流量变化规律，所以配时往往会出现一些问题，导致目前城市道路的交通拥堵是个世界级难题。4、绿波带技术只能解决部分道路问题，只是局部而非系统的角度考虑。5、道路旁采用LED屏显示附近主干路通畅拥堵情况信息滞后。交通信号通行能力分析是个复杂问题，这里面涉及到多个方面。

针对以上方法的局限性，本发明借助交通系统中LED交通信号灯、LED车灯、车载视频接收模组硬件平台构建具有信息发布功能的LED交通灯与移动车体间光通信及LED车灯和LED车灯间的光通信，期望提高道路的通行率，缓解拥堵，提高移动车辆之间的主动安全预防，减少交通事故。

发明内容

本发明的目的在于提供信息发布功能交通灯与移动车体间LED光通信系统，解决了现有的交通管理系统以传统的传输线或无线电信号传输方式组网，结构复杂，设备种类繁多的问题。

本发明所采用的技术方案是包括区域交通信息管理与调度中心、交通信号灯系统、移动车载系统和执勤交警临时信息管理与上报交通信息系统；其中：

区域交通信息管理与调度中心：用来接收执勤交警临时信息管理与上报交通信息系统发送的临时路况信息和摄像头和地感线圈采集到的本地实时交通状况及服务信息，并以QR二维码形式将交通信息发送给交通信号灯系统；

交通信号灯系统：接收QR矩阵二维码信息，通过LED交通信号灯中排列的数百个LED小灯管显示QR矩阵二维码信息，并将摄像头和地感线圈采集到的本地实时交通信息传递给区域交通信息管理与调度中心；

移动车载系统：接收LED交通信号灯显示的QR矩阵二维码信息，对QR二维码信息进行解码后将内容显示或语音播报给司机，并将本车驾驶信息编码形成QR二维码以LED车灯显示出来给后车，后车通过视频模组接收到前车的QR二维码LED车灯信息从而确保两车的安全防护，减少交通事故；

执勤交警临时信息管理与上报系统：交警发布临时路况信息。

进一步，所述交通信号灯系统包括交通信号灯单元控制模块，交通信号灯单元控制模块通过电路分别连接LED交通信号灯控制卡和接收模块，LED交通信号灯控制卡通过电路连接LED交通信号灯，摄像头和地感线圈传感模块安装在道路上；

进一步，所述移动车载系统包括车载控制模块，车载控制模块分别通过电路连接视频接收模组模块、地图图像显示或语音播报、本车驾驶信息发布和LED车灯控制卡，LED车灯控制卡电路连接LED车灯；其中视频接收模组模块接收交通信号灯亮灯的视频信息，将信息传送给车载控制模块，车载控制模块将收到的信息进行处理后通过地图图像显示或语音播报表达出来供司机参考，LED车灯控制卡驱动LED车灯发送本车驾驶信息给后续车辆。

进一步，所述LED交通信号灯为圆形的LED交通信号灯，中间LED灯管显示矩阵型QR二维码表示的交通信息，四周LED灯管发送时间信息和区域地点，使得LED交通信号灯发布的信息带上时间标签和地点标签，红绿黄交通信号灯采用数千个双色LED灯管排布成圆形，其中采用圆的内接最大正方形中多个LED管显示M*M规格的QR二维码信息，所述车灯采用多个单色LED灯管构成，多个LED管显示K*K规格的矩阵QR二维码信息。

进一步，所述LED交通信号灯以QR二维码显示交通信息，包括实现个别车辆指挥功能，信息分两大类：控制命令信息，对不同种类车辆发送指令信息；服务信息的发布。具体需要编码的信息有：特种车辆通行指令；普通车辆某时刻的特殊通行指令；目的地的最佳不拥堵路线方案建议；实现车辆个别指挥加减速指令；货车、公交车限行及通行道路指令；停车场、加油站、4S店维修等服务信息发布。

