基于GPS和SD卡存儲(chǔ)的交通信號(hào)采集系統(tǒng)

柳長(zhǎng)源+孔凡寧+馮晉文

摘 要：針對(duì)當(dāng)前無法實(shí)現(xiàn)交通信號(hào)燈位置和實(shí)時(shí)狀態(tài)信息的自動(dòng)化管理的問題，本系統(tǒng)選用STC12C5A60S2為主控芯片，配合Neo5Q GPS定位模塊，利用PT2262/2272無線收發(fā)芯片和便攜安全的SD卡，設(shè)計(jì)了一種新型對(duì)交通燈方位及信號(hào)狀態(tài)的實(shí)時(shí)信息采集解決方案。該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)交通燈所處位置和信號(hào)燈點(diǎn)亮的時(shí)間進(jìn)行實(shí)時(shí)確定，通過SD卡模塊將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到SD卡中，電路簡(jiǎn)單，在原有設(shè)施上即可實(shí)現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，系統(tǒng)實(shí)時(shí)性好，存取方便，利于數(shù)據(jù)的讀取分析。該系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)對(duì)于交通狀態(tài)信息數(shù)據(jù)的采集、分析有著重要意義。

關(guān)鍵詞：交通燈；GPS；SD卡；單片機(jī)

DOI：10.15938/j.jhust.2017.03.005

中圖分類號(hào)： TP274+.2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)： 1007-2683（2017）03-0025-06

Abstract：In terms of the issues where traffic lights′ positions and traffic status information cannot be managed automatically， in this system，STC12C5A60S2 microcontroller can be used as the master chip in conjunction with the GPS position module，Neo5Q. The wireless transceiver module， PT2262/2272 and the portable installing SD card are used to design a new type of realtime information acquisition solution for positions of traffic lights and signal status. And the system can determine the traffic lights′ positions and the process of lighting in a real time. Then the data will be stored in SD card by the SD card module. Furthermore， the equipment can be implemented on existing facilities with a simple circuit. According to the result of experiments， the system contains a convenient storage， works in a real time and it is also advisable to help with the data reading and analysis. Thus， implementation of the system is of great significance to acquire and analyze the traffic status information in recent times.

Keywords：Traffic light； Global Positioning System； Secure Digital Memory Card； single chip microcomputer

0 引 言

隨著我國私家車數(shù)量日益增多，導(dǎo)致了交通擁堵情況也越發(fā)嚴(yán)重。目前的主要解決方案是加寬道路和車輛出行限制，這樣做不僅會(huì)浪費(fèi)很多人力物力，還形成了我國汽車工業(yè)未來發(fā)展的障礙[1]。本文所提出的方案是利用GPS（global positioning system）對(duì)交通信號(hào)燈定位和授時(shí)[2]，將數(shù)據(jù)采集到SD卡中，達(dá)到分析數(shù)據(jù)并合理調(diào)度交通信號(hào)的目的，并且要求在晴朗天氣60m及陰雨天氣50m的距離下可穩(wěn)定使用。

目前我國大多數(shù)交通燈狀態(tài)時(shí)間都是固定的，即使可以改變燈的讀秒時(shí)間也做不到分析數(shù)據(jù)，調(diào)整信號(hào)燈狀態(tài)的時(shí)候沒有數(shù)據(jù)參照，調(diào)度就是盲目的，同時(shí)造成了交通信息的不可查和人力資源的浪費(fèi)。

