基于無線通信的交通信號(hào)燈線路檢測(cè)及控制研究

摘 要：針對(duì)目前在交通信號(hào)燈主控制機(jī)與交通信號(hào)燈之間的電線因道路施工人為損壞，環(huán)境因素使電線老化、接點(diǎn)氧化接觸不良等原因致使交通信號(hào)燈不亮或失靈而導(dǎo)致交通擁堵、癱瘓或交通事故的問題，文中基于無線通信技術(shù)的交通信號(hào)燈線路檢測(cè)及控制技術(shù)和方法實(shí)現(xiàn)了對(duì)交通信號(hào)燈線路的燈態(tài)信息實(shí)時(shí)檢測(cè)、監(jiān)控，線路故障判斷及控制，解決了因交通信燈電線故障導(dǎo)致信號(hào)燈異常的問題，進(jìn)一步提高了交通信號(hào)燈工作的穩(wěn)定性和可靠性。

關(guān)鍵詞：交通信號(hào)燈;無線通信;檢測(cè)控制;人為損壞;線路檢測(cè);ATmega128A

0 引 言

在國內(nèi)積極打造智能交通系統(tǒng)的背景下，致力打造一個(gè)更加自動(dòng)化、智能化的交通控制及管理系統(tǒng)，以提升交通管理和應(yīng)對(duì)能力。國內(nèi)對(duì)智能交通控制領(lǐng)域的研究比較多，劉志娟的基于無線傳感網(wǎng)的城市交通燈模糊控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[1]。王園園設(shè)計(jì)了基于無線傳感器的交通燈的遠(yuǎn)程控制[2]。焦海華的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在交通燈故障監(jiān)測(cè)中的研究[3]。由于交通信號(hào)燈是交通運(yùn)行的指揮棒，是交通控制系統(tǒng)中的靈魂，一但交通信號(hào)燈失效，輕則導(dǎo)致交通癱瘓，重則引發(fā)交通事故[4]。同時(shí)在信號(hào)燈維修恢復(fù)過程也比較長，需要經(jīng)過發(fā)現(xiàn)、報(bào)修，再通知交通相關(guān)部門安排技術(shù)人員維修，不僅耽誤時(shí)間，還無法短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)。基于無線通信的交通信號(hào)燈線路檢測(cè)及控制的研究為實(shí)現(xiàn)交通信號(hào)燈線路故障的無線通信檢測(cè)及控制提供了相關(guān)技術(shù)和方法。

1 總體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

基于無線通信的交通信號(hào)燈線路檢測(cè)及控制是利用霍爾電流傳感器來檢測(cè)交通信號(hào)燈線路中的驅(qū)動(dòng)電流的方法來判斷線路的通斷，再通過無線通信及控制其交通信號(hào)燈[5]。

1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及組成

系統(tǒng)包括檢測(cè)終端和監(jiān)控終端兩大部分，檢測(cè)終端硬件由電源轉(zhuǎn)換、單片機(jī)主控模塊、信號(hào)檢測(cè)、無線通信模塊、看門狗和信道編碼開關(guān)組成。監(jiān)控終端硬件包括電源轉(zhuǎn)換、單片機(jī)主控模塊、霍爾電流傳感器檢測(cè)電路、無線通信模塊、電池管理控制模塊、信道編碼、方向編碼、看門狗[6]。

1.3 系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

無線通信的交通信號(hào)燈線路檢測(cè)及控制框架如圖1所示。

檢測(cè)終端實(shí)時(shí)讀取交通信號(hào)燈主控制機(jī)的各路口（以常規(guī)44路信號(hào)為例）燈態(tài)信息，并通過無線通信模塊廣播出去。監(jiān)控終端信號(hào)檢測(cè)模塊通過霍爾電流傳感器檢測(cè)各路口信號(hào)燈線路電流狀態(tài)，無線通信模塊同步進(jìn)入偵聽狀態(tài)獲取本路口相關(guān)燈態(tài)信息并反饋至檢測(cè)終端。如檢測(cè)到任意路口信號(hào)燈線路開路故障，即實(shí)時(shí)切換到無線通信控制狀態(tài)和備用蓄電池供電工作狀態(tài)[7]（以一個(gè)路口的信號(hào)燈為例）。