本发明的有益效果是采用LED交通信号灯及车灯显示QR二维码信息的传输组网方式，网络结构简单。LED交通信号灯与LED车灯在信息指示的同时能和车载移动体间进行无线光通信，借助QR二维码存储信息容量大的特点发布交通信息缓解道路拥堵及提高车辆的主动预防减少交通事故。

附图说明

图1是本发明基于LED光通信的智能交通系统结构示意图。

图2是本发明交通信号灯系统硬件连接图。

图3是本发明LED光信息发送模块中LED控制卡硬件连接图；

图4是本发明车载系统中LED光信息接收/发送与信息处理硬件设备连接图；

图5是本发明车灯QR二维码信息发送模块硬件连接图；

图6是本发明LED交通信号灯与车载视频接收模块间光信息发送/接收时序图；

图1中，1.交通信号灯单元控制模块，2.LED交通信号灯控制卡，3.LED交通信号灯，4.接收模块，5.视频接收模组模块，6.车载控制模块，7.地图图像显示或语音播报，8.本车驾驶信息发布，9.LED车灯控制卡，10.LED车灯，11.摄像头，12.执勤交警临时信息管理与上报交通信息终端，13.地感线圈

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

如图1所示，交通信号灯系统包括交通信号灯单元控制模块1，交通信号灯单元控制模块1通过电路分别连接LED交通信号灯控制卡2和接收模块4，接收模块4将接收来自区域交通信息管理与调度中心的QR矩阵二维码交通信息发送给交通信号灯单元控制模块1，控制模块1(工控机)按照优先级生成当前红、绿、黄信号灯周期，另外将QR二维码信息通过串口发到LED交通信号灯控制卡，LED交通信号灯控制卡驱动红、绿、黄交通信号灯显示M*M规格的QR二维码交通信息。这样在十字路口红、绿、黄信号灯指示的同时以QR二维码的方式显示交通信息与指挥指令。摄像头11和地感线圈13传感模块安装在道路上，摄像头11和地感线圈13传感模块将信息传输给交通信号灯系统中工控机，存储在工控机大容量硬盘上，硬盘上图片、视频和数据采用FTP方式通过网络交换机和光端机定时传输给区域交通信息管理与调度中心。

如图2所示，交通信号灯系统中接收模块4将来自区域交通管理与调度中心的交通信息送给交通信号灯单元控制模块1，交通信号灯单元控制模块1将信息发送给LED交通信号灯控制卡2，LED交通信号灯控制卡2驱动红绿黄LED交通信号灯3发送交通信息给移动车辆。移动车载系统使用安装在汽车前端的视频接收模组模块5接收来自交通信号灯的信息传送给车载控制模块6，该控制模块对信息进行解码后通过地图图像显示或语音播报7表达给司机，并将本车驾驶信息通过本车驾驶信息发布8传送给车载控制模块6，车载控制模块6对该信息进行QR二维编码传送给LED车灯控制卡9，LED车灯控制卡9驱动LED车灯10发送本车驾驶信息给后续车辆。交通信号灯系统中接收模块4采用具有视频传输、RS485数据传输、以太网数据传输的光端机和RS485转232接口及其它相关接口电路构成。交通信号灯单元控制模块1采用工控机，笔记本电脑可以对工控机工作流程进行干预，在必要时对现场的信号灯相位周期全部强制重置。LED交通信号灯控制卡2采用ARM Cortex-M4内核的32位微处理器作为核心控制模块，外扩存储器SDRAM和NORFlash。LED交通信号灯采用红绿双色LED灯，都亮时显示黄色，满足红绿黄交通灯颜色要求。LED交通信号灯控制卡2接收来自工控机的信号，经处理驱动M*M规格的LED屏。LED交通信号灯控制卡2结构如图3所示。