本系統(tǒng)針對(duì)的問題主要是交通信息數(shù)據(jù)的產(chǎn)生與采集。目前市場(chǎng)上已有相當(dāng)多基于全球定位系統(tǒng)（GPS）接收機(jī)的衍生物，比如出現(xiàn)了手持式全球定位系統(tǒng)用戶機(jī)和車載導(dǎo)航定位系統(tǒng)等產(chǎn)品，但價(jià)錢較貴，也不易普及和推廣[3-5]。因此本文選取STC12C5A60S2單片機(jī)結(jié)合GPS模塊實(shí)現(xiàn)GPS的授時(shí)定位功能，從而獲取交通實(shí)時(shí)狀況信息，并將有用的數(shù)據(jù)收集存儲(chǔ)到SD卡（Secure Digital Memory Card）當(dāng)中。這樣一來，既方便了相關(guān)人員對(duì)GPS產(chǎn)生的有用數(shù)據(jù)進(jìn)行查看與分析，又做到了合理配置交通信號(hào)的目的。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本交通信號(hào)采集系統(tǒng)主要有兩部分組成：無線發(fā)送端和GPS無線接收端。無線發(fā)送端主要由STC89C52單片機(jī)、獨(dú)立按鍵以及DF無線發(fā)射模塊構(gòu)成[6]；GPS接收端主要由STC12C5A60S2單片機(jī)、DF無線接收模塊、信號(hào)燈模擬和GPS接收模塊構(gòu)成，系統(tǒng)框圖如圖1和圖2所示。

該信息采集平臺(tái)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)用于十字交叉路口交通信號(hào)燈的實(shí)時(shí)信號(hào)數(shù)據(jù)的采集，每一條數(shù)據(jù)都包括：信號(hào)燈的地理位置、信號(hào)燈倒計(jì)時(shí)的修改時(shí)刻、東西南北四路信號(hào)燈綠燈的倒計(jì)時(shí)轉(zhuǎn)換時(shí)間。實(shí)現(xiàn)過程：GPS模塊獲取位置和授時(shí)，無線接收端接收來自發(fā)射端按鍵信號(hào)，修改信號(hào)燈的狀態(tài)，并記錄該信號(hào)燈的地理位置、發(fā)送修改命令信號(hào)的時(shí)刻和修改后信號(hào)燈的讀秒倒計(jì)時(shí)時(shí)間。

1.1 無線發(fā)送端

無線發(fā)送端采用數(shù)據(jù)編碼芯片、控制芯片以及DF數(shù)據(jù)發(fā)射模塊。數(shù)據(jù)編碼芯片利用6通道點(diǎn)控PT2262，控制芯片采用STC89C52單片機(jī)，數(shù)據(jù)發(fā)射模塊為開關(guān)三極管控制的315MHz三極管振蕩器，實(shí)現(xiàn)了由編碼芯片控制的2ASK二進(jìn)制振幅鍵控調(diào)制，信號(hào)調(diào)制完成后，最后通過四分之一波長(zhǎng)的天線向外發(fā)射[6]。

在信號(hào)調(diào)制時(shí)，采用的是2ASK二進(jìn)制振幅鍵控調(diào)制方式。振幅鍵控ASK是根據(jù)正弦載波的幅度隨數(shù)字基帶信號(hào)改變的數(shù)字調(diào)制方式，當(dāng)數(shù)字基帶信號(hào)是二進(jìn)制時(shí)，則調(diào)制方式為二進(jìn)制振幅鍵控調(diào)制[7]。在信號(hào)發(fā)射時(shí)，載波在數(shù)字信號(hào)1的作用下接通，有工作電流產(chǎn)生；在信號(hào)停止發(fā)射時(shí)，載波在數(shù)字信號(hào)0的作用下關(guān)閉，此時(shí)工作電流降到0，因此，這種調(diào)制方式在不發(fā)射信號(hào)時(shí)能有效地降低無線發(fā)射端的功耗。無線發(fā)射端的程序流程如圖3所示。

無線發(fā)射端的程序主要有掃描按鍵、按鍵功能定義和對(duì)編碼芯片PT2262的操作。當(dāng)有按鍵按下時(shí)，先利用單片機(jī)處理按鍵的功能，再通過PT2262編碼，最后通過DF發(fā)送模塊發(fā)送信號(hào)。

1.2 無線接收端

無線接收端是本系統(tǒng)的核心部分，主要包括無線接收模塊、GPS定位授時(shí)模塊、主控單片機(jī)STC12C5A60S2、電平轉(zhuǎn)換模塊、SD卡數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊和十字交叉路口交通燈模擬部分。

