一种实时显示信号灯数据的路径导航系统的制作方法

本发明属于地图路径导航领域，具体涉及一种实时显示信号灯数据的路径导航系统。

背景技术：

目前，车载导航和便携式导航产品已经被人们广泛使用，其便捷的poi检索、最优路径规划、智能语音引导等功能给人们的日常出行带来诸多便利。然而随着城市经济建设的迅猛发展，城市道路日新月异，城市车辆保有量爆炸式的增长，交通拥堵、交通安全事故频发已成为城市普遍存在的现象。如何利用地图导航、移动互联网、卫星定位等相关技术，通过手机或车载终端地图，将路口的信号灯倒计时、车道渠化等路侧交通基础实施信息实时提供给驾驶人，实现车路的协同，

实现交通信号信息超视距传输，为解决道路拥堵及自动驾驶提供一种有效的方法。

现阶段，地图导航技术中辅助的交通信息数据尤其是路侧基础交通数据的获取成为制约车载导航应用发展的一个“瓶颈”，而实时获取前方路口红绿灯信息也是解决该问题的关键之一。

技术实现要素：

本发明主要解决手机或车载终端进行地图导航过程中，无法获取前方路侧基础设施信号灯的数据的问题。本发明提供了一种精度高、可靠性好的实时获取前方路口信号灯数据提示的方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种实时显示信号灯数据的路径导航系统，包括数据接入装置、前方路口预测模块和mqtt(messagequeuingtelemetrytransport，消息队列遥测传输)消息中间件；

所述数据接入装置包括com接口数据传输模块和微控制单元mcu((microcontrollerunit)；

com接口数据传输模块通过com接口(即232串口)与信号灯串口连接，所述数据接入装置利用com接口数据传输模块的com接口单向接收信号灯数据；

微控制单元mcu包含数据传输模块、数据解析模块、定位模块和无线通讯模块；

微控制单元mcu通过数据传输模块获取信号灯实时数据，并发送给数据解析模块；

所述数据解析模块用于对信号灯数据进行解析，形成路口方向、灯色、时长、路口偏转角度组成的报文，并封装成固定格式的json数据串；

所述定位模块用于采集信号灯的无偏经纬度坐标；

所述无线通讯模块利用2g/4g通讯技术、以无线通讯方式向mqtt消息中间件发送对应信号灯的json(javascriptobjectnotation)数据串；

所述前方路口预测模块用于进行信号灯位置信息的预处理、前方路口预测；

信号灯位置信息的预处理包括预加载并存储城市路口所有信号灯的无偏经纬度位置信息；

前方路口预测包括：根据用户当前位置预测出即将到达的前方路口；

所述mqtt消息中间件基于消息队列遥测传输协议，支持可发布/可订阅的消息推送模式，接收到数据接入装置发出的json数据串后，定义该路口信号灯主题信息(topic)为[经度/纬度]([longitude/latitude])，并发布该主题数据。

所述信号灯位置信息的预处理包括预加载并存储城市路口所有信号灯的无偏经纬度位置信息；

所述前方路口预测包括：根据用户当前位置预测出即将到达的前方路口；

系统还包括信号灯数据显示模块，所述信号灯数据显示模块根据路口方向、灯色、时长信息，进行路口虚拟化并在用户终端上实时显示。

系统执行以下步骤：

步骤1，通过数据接入装置的定位模块获取所在城市内所有信号灯84坐标系下的无偏经纬度位置信息，并进行预处理，将预处理后的数据发送给前方路口预测模块，存入前方路口预测模块的内存数据库中；

步骤2，获取信号灯实时数据：数据接入装置通过com接口数据传输模块与信号灯串口连接，实时单向接收信号灯发送的实时字节流数据，微控制单元mcu通过数据传输模块获取信号灯实时数据；

步骤3，解析信号灯数据：数据接入装置通过数据解析模块对接收到的实时信号灯字节流数据按协议格式进行解析，提取出路口方向、灯色、时长、路口偏转角度信息并按照直行、左转、右转及掉头组成新的json数据串，然后通过无线通讯模块向mqtt消息中间件发送对应信号灯的json数据串；

步骤4，发布数据：mqtt消息中间件接收到json数据串后，向已订阅该信号灯主题信息的手机app或车载终端进行数据发布，为其提供准确实时的数据源；

步骤5，路口预处理：终端用户设定起点a和终点b，获取导航规划路径，将该路径中所有路口信息以导航起点到终端先后顺序存入有序list数组中；

步骤6，路口预测：设置一个固定阈值(经验值为8-15米)，终端在运动过程中通过自身的位置gps信息，不断计算和前方路口距离，当该距离小于该阈值时表明即将进入下一路口；