执勤交警临时信息管理与上报交通信息终端12用于交警手持便携，作为可移动手持设备，将随时处理的交通信息发送给交通信号灯系统和区域交通信息管理与调度中心，区域交通信息管理与调度中心负责对整个系统信息进行综合处理，发布调度信息。本发明交通信号灯系统和移动车载系统间采用光通信及车与车之间采用LED光通信，通过特制的LED交通信号灯，将相关交通信息以矩阵QR二维码方式显示在LED交通信号灯上，区域交通信息管理与调度中心与交通信号灯系统之间网络传输介质为公安部专用光纤网络。执勤交警临时信息管理与上报交通信息终端12及特殊车辆(救护车、消防车、有特殊需求普通车辆等)传送信息给区域交通管理和调度中心，区域交通管理和调度中心对信息进行处理后将相关信息进行QR二维编码，通过总线广播传送到各个交通信号灯系统中。区域交通管理和调度中心上位机首先广播地址信息，所有交通灯系统下位机(即工控机)都侦听广播，并中断接收，下位机接收到地址信息后，进行地址比对，若地址相同，则接收数据包，而其它下位机因地址不符，从中断返回。

如图4所示，移动车载系统中LED光信息接收/发送与信息处理系统包括车载控制模块6，通过电路连接视频接收模组模块5、地图图像显示或语音播报7、本车驾驶信息发布8和LED车灯控制卡9，LED车灯控制卡9电路连接LED车灯10；其中视频接收模组模块5接收交通信号灯亮灯的视频信息，将信息传送给车载控制模块6，车载控制模块6将收到的信息进行处理后通过地图图像显示或语音播报7表达供司机参考，LED车灯控制卡9驱动LED车灯10发送本车驾驶信息给后续车辆。图5是车灯QR二维码信息发送系统。整个系统中交通信号灯系统信息发送和移动车载系统信息的视频采集接收时序如图6所示，车与车之间的LED光信息传输时序也如图6所示。

区域交通信息管理与调度中心通过摄像头11和地感线圈13传感模块采集道路信息上报，特殊车辆(救护车、消防车、有特殊需求普通车辆等)通行要求及浮动车辆的交通信息资源上报形成了区域交通信息大数据系统，根据大数据系统中数据间的信息关联和相关度通过数据挖掘技术可以达到比较准确的预估交通道路的车流量、通畅程度及理想的车速等信息，将这些信息通过交通信号灯系统发布给车载移动终端，车载移动终端根据当时路况选择最佳路线和理想车速，整个区域道路交通形成良性循环。区域联网形成整个城市、省的交通控制与调度中心、整个城市及省的交通控制与调度中心互联网形成整个国家的交通控制与调度中心，实现了全国的网络化运营的“统一指挥、逐级负责、协调联动的智能交通系统。

交通信号灯系统接收来自区域交通信息管理与调度中心的QR二维码信息，交通信号灯系统中的工控机通过UART串口发送QR二维码到LED交通信号灯控制卡2，LED交通信号灯控制卡2驱动红、绿、黄交通信号灯显示M*M规格QR二维码交通信息。移动车载终端利用可变焦、曝光时间可调的视频模组接收来自交通信号灯的QR二维码信息并进行解码。解码后进行地图图像显示或语音播报，司机(无人驾驶车操控系统)根据信息可以选择相应服务和行车路线。车与车之间利用车灯(日车灯成为欧洲行车标准)传输刹车、加速及安全车距等信息，前车LED尾灯发射K*K规格QR二维码信息，后车应用可变焦、曝光时间可调视频模组接收来自前车的QR二维码，解码后控制车辆进行加减速或停车提高车辆的主动安全预防，避免碰撞。移动车载系统采用时分复用TDM方式采集交通信号灯和前车尾灯的两路QR二维码视频信息。

本发明技术的创新点：

1、利用二维码存储信息量大的特点，对待发送的交通信息进行QR二维编码通过交通信号灯显示，移动车辆终端通过视频模组采集QR二维码图像，解码复原交通信息。红黄绿信号灯交替亮对道路交通进行指挥的同时发送QR二维码交通信息，使人们看到的仍然是传统的红黄绿交通信号灯指挥。