1.2.1 GPS模塊

GPS模塊的核心是GPSOEM信息接收單元，此單元內(nèi)部通常包含GPS信息接收和解算單元，可以接收GPS衛(wèi)星發(fā)送的數(shù)據(jù)信號(hào)，并以數(shù)據(jù)幀的形式傳送到串口。通過微單片機(jī)對(duì)此單元的輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行提取[8]。通過電平匹配使得GPSOEM單元和單片機(jī)串口通信，其接收框圖如圖3所示。

GPS模塊工作時(shí)可以和單片機(jī)完成通信，對(duì)信息實(shí)時(shí)掃描，只要模塊處于工作狀態(tài)，GPS接收模塊便會(huì)接收GPS數(shù)據(jù)信息，經(jīng)過處理后，依靠NEO5Q單元的接收協(xié)議—NEMA 0183 ASCII協(xié)議將數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)幀的形式不間斷地通過串口輸出給外部設(shè)備[9-10]。用戶可以根據(jù)需要提取和利用，如果需要顯示，可通過單片機(jī)驅(qū)動(dòng)12864液晶屏來觀察GPS接收到的衛(wèi)星定位與授時(shí)，在實(shí)際路口中液晶顯示可以略去。液晶屏顯示如圖5所示

而實(shí)際上，在數(shù)據(jù)分析時(shí)SD卡采集到的數(shù)據(jù)會(huì)通過FAT32（FileAllocationTable32）文件系統(tǒng)在PC（personal computer）機(jī)上顯示，方便有關(guān)部門的查看和分析。GPS模塊硬件接口電路如圖6所示。

1.2.2 SD卡數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊

目前存儲(chǔ)設(shè)備發(fā)展的十分迅速，種類豐富，我們所熟知的SD卡體積小、存儲(chǔ)量大且利用并行引腳使得傳輸速度大幅提升，對(duì)于數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和讀取對(duì)環(huán)境要求不高；防震抗潮、工作溫度范圍大、有效數(shù)據(jù)保存永久的優(yōu)點(diǎn)，除此之外自帶加密功能，可以保證數(shù)據(jù)資料的安全[11]；SD存儲(chǔ)卡的技術(shù)現(xiàn)在很成熟，目前電子市場(chǎng)上SD卡讀寫模塊運(yùn)用廣泛，價(jià)格低廉。這些優(yōu)點(diǎn)非常適合在交通控制平臺(tái)使用，即使是在惡劣天氣下也可正常工作。單片機(jī)與SD卡的連接方式和SD卡模塊硬件接口如圖7和圖8所示。

對(duì)SD卡的操作模式包括兩種，其一是SD模式，其二是SPI模式。SD模式通過四條數(shù)據(jù)線完成數(shù)據(jù)的相互傳輸，相對(duì)于SPI模式來說有更高的數(shù)據(jù)傳輸速度，但實(shí)現(xiàn)過程有更為復(fù)雜的協(xié)議[12]。由于SPI模式便于實(shí)現(xiàn)，速度也可以達(dá)到本系統(tǒng)的要求。本文在單片機(jī)和SD卡讀寫操作時(shí)采用軟件模擬SPI模式。

SPI總線主要通過三根線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，包括同步時(shí)鐘線SCK、主機(jī)輸入和從機(jī)輸出數(shù)據(jù)線MISO、主機(jī)輸出和從機(jī)輸入數(shù)據(jù)線 MOSI，還有從機(jī)片選線CS（低電平有效），主機(jī)提供片選信號(hào)和同步時(shí)鐘脈沖。SPI總線模式的數(shù)據(jù)傳輸是對(duì)于字節(jié)而言的，主機(jī)與SD卡的通信控制都通過主機(jī)完成[13]。由于單片機(jī)沒有集成好的SPI接口，所以采用軟件來模擬SPI總線，具體實(shí)現(xiàn)方法是：將SCK的初始狀態(tài)置0，允許接收后（CS置0）將SCK 置1，這樣單片機(jī)就可以由SDI線輸出1位數(shù)據(jù)到SD卡；接著再將SCK置 0，單片機(jī)由SDO線從 SD卡讀1位數(shù)據(jù)。因此， 1位數(shù)據(jù)的輸入和輸出完成。此后將SCK置1，按序循環(huán)8次，完成SPI總線1字節(jié)數(shù)據(jù)的輸入輸出[14]。對(duì)SD卡的操作有四個(gè)復(fù)位、初始化、讀操作和寫操作，復(fù)位和初始化是對(duì)SD卡驅(qū)動(dòng)，讀寫操作時(shí)，由于SD卡存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)是二進(jìn)制數(shù)據(jù)并且以數(shù)據(jù)塊讀寫方式傳輸?shù)那颐總€(gè)數(shù)據(jù)塊數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為512KB，選用STC12C5A60S2單片機(jī)能夠做到對(duì)SD卡單次讀寫操作。