步骤7，mqtt消息中间件进行信息订阅：通过步骤6不断迭代计算当获取下一路口时，当计算出将要进入下一路口时，立刻从步骤5的list数组中获取下一路口，首先组成topic主题，向mqtt消息中间件订阅该主题，获取路口信号灯信息，同时取消上一路口的信息订阅，并从list数组中移除该路口数据；

步骤8，获取路口信号灯信息后，根据步骤3中提取的方向、灯色、时长信息，通过信号灯数据显示模块进行路口虚拟化并在终端上实时显示。

步骤1中所述预处理包括：将经纬度位置信息转化为键-值对形式的映射表map<key,value>，键key为路口，值value为路口位置信息。

步骤5具体包括：路口预处理：终端(手机app、车载设备)用户设定起点a和终点b，终端调用地图导航api获取从起点a到终点b的规划路径，获取该路径规划中所有路段经纬度点的集合，通过对步骤1中预处理映射表map<key,value>进行循环，对所有路口位置信息和规划路径经路段纬度点进行比较，获取该导航规划路径上所有路口，并将该路径中所有路口信息以导航起点到终端先后顺序存入有序list数组中。

系统通过终端及数据接入装置向消息中间件订阅分发信号灯的实时信息，当终端通过回调函数接收到前方路口的信号灯信息时，通过canvas技术将解析信号灯json报文实时绘制出路口的形状，路口的灯色、渠化、倒计时等。

本发明利用信号灯接入终端，通过com串口单向接收信号灯数据，通过对数据的解析组成特定json字符报文，同时利用mqtt消息中间件订阅分发机制，实时将路口的信号灯信息分发给前端设备，前端设备通过调用地图api导航界面获取导航路径，计算导航路径中的所有信号灯路口并按顺序排列，通过终端预测前方路口，向消息中间件订阅该路口信息，当获取该路口信号灯json字符串时，利用canvas技术实时绘制信号灯的信息，包括路口形状、灯色、倒计时、渠化信息等；

有益效果：本发明与现有的导航信息提示技术相比，集成了路侧信号灯的实时信息显示及提示，由于该发明获取信号灯信息延时小、精度高的特点，为使用者提供了超视距获取信号灯信息提示的服务，增加使用者的体验，给无人驾驶、交通拥堵问题提供了一种有效的解决方案。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述或其他方面的优点将会变得更加清楚。

图1是本发明的信号灯接入装置示意图。

图2是本发明的系统数据流图。

图3是本发明架构图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。

如图3所示，本发明提供了一种实时显示信号灯数据的路径导航系统，包括数据接入装置、前方路口预测模块、mqtt(messagequeuingtelemetrytransport，消息队列遥测传输)消息中间件及信号灯数据显示模块；

所述数据接入装置包括com接口数据传输模块、无线通讯模块、数据解析模块；

所述当前位置前方路口预测模块包括信号灯位置信息的预处理模块、路口预测模块、信号灯数据显示模块；所述数据接入装置利用com接口数据传输模块的com串口单向接收信号灯数据；

所述无线通讯模块利用2g/4g通讯技术将信号灯数据发生至mqtt消息中间件；

所述数据解析模块能对com接口数据传输模块接收的信号灯数据进行解析，形成路口方向、灯色、时长、路口偏转角度组成的报文，并封装成固定格式的json数据串，然后按照一定规则通过无线通讯模块向mqtt(messagequeuingtelemetrytransport，消息队列遥测传输)消息中间件发送对应信号灯的json数据串；

所述mqtt消息中间件接收到json数据串后，定义该信号灯主题信息(topic)为longitude/latitude(经度/纬度)，并发布该主题数据。

系统执行以下步骤：

步骤1，通过数据接入装置获取所在城市所有信号灯在84坐标系下的无偏经纬度位置信息[经度，纬度]，并存入内存数据库中，终端系统启动时读取内存数据库将数据存入计算机存储器组成map<key,value>形式的数据结构；

步骤2，获取信号灯实时数据：通过数据接入装置从信号灯设备com接口中实时单向接收信号灯发送的实时字节流数据；

步骤3，解析信号灯数据：数据接入装置通过数据解析模块对接收到信号灯发送的字节流并按预定协议格式进行解析，提取出路口方向、灯色、时长、路口偏转角度信息并按照一定顺序(东、南、西、北)组成新的json数据串，然后通过无线通讯模块向mqtt(messagequeuingtelemetrytransport，消息队列遥测传输)消息中间件发送对应信号灯的json数据串；

步骤4，所述mqtt消息中间件接收到json数据串后，向订阅该信号灯主题信息为经度/纬度(longitude/latitude)的路口发布该主题数据；

步骤5，终端(手机app、车载设备)用户设定起点a和终点b，终端调用地图导航api获取从起点a到终点b的规划路径，利用路口预测模块计算map<key,value>中的路口信息有哪些在这个导航路径上，并将该路口信息以先后顺序存入list数组中；