2、圆形LED交通信号灯和LED车灯中间显示矩阵型QR二维码信息，交通信号灯四周led灯管发送时间信息和区域地点，使得发布的交通信息带上时间标签和地点标签。交通信号灯采用数千个双色LED灯管排布成圆形，其中采用圆的内接最大正方形中多个LED管显示M*M规格的QR二维码信息。LED车灯采用多个单色LED灯管构成，多个LED管显示K*K规格的矩阵QR二维码信息。

3、LED交通信号灯发送QR二维码，低速通信及多个0码发送时考虑到未经处理的数据通信传输会引起LED信号灯的光强不稳定使人们感到亮度不均衡，导致与人们已经习惯的红绿黄灯颜色偏差大的问题，所以需要解决LED信号灯发射时光强的稳定性，也就是LED信号灯光源发射光功率稳定性问题。本系统采用一个周期内前半周期发射原信息码，后半周期发射原信息码的反码，这样光功率是50％，保持恒定。考虑人眼的视觉停留特性，在极短时间内交替发射原信息码和其反码，保持光功率恒定。发送端t1时间发送原信息码，QR二维码的logo标志设置为1；t2(t2＝t1)时间发射原信息码的反码，QR二维码的logo标志设置为0，接收端视频模组采样周期T，在t1+t2时间段内连续采集n1帧图片，设置logo标志的亮度阈值，对采集的n1帧图片，根据设置的logo标志图像亮度阈值，当大于该阈值时是有效图像，否则无效图像。对采集的有效QR二维码图像进行解码。

具体实施举例：如图6所示，原信息码(QR二维码的logo标志1)显示10ms，原信息码的反码(QR二维码反码logo标志0)显示10ms；时钟Clk1:周期20ms方波(logo信号周期)；QR二维码图片发送：上升沿发送原信息码，下降沿发送原信息码的反码；视频采集Clk2:周期5ms的方波,采样时间3ms(即曝光时间3ms，或刷屏时间),2ms数据处理。10ms时间采样2-3帧图像，首先设置logo标志的亮度阈值，对采集的图像P1,P2，P3…，根据logo标志(m*m个led灯管实现logo标志)图像亮度大于阈值时是有效图像，否则无效。通过判断logo标志的亮度实现收发双方信号的同步。

收发双方同步信息在采集的信号中提取。时序如图6所示，10ms中采集2～3帧完整的原信息码二维码图像，采用曝光时间可调，可变焦视频模组，根据光线强弱自动调整曝光时间，动态拍摄，每秒连续拍摄300多帧来自交通信号灯的QR二维码交通信息图片，通过亮度阈值判断，获得100帧～150帧原信息码二维码图像。对获得的100帧～150帧原码二维码图像进行解码。

4、车与车之间利用LED车灯(日车灯成为欧洲行车标准)传输刹车、加速及安全车距等信息，前车LED尾灯发送QR二维码信息，后车可变焦、曝光时间可调视频模组接收来自前车的QR二维码，解码后控制车辆进行加减速或停车提高车辆主动安全预防，避免碰撞。

5、车与车之间的无线光通信中前车尾灯发送QR二维码时，低速通信或不通信时及多个0码发送时考虑到未经处理的数据通讯传输会引起LED信号灯的光强不稳定使人们感到亮度闪烁，采用技术关键点3的方法保持光功率恒定来解决车载LED尾灯发射时光强的稳定不变。

6、道路交通中针对车辆的个别指挥终极目标，LED交通灯对多种类车辆信息发送时采用时间片轮换的时分复用技术。

本发明具有以下优点：

1、本方案从现有交通系统提供硬件平台出发，结合QR二维码存储发布信息容量大的特点，交通信号灯以QR二维码方式发布交通信息，从直接影响交通系统的直接参与者决策角度考虑尝试缓解交通拥堵和提高车辆的主动安全预防。