此外，為了數(shù)據(jù)能被計(jì)算機(jī)所識(shí)別，SD卡文件系統(tǒng)必須與計(jì)算機(jī)一致。當(dāng)前Windows操作系統(tǒng)中比較常用的文件系統(tǒng)有FAT16、FAT32及NTFS（New Technology File System）等。交通信號(hào)采集數(shù)據(jù)量雖然單一，但存儲(chǔ)量較大，且記錄時(shí)間較長(zhǎng)，所以本文利用FAT32文件系統(tǒng)作為SD卡的文件系統(tǒng)，F(xiàn)AT32最大支持單個(gè)文件4GB容量，滿足交通信號(hào)采集要求[15]。所以在數(shù)據(jù)分析時(shí)，可在PC機(jī)上讀取SD卡即可直觀的看到GPS端所產(chǎn)生的有用數(shù)據(jù)。PC機(jī)讀SD卡的文本顯示如下圖9所示。

文本顯示中，E和N代表東經(jīng)與北緯、中間部分代表當(dāng)前時(shí)間、最后面部分代表東南西北四路交通燈的綠燈時(shí)間，交通模擬綠燈初值均設(shè)定為10秒，秒數(shù)增量設(shè)置為3秒，通過加、減、復(fù)位、恢復(fù)讀秒不同按鍵的作用，記錄了上圖數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)清晰明了，通過對(duì)綠燈時(shí)間的分配，可對(duì)某一方向的車流量進(jìn)行有效控制。

1.2.3 無線接收模塊

無線接收模塊主要由STC12C5A60S2單片機(jī)、解碼芯片PT2272、DF超再生數(shù)據(jù)接收模塊以及抗干擾的外圍電路組成。解碼芯片在接收到命令編碼后，通過專用的電壓比較器LM339芯片將單片機(jī)相應(yīng)管腳拉低，發(fā)射端按鍵松開后，單片機(jī)相應(yīng)管腳立即恢復(fù)高電平，模擬了獨(dú)立按鍵的功能[6]。通過獨(dú)立按鍵不僅改變了交通信號(hào)燈的狀態(tài)，還向SD卡提供寫操作指令的信號(hào)。根據(jù)單片機(jī)對(duì)不同按鍵的是否按下掃描，完成了對(duì)信號(hào)燈狀態(tài)數(shù)據(jù)的更改和存儲(chǔ)。

無線接收端對(duì)無線發(fā)射端信號(hào)的解調(diào)時(shí)，采用超再生檢波電路，該檢波電路主要是一個(gè)受間歇震蕩控制的高頻振蕩器，該震蕩器采用電容三點(diǎn)式，其振蕩頻率和發(fā)射器的發(fā)射頻率保持一致，間歇震蕩源自高頻振蕩，同時(shí)它也控制著高頻振蕩器的振蕩與間歇，振蕩頻率通過電路參數(shù)進(jìn)行選擇。超再生檢波電路增益比較高，若沒有信號(hào)接收，會(huì)出現(xiàn)超噪聲，經(jīng)過濾波和放大后輸出一定的噪聲電壓；當(dāng)有信號(hào)接收時(shí)，電路產(chǎn)生諧振，選出接收頻率并抑制超噪聲，高頻振蕩器振蕩輸出接收到的信號(hào)，解碼芯片進(jìn)行解碼并發(fā)送至單片機(jī)。