1.4 系統(tǒng)硬件選型

檢測(cè)終端主控芯片采用ATmega128A車規(guī)級(jí)單片機(jī)（簡稱檢測(cè)主控芯片），該芯片是AVR 8位微處理器中配置最高單片機(jī)，抗干擾能力強(qiáng)，具有極高的穩(wěn)定性能，采用先進(jìn)的RISC結(jié)構(gòu)，功耗低。監(jiān)控終端主控芯片采用ATmega16-16AI（簡稱監(jiān)控主控芯片），該芯片是一種低功耗微控制器，采用加強(qiáng)AVR基礎(chǔ)RISC架構(gòu)，附有強(qiáng)大的指令集，數(shù)據(jù)吞吐量達(dá)1 MIPS/MHz。采用閉環(huán)霍爾電流傳感器，具有高精度、良好的線性、很強(qiáng)的電流過載能力和低功耗等特性[8]。

E32-868無線射頻模塊采用先進(jìn)的LoRa擴(kuò)頻技術(shù)，傳輸距離與穿透能力強(qiáng);使用FEC前向糾錯(cuò)算法，能主動(dòng)糾正被干擾的數(shù)據(jù)包，使通信距離更遠(yuǎn)，抗干擾能力更強(qiáng)，具有空中喚醒功能。

2 系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

2.1 檢測(cè)終端電路設(shè)計(jì)

檢測(cè)終端結(jié)構(gòu)如圖2所示。

檢測(cè)終端電路設(shè)計(jì)采用AVR 8位微處理器芯片ATmega128A，該芯片廣泛應(yīng)用于汽車電子、計(jì)算機(jī)外部設(shè)備、工業(yè)實(shí)時(shí)控制、通信設(shè)備等領(lǐng)域。其工作過程為：檢測(cè)主控芯片通過串行輸出移位寄存器讀取交通信號(hào)燈主控器控制信號(hào)，數(shù)據(jù)處理、編碼后經(jīng)相關(guān)協(xié)議，通過無線射頻模塊將信號(hào)特征編碼廣播出去[9]。

2.2 監(jiān)控終端電路設(shè)計(jì)

監(jiān)控終端結(jié)構(gòu)如圖3所示。

監(jiān)控終端電路設(shè)計(jì)采用嵌入式微控制器，其工作過程：交通信號(hào)燈各路火線經(jīng)穿過霍爾電流傳感器后產(chǎn)生感應(yīng)電流并將其轉(zhuǎn)換為成精準(zhǔn)的成比例的電壓輸出，經(jīng)電壓檢測(cè)、電壓比較器確定是否產(chǎn)生信號(hào)（低電平“0”為燈滅，高電平“1”為燈亮），再將產(chǎn)生的信號(hào)送入主控單片機(jī)。同步主控單片機(jī)上電后獲取信道編碼、方向編碼數(shù)據(jù)，無線射頻模塊進(jìn)入監(jiān)聽狀態(tài)獲取本路口信息并判斷是否與交通信號(hào)主控機(jī)對(duì)應(yīng)燈態(tài)信息一致[10]，如一致則正常，否則為某信號(hào)燈火線開路，同步轉(zhuǎn)換為無線通信控制模式并切換由備用電源為信號(hào)燈正常供電，保障正常工作。

3 系統(tǒng)檢測(cè)控制及工作原理

3.1 系統(tǒng)檢測(cè)控制流程

系統(tǒng)檢測(cè)及控制流程如圖4所示。

在交通信號(hào)燈正常工作期間，系統(tǒng)處于低功耗工作狀態(tài)[11]。其流程包括以下步驟：

（1）交通信號(hào)燈主控機(jī)輸出各路口交通信號(hào)燈控制信號(hào);

（2）檢測(cè)終端同步檢測(cè)信號(hào)機(jī)信號(hào)燈態(tài)信息，同步監(jiān)測(cè)對(duì)應(yīng)的交通信號(hào)燈的狀態(tài)信號(hào);

（3）檢測(cè)終端對(duì)信號(hào)進(jìn)行編碼，無線通信射頻輸出;

（4）監(jiān)控測(cè)終端無線偵聽接收信息、解碼;

