CN101599220A - 交通信号灯控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种交通信号灯控制系统，包括交通信号灯、中央节点和终端节点，所述中央节点包括中央节点单片机和无线射频收发模块，其特征在于：所述终端节点包括超声波传感器，所述超声波传感器包括超声波探头、A/D转换器、终端节点单片机和无线射频收发模块并依次相连，终端节点电源分别与超声波探头、A/D转换器、单片机、无线射频收发模块相连，所述终端节点每隔一定距离设置在十字路口的马路上。本发明的交通信号灯控制系统，可实时自动控制交通信号灯的通行时间，提高城市道路路口的通行效率，同时减少了安装成本和维护成本。

Description

交通信号灯控制系统

技术领域

本发明涉及一种实时检测道路车辆流量的超声波传感器，实现交通信号灯智能化控制系统，属于微机控制领域。

背景技术

随着城市人口与流动人口急剧增加，大中城市中普遍存在着交通拥挤、道路阻塞、车速缓慢等现象。目前的缓解方案有道路改造、加宽道路、架设天桥等。这样一来，又要重新改变原有的交通灯控制系统，重新破路、重新布线同一交通岗的各组交通灯信号，给整个交通调度带来很大的不便。而且施工费用相对较高，日后的维护保养也十分不便且干扰原有预埋的其他管线。

目前，交通指示灯在一般情况下能够在安全行车、车辆分流方面发挥作用，但也存在着一些问题。比如：在十字路口，大多数只有一个主要的交通干道，另一个为副车道，由于各道路的通行时间已人工设定完成，交通信号灯不能自动更改，所以，目前的交通信号灯常常会出现通行信号的车道没车，而禁止通行信号的车道则有车的情况。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种实时检测道路车辆流量的超声波传感器和自动控制交通信号灯通行时间的控制系统。

为解决上述技术问题，本发明提供一种交通信号灯控制系统，本发明在十字路口的交通路线上设置超声波传感器和无线传感器网络，采集车道上车辆的情况，根据接收到的数据来判断路面车辆的情况，进而根据路面的车辆数量使用单片机控制电路来实时自动控制交通信号灯的通行时间，从而更好地服务于交通。

本发明的交通信号灯控制系统，包括交通信号灯、中央节点和终端节点，所述中央节点包括中央节点单片机和无线射频收发模块，其特征在于：所述终端节点包括超声波传感器，所述超声波传感器包括超声波探头、A/D转换器、终端节点单片机和无线射频收发模块并依次相连，终端节点电源分别与超声波探头、A/D转换器、单片机、无线射频收发模块相连，所述终端节点每隔一定距离设置在十字路口的马路上。

所述无线射频收发模块为基于ZigBee无线网络技术的无线射频收发模块。

本发明所达到的有益效果：

本发明采用无线网络技术和超声波检测结合的交通信号灯控制系统，可实时自动控制交通信号灯的通行时间，提高城市道路路口的通行效率。在无须挖路布设控制线路的情况下，各设备之间实现无线自动组网连接，既降低了系统安装成本，更重要的是避免了传统安装方式对交通干扰所带来的经济损失，同时系统没有控制线路，避免了恶意破坏，大大减少了维护成本。

附图说明

图1是本发明的系统整体原理图；

图2是本发明中的单个无线网络节点原理图；

图3是终端节点网络的基本组成元素示意图；

图4是本发明的系统工作流程图；

图5是本发明的供电系统总流程图；

图6是本发明的交通信号灯总供电电路图；

图7是用CMOS反相器构成的施密特触发器电路图；

图8是电路同相输出的电压传输特性图。

具体实施例方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

本发明的交通信号灯控制系统，包括交通信号灯、中央节点和终端节点，所述中央节点包括中央节点单片机和无线射频收发模块，其特征在于：所述终端节点包括超声波传感器、A/D转换器、终端节点单片机和无线射频收发模块并依次相连，终端节点电源分别与超声波传感器、A/D转换器、单片机、无线射频收发模块相连，所述终端节点每隔一定距离设置在十字路口的马路上。

所述无线射频收发模块为基于ZigBee无线网络技术的无线射频收发模块。

作为进一步改进，本发明还包括警报系统，所述警报系统与中央节点相通信并由中央节点进行控制。

所述基于ZigBee的无线传感器网络采用星型网络结构，其成本低廉、结构简单、连接容易、容易扩充和管理。ZigBee技术最大传输距离100m，可满足交通信号灯智能控制网络需要。

所述单片机采用CC2430，采用12MHz高精度的晶振，以获得较稳定的时钟频率，减小测量误差。单片机用P0.0端口输出超声波转化器所需的40KHz方波信号，利用外中断INT0口检测超声波接受电路输出的返回信号。

所述中央节点单片机的软件程序中的所有代码采用C语言编写，并采用分层的结构。软件设计的总体思路是在充分理解ZigBee协议和AT指令的基础上，对协议栈进行应用。

软件设计流程包括使用IAR Enbendded Workbench IDE软件对协议栈的Zigbee.cul、Zigbee.hal和tools三个文件进行Coordinate参数设置。硬件的驱动设计(包括G47的初始化、I/O功能接口复用的设置等)，传输过程中数据传输协议的设计，串行口中断的使用及进行数据和命令的传输。