1.2.4 單片機(jī)主控芯片及程序流程

STC12C5A60S2單片機(jī)是宏晶科技生產(chǎn)的單時(shí)鐘/機(jī)器周期（1T）的單片機(jī)，是的新一代8051單片機(jī)，具有高速、強(qiáng)抗干擾、低功耗，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)的8051單片機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，而且速度增加了8-12倍。該單片機(jī)還在內(nèi)部集成了MAX810專用復(fù)位電路，八路高速10位A/D轉(zhuǎn)換（250K/S），兩路PWM，主要針對(duì)強(qiáng)干擾的場(chǎng)合。無線接收端利用其控制GPS模塊和SD卡模塊的程序主要流程如圖10所示。

無線接收端主要程序包括三個(gè)：GPS數(shù)據(jù)接收子程序、SD卡驅(qū)動(dòng)及讀寫子程序、交通燈控制模擬主程序。系統(tǒng)初始化包含以上三個(gè)主要程序的初始化，GPS模塊通過衛(wèi)星進(jìn)行定位和授時(shí)，SD進(jìn)入讀寫準(zhǔn)備，然后進(jìn)入交通燈控制模擬的主程序，進(jìn)行正常的交通模擬讀秒，無數(shù)據(jù)改變和記錄。當(dāng)無線發(fā)射端有按鍵按下時(shí)（發(fā)送端獨(dú)立按鍵功能包括緊急全紅燈，增加或者減少讀秒綠燈時(shí)間，恢復(fù)讀秒計(jì)時(shí)，復(fù)位最初讀秒設(shè)定等，可通過編程可隨意設(shè)定），無線接收端應(yīng)答獨(dú)立按鍵命令，交通燈暫停讀秒并根據(jù)按鍵的指令定義修改信號(hào)燈的狀態(tài)，與此同時(shí)向準(zhǔn)備好的SD卡扇區(qū)中寫入改變后的信號(hào)燈狀態(tài)數(shù)據(jù)，一旦無線發(fā)射端的恢復(fù)讀秒鍵按下時(shí)，接收端便恢復(fù)讀秒，交通燈恢復(fù)正常工作。

2 系統(tǒng)實(shí)測(cè)分析

本系統(tǒng)針對(duì)交通網(wǎng)絡(luò)中某些易擁堵的十字路口交通信號(hào)燈數(shù)據(jù)的采集，區(qū)別于傳統(tǒng)的固定式交通信息采集方式，無需破壞原交通網(wǎng)絡(luò)，僅在原信號(hào)燈基礎(chǔ)上加裝即可，采集方式和信息固定，數(shù)據(jù)統(tǒng)一[16-18]。采集到的有用數(shù)據(jù)包括當(dāng)前時(shí)刻的經(jīng)緯度位置和交通燈綠燈狀態(tài)的時(shí)間，經(jīng)緯度位置和當(dāng)前授時(shí)由GPS模塊提供，交通信號(hào)狀態(tài)由發(fā)射端對(duì)交通信號(hào)的改變來提供，完成對(duì)車混合交通流的控制[19]。一天內(nèi)交警利用發(fā)射端對(duì)某路口的交通燈進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)信號(hào)的更改，在該路口優(yōu)化的同時(shí)，其相鄰路口的交警相應(yīng)的也會(huì)作出調(diào)整，將“擁堵點(diǎn)”的車流量分流至多條道路，減緩該路口的交通壓力。同時(shí)根據(jù)更改交通信號(hào)配時(shí)的多少，也完成了對(duì)高峰期和低谷期車流量的正確判斷。數(shù)據(jù)的采集終端為SD卡，交通信號(hào)的改變數(shù)據(jù)存入SD卡，SD卡經(jīng)交通部門有關(guān)人員更換后，利用PC機(jī)對(duì)某段時(shí)間該地點(diǎn)數(shù)據(jù)整合，可通過連續(xù)一周或者一個(gè)月的數(shù)據(jù)的分析來對(duì)交通燈各時(shí)段的讀秒合理分配，規(guī)劃出新的配置方案，實(shí)現(xiàn)對(duì)該路口交通狀態(tài)的優(yōu)化。