步骤6，计算当前位置前方路口：设置一个固定阈值(经验值为8-15米)，终端在运动过程中通过自身的位置gps信息，不断计算和前方路口距离，当该距离小于该阈值时表明即将进入下一路口；

步骤7，消息中间件进行信息订阅：通过步骤6不断迭代计算当获取下一路口时，当计算出将要进入下一路口时，立刻从步骤5的list数组中获取下一路口，首先组成topic主题，向mqtt消息中间件订阅该主题，获取路口信号灯信息，同时取消上一路口的信息订阅，从list数组中移除该路口数据；

步骤8，利用路口信号灯显示模块，对获取的路口信号灯信息，按照方向、灯色、时长进行路口虚拟化显示。

实施例

本发明提供了一种实时显示信号灯数据的路径导航系统，包括数据接入装置、当前位置前方路口预测、mqtt(messagequeuingtelemetrytransport，消息队列遥测传输)消息中间件及信号灯数据显示功能；数据接入装置是一款终端设备，部署在路口信号灯一侧，负责采集路口信号灯的控制方式信息和灯色时长信息，并通过mqtt服务器转发报文向终端提供实时信号灯数据。数据接入装置由232串口、微控制单元mcu、mqtt消息中间件组成，所述微控制单元mcu单元为该装置核心。本发明与现有技术相比，达到了模块化、高效率、低功耗的技术效果，通过通用化的接口设计大大增强了装置的灵活性，从而达到适配各个厂家不同型号信号灯的目的，最终实现让驾驶员及时了解前方路口信号灯的实时信息、保证道路交通正常有序的运行的目的。

数据接入装置的软件功能设计如下：

1、数据接入装置与信号灯通过232串口进行连接，不需要更换原信号灯。当信号灯控制模式切换、信号灯控制相位或周期发生变化时，信号灯通过232串口给接入装置发送报文，接入装置从而采集到信号灯的灯色时长报文信息；

2、数据接入装置从232串口接收到灯色时长信息后传入数据解析模块。数据解析模块从信号灯发送的信息中解析得到各个方向上左转、直行、右转、掉头车道的灯色及对应时长，供前端设备使用。数据结构如下：

{“direction”:{“color”:13,“time”:{“right”:30,“straight”:20,“left”:30,“return”:20}}}

其中direction表示方向；color是一个方向上右转、直行、左转、掉头的灯色编码结果，为8比特整型值，每两个比特代表一种前进方式的灯色，如下表所示；time表示时长，right、straight、left、uturn后的值代表该前进方向上的倒计时。

3、数据接入装置带有2g/4g的gprs通讯模块，将解析后的数据发送到mqtt(messagequeuingtelemetrytransport，消息队列遥测传输)消息中间件，其主题(topic)格式为：“经度/纬度”，内容格式为2中的json字符串。

4、数据接入装置与信号灯之间的数据交换是单向的，仅能够从信号灯接收数据，从而保证了信号灯控制的安全性。

参照图2，本发明所述实时显示信号灯数据的路径导航方法主要流程如下：

终端系统启动时预先读取内存数据库中信号灯的位置信息数据(无偏经纬度)以map<key,value>格式读入系统内存，<key,value>的具体内容为：<经度/纬度，[经度，纬度]>。数据接入装置，装置通过232串口单向接收信号灯发送的实时字节流数据并进行解析，将路口方向、灯色、时长等信息封装成固定格式的json串后，装置按照一定协议规则向mqtt消息中间件发送对应信号灯的json数据串。mqtt消息中间件接收到数据接入装置发送的json串后，向定义该信号灯经度/纬度主题(topic)信息的终端发布该信号灯数据。

上述过程完成后，终端用户(驾驶人)设定起点a和终点b，终端调用地图路径规划api得到从起点a到终点b的路径规划结果。遍历路径规划结果中的路段，将每一路段信息与map<key,value>中的信号灯经纬度进行匹配，若信号灯在路段上，则将该路口信息存入list数组中。遍历完成后，规划路径经过的路口信息按照先后顺序存在list数组中。

行驶过程中，终端获取自身的gps定位信息，不断计算当前位置与list中第一个路口的距离，若该距离小于某阈值(8-15米)时表明即将进入路口。从list数组中获取该路口，key作为topic主题向mqtt消息中间件订阅该主题，获取该路口信号灯信息，同时取消上一路口的信息订阅，并从list中移除该路口数据。其中阈值为经验固定值(8-15米)，持续迭代计算当前位置的前方路口，直至到达终点b。系统运行过程中，终端及数据接入装置向mqtt消息中间件订阅分发信号灯的实时信息。终端接收到mqtt中间件返回的前方信号灯信息时，根据json报文绘制出路口的灯色、渠化、倒计时等，实现路口信号灯虚拟可视化。

本发明提供了一种实时显示信号灯数据的路径导航系统，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。