（5）比較判斷實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)接收信息是否與檢測(cè)終端信號(hào)一致，若一致，則返回步驟（1），否則執(zhí)行步驟（6）;

（6）確定信號(hào)燈火線開路，切換至無線通信模式，備用電源供電模式。

3.2 檢測(cè)終端工作原理

將交通信號(hào)燈主控制機(jī)控制信號(hào)（以常規(guī)44路可控硅控制信號(hào)為例）引入檢測(cè)終端檢測(cè)電路，采用并入串出的方法檢測(cè)4個(gè)路口控制導(dǎo)通信號(hào)。當(dāng)檢測(cè)到任意一路信號(hào)時(shí)，編碼相關(guān)協(xié)議，通過檢測(cè)終端無線射頻模塊將信號(hào)特征編碼廣播出去。4個(gè)路口監(jiān)控終端接收到信號(hào)后，解析協(xié)議，判斷是否為當(dāng)前路口控制信號(hào)，同時(shí)監(jiān)控終端檢測(cè)對(duì)應(yīng)路口信號(hào)燈是否導(dǎo)通，再將結(jié)果編碼后通過無線射頻信號(hào)發(fā)出，檢測(cè)終端接收即完成一個(gè)完整的檢測(cè)過程。運(yùn)行邏輯：

（1）每秒檢測(cè)10次交通信號(hào)燈主控制機(jī)控制信號(hào)，同時(shí)將信號(hào)通過無線模塊廣播出去;

（2）檢測(cè)終端接收各路口監(jiān)控終端返回?cái)?shù)據(jù)。

3.3 監(jiān)控終端工作原理

各路口監(jiān)控終端上電后獲取信道編碼、方向編碼數(shù)據(jù)（撥碼開關(guān)設(shè)置），射頻模塊進(jìn)入監(jiān)聽狀態(tài)。無線射頻模塊接收到廣播信息進(jìn)行解碼，獲取本路口相關(guān)信息。根據(jù)接收到的方向信號(hào)（直行、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、人行），將該方向的霍爾電流檢測(cè)信號(hào)引入主控芯片比較器，打開定時(shí)器，在一定時(shí)間內(nèi)進(jìn)行連續(xù)電壓比較，記錄比較結(jié)果。當(dāng)比較結(jié)果大于設(shè)定閾值，即判斷該路交流信號(hào)正常;反之異常，同時(shí)將結(jié)果編碼后按方向編碼數(shù)據(jù)做對(duì)應(yīng)的延時(shí)后發(fā)送回檢測(cè)終端，即完成一個(gè)信號(hào)檢測(cè)流程。運(yùn)行邏輯：開機(jī)讀取信道編碼、方向編碼設(shè)置好無線模塊進(jìn)入待機(jī)狀態(tài);讀取分析接收的無線通信數(shù)據(jù);判斷當(dāng)前信道及方向信息是否一致;一致，則處于監(jiān)測(cè)狀態(tài);不一致，則判斷故障位置，控制繼電器將主火線切換到備用電源上。

4 結(jié) 語

本文通過對(duì)交通信號(hào)燈火線回路中電流的檢測(cè)，利用電流傳輸速度快和電氣原理的特性，提出了基于無線通信的交通信號(hào)燈線路檢測(cè)及控制的研究[12]。在交通信號(hào)燈正常工作情況下，系統(tǒng)處于低功耗的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)狀態(tài)，不會(huì)干擾交通信號(hào)燈的正常工作;如發(fā)生線路斷開故障，可通過無線通信實(shí)時(shí)定位到故障線路，并控制切換至備用電源為發(fā)生線路開路故障的交通信號(hào)燈供電，避免由此所帶來的交通擁堵、混亂，以及引發(fā)的交通事故。

在無線通信的交通信號(hào)燈線路檢測(cè)及控制系統(tǒng)中可以引入4G/5G通信技術(shù)，將各路口信號(hào)燈的狀態(tài)做到實(shí)時(shí)檢測(cè)和監(jiān)控，并可以將線路故障信息實(shí)時(shí)上傳監(jiān)控云平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。同時(shí)可以引入GPS/BDS定位技術(shù)[13]，更進(jìn)一步地確定信號(hào)燈故障地理位置，實(shí)現(xiàn)城市智慧交通管理。

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