3 信號(hào)燈遙控器通信實(shí)驗(yàn)

通常情況下，交警距離信號(hào)燈的通信距離不會(huì)超過50m，而且不會(huì)有遮擋。為了驗(yàn)證系統(tǒng)的可靠性，本系統(tǒng)在不同距離無遮擋下，對(duì)3個(gè)不同位置不同條件下的交通燈分別做了100次信號(hào)收發(fā)通信實(shí)驗(yàn)，從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中計(jì)算出通信的成功次數(shù)以準(zhǔn)確率來直觀的表現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，如表1所示。

試驗(yàn)結(jié)果表明，最終系統(tǒng)總體的穩(wěn)定性滿足設(shè)計(jì)需要，在不同十字路口（東經(jīng)126.6183北緯45.7212、東經(jīng)126.6281北緯45.7220、東經(jīng)126.689北緯45.7181）50m以下不同天氣條件下均可實(shí)現(xiàn)100%的通信準(zhǔn)確性，在100m的通信距離無降水的戶外條件下系統(tǒng)通信的準(zhǔn)確性達(dá)到79%；MCU工作穩(wěn)定，在測(cè)試中未出現(xiàn)死機(jī)情況。與預(yù)期所提的晴朗天氣60m及陰雨天氣50m的距離可穩(wěn)定使用的要求已經(jīng)達(dá)到。

4 系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)

完成實(shí)驗(yàn)的同時(shí)，進(jìn)行了技術(shù)指標(biāo)的測(cè)量與對(duì)照：

4.1 遙控器有效范圍

經(jīng)測(cè)試和實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出在天氣晴朗情況下60m及陰雨情況下50m范圍內(nèi)都能夠有效地對(duì)信號(hào)燈進(jìn)行控制。

4.2 設(shè)備溫使用范圍

通過對(duì)單片機(jī)主芯片及各芯片和模塊使用技術(shù)指標(biāo)的查詢和平均測(cè)試，工業(yè)級(jí)芯片溫度使用范圍能夠達(dá)到-40℃～+85℃，能夠滿足天氣氣溫的要求。

4.3 設(shè)備發(fā)射功率、信號(hào)響應(yīng)時(shí)間及接收靈敏度

通過對(duì)DF無線模塊資料的查詢和測(cè)試，發(fā)射功率≤500mW信號(hào)接收響應(yīng)時(shí)間約為50ms，接收模塊在5V工作電壓下，靜態(tài)電流4mA，超再生接收電路接收靈敏度為-105dbm。

4.4 設(shè)備主控電路使用壽命

主電路使用壽命受到繼電器控制端的影響，目前市場(chǎng)上的24V的5腳繼電器機(jī)械耐久性能可達(dá)到1×107次，在正常使用的情況下，即使平均一天切換3000次，該設(shè)備也可以維持9年左右。

5 結(jié) 語

現(xiàn)代交通系統(tǒng)高速發(fā)展的今天，交警的人力指揮耗費(fèi)人力巨大，效率也不高，更無法得到交通狀態(tài)的實(shí)時(shí)信息。車流量是交通管理的重要信息[20]，本系統(tǒng)通過GPS模塊與單片機(jī)相結(jié)合，經(jīng)過實(shí)際調(diào)試，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)交通燈的準(zhǔn)確授時(shí)和定位的基本功能；利用單片機(jī)對(duì)SD卡驅(qū)動(dòng)，配合FAT32文件系統(tǒng)及發(fā)射接收部分，實(shí)現(xiàn)了對(duì)交通燈狀態(tài)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和讀取，而且成本較低，從實(shí)驗(yàn)看出有很好的實(shí)用性。本信息采集系統(tǒng)不僅可以為相關(guān)人員對(duì)數(shù)據(jù)采集時(shí)提供便利的條件，還能緩解交通高峰期某區(qū)域的交通壓力。

參 考 文 獻(xiàn)：

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（編輯：王 萍）