2、利用LED交通灯和LED车灯在交通信号指示的同时进行无线光通信期望实现交通的大范围控制与导航，提高现有路网的通行效率、战略上的协调指挥。

3、司机在驾驶过程中可以获取最及时的交通、道路或位置信息，选择最佳驾车路线，避免碰撞，保证顺畅交通。此外，还可以实现车辆的身份识别，便于管理。为智能交通系统的终端通信接入提供了一种有效低成本的解决方案。本发明结合目前智能手机终端扫描二维码识读信息的特点，在商场、车站、机场，道路上等公共场合应用LED光通信进行信息发布和传输具有大的应用空间。

以上所述仅是对本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。

Claims (5)

1.一种信息发布功能交通灯与移动车体间LED光通信的系统，其特征在于：包括区域交通信息管理与调度中心、交通信号灯系统、移动车载系统和执勤交警临时信息管理与上报交通信息系统；

区域交通信息管理与调度中心：用来接收执勤交警临时信息管理与上报交通信息系统发送的临时路况信息，以及摄像头和地感线圈采集到的本地实时交通状况及服务信息，并以QR二维码形式将交通信息发送给交通信号灯系统；

交通信号灯系统：接收QR矩阵二维码信息，通过LED交通信号灯中排列的数千个LED小灯管显示QR矩阵二维码信息，并将摄像头和地感线圈采集到的本地实时交通信息传递给区域交通信息管理与调度中心；

移动车载系统：接收交通信号灯系统通过LED交通信号灯显示的QR矩阵二维码信息，对QR矩阵二维码信息进行解码后将内容显示或语音播报给司机，并将本车驾驶信息编码形成QR二维码以LED车灯显示出来给后车，后车通过视频模组接收到前车的QR二维码LED车灯信息从而确保两车的安全防护；减少交通事故；

执勤交警临时信息管理与上报系统：交警发布临时路况信息。

2.根据权利要求1所述的信息发布功能交通灯与移动车体间LED光通信的系统，其特征在于：所述交通信号灯系统包括交通信号灯单元控制模块(1)，交通信号灯单元控制模块(1)通过电路分别连接LED交通信号灯控制卡(2)和接收模块(4)，LED交通信号灯控制卡(2)通过电路连接LED交通信号灯(3)，摄像头(11)和地感线圈(13)传感模块安装在道路上。

3.根据权利要求1所述的信息发布功能交通灯与移动车体间LED光通信的系统，其特征在于：所述移动车载系统包括车载控制模块(6)，车载控制模块(6)分别通过电路连接视频接收模组模块(5)、地图图像显示或语音播报(7)、本车驾驶信息发布(8)和LED车灯控制卡(9)，LED车灯控制卡(9)电路连接LED车灯(10)；其中视频接收模组模块(5)接收交通信号灯亮灯的视频信息，将信息传送给车载控制模块(6)，车载控制模块(6)将收到的信息进行处理后通过地图图像显示或语音播报(7)表达出来供司机参考，LED车灯控制卡(9)驱动LED车灯(10)发送本车驾驶信息给后续车辆。

4.根据权利要求1所述的信息发布功能交通灯与移动车体间LED光通信的系统，其特征在于：所述LED交通信号灯(3)为圆形LED灯，中间是QR矩阵二维码信息，四周LED灯管发送时间信息和区域地点，使得LED交通信号灯(3)发布的信息带上时间标签和地点标签，红绿黄交通信号灯采用数千个双色LED灯管排布成圆形，其中采用圆的内接最大正方形中多个LED管显示M*M规格的QR矩阵二维码信息，所述车灯采用多个单色LED灯管构成，多个LED管显示K*K规格的QR矩阵二维码信息。

5.根据权利要求1所述的信息发布功能交通灯与移动车体间LED光通信的系统，其特征在于：所述LED交通信号灯(3)以QR二维码显示交通信息，包括实现个别车辆指挥功能，信息分两大类：控制命令信息，对不同种类车辆发送指令信息；服务信息的发布；具体需要编码的信息有：特种车辆通行指令；普通车辆某时刻的特殊通行指令；目的地的最佳不拥堵路线方案建议；实现车辆个别指挥加减速指令；货车、公交车限行及通行道路指令；停车场、加油站、4S店维修服务信息发布。