所述ZigBee中央节点的单片机包括以下模块：

数据分析处理模块：用于对从终端节点采集的流量数据进行分析，判断车流的长度，根据几个车流长度区间的梯度确定接下来亮绿灯的时间，进而启动相应的交通信号灯。

终端节点控制模块：用于在指定时间向终端节点发出控制指令。

还包括：报警处理模块：用于通过无线射频收发模块控制终端节点的超声波传感器工作，探测是否有闯红灯情况，并接收终端节点的闯红灯信息，启动报警系统的语音报警。

ZigBee中央节点软件主要功能是：

1)从ZigBee终端节点采集流量数据，分析数据，并作出判断，控制红绿灯的时间。

2)发送的控制指令传给ZigBee终端节点。

3)控制驱动红绿灯显示，便于在主循环区运行协议栈，获取从节点流量数据。

4)交通信号灯的冲突检测

5)检测与报警

6)蓄电池的欠压提示等。

所述中央节点的单片机控制交通灯的过程是：假设东西方向为红灯，南北方向为绿灯。在红灯即将变成绿灯的时候，中央控制节点向各个终端探测节点发送开始探测信号，各个终端探测节点随即启动单片机对超声波探头发送固定频率的脉冲波，根据各个终端超声波探头接收的信号，判断车辆信息，并通过无线射频收发模块发送给中央控制节点，中央控制节点判断车辆流量，中央节点依靠软件进行东西方向对应两个车道车辆长度的比较，取其中较长的作为开放绿灯时间的标准。

所述警报系统的工作过程为：在某个方向禁行的情况下，由中央节点的CC2430芯片控制超声波传感器探头工作，检测马路上是否有闯红灯情况，若有闯红灯情况，超声波传感器将信息通过终端节点反馈至中央节点，中央节点启动语音警报系统。

图1是本发明的一种实施例的系统整体原理图。本发明的系统中，由各终端节点的超声波传感器探测交通车辆和闯红灯状况，并通过无线射频收发模块传输至各中央节点的CC2430单片机，由中央节点的CC2430单片机控制交通灯和警报系统。所述中央节点单片机、交通信号灯和警报系统由太阳能供电，并由常规电源备用。

图2是单个终端网络节点原理图，终端节点同时具有探测感知、信息处理和进行无线通信的功能。每个节点一般由传感器、A/D转换器、CC2430单片机(微处理器、存储器)、无线射频收发模块和电源组成。可以在十字路口的马路上每隔一定距离设置一个节点。

图3是终端节点网络的基本组成元素示意图。在十字路口的马路上每隔一定距离设置一个终端节点。终端节点的工作过程：终端节点在中断之时处于接收和转发状态，在接收完数据后首先判断其类型，根据数据类型做出相应的处理。在定时中断程序中，终端节点完成采集数据和发射本节点数据的任务，也就是说终端节点的监控数据是定时发送的。汇聚各节点的传感器探测信号，由中央节点的CC2430单片机处理和发射，完成对交通信号灯的时间显示和控制。

图4是本发明的系统工作流程图，终端节点在中央节点控制下进行信号采集，然后进行A/D转换，经数据处理后发送至中央节点，中央节点对各个节点传输的数据进行软件处理，并做出判断和决策，从而控制红绿灯时间转换，警报系统中的超声波探测传感器随时探测闯红灯状况并发送至中央节点，中央节点进而进行判断并控制警报系统工作。

本发明的中央节点CC2430单片机、交通信号灯和警报系统由同一主电源供电，所述主电源包括太阳能供电装置及常规电源，所述太阳能供电装置与常规电源之间设置自动切换电路。所述太阳能供电装置为光伏板组件。所述光伏板组件是一种暴露在阳光下便会产生直流电的发电装置，由几乎全部以半导体物料(例如硅)制成的薄身固体光伏电池组成。太阳能电池是一种对光有响应并能将光能转换成电能的器件。当光线照射太阳能电池表面时，一部分光子被硅材料吸收；光子的能量传递给了硅原子，使电子发生了跃迁，成为自由电子在P-N结两侧集聚形成了电位差，当外部接通电路时，在该电压的作用下，将会有电流流过外部电路产生一定的输出功率。

图5是本发明的供电系统总流程图。本系统使用太阳能光伏发电，太阳能电池板吸收太阳光能，经过步进充电电路对蓄电池E1、E2进行充电，即由太阳能转换成电能并储存在蓄电池中，蓄电池再对交通信号灯供电。蓄电池的电池容量应设置为足够大，以供夜晚或光线不足(如阴雨天气)的时间使用。正常情况下，太阳能电池板给蓄电池充的电量能保证交通灯的日常稳定运行，但是当长时间遇到得不到足够的光照强度的情况下，系统运行就会有影响，所以本系统还设置常规电源，当蓄电池电量用到一定程度时，电压会降低，可以设置一个切换电路，当蓄电池电压下降倒某个值时，蓄电池供电切断，常规电源转换成直流电压后给交通信号灯供电，保障系统的供电。

图6是本发明的交通信号灯总供电电路图，太阳能电池板的输出引线从CK插座接入，依据公式I＝(U-E12)/R12，其中I为各支路充电电流，U为太阳能电池板带载输出的端电压，E1、E2分别为蓄电池E1、E2上的电压，在两个蓄电池原始电压相同的情况下，蓄电池E1的充电电流I1是蓄电池E2的充电电流的10倍；显然，E1蓄电池的充电电压的初始速度比蓄电池充电电压的初始速度大得多，相当于太阳能电池板先对蓄电池E1进行充电，随着充电过程的不断产生，蓄电池E1上的电压也在不断地增加，使得蓄电池E1上的电压逐渐趋于饱和，同时蓄电池E1的充电电流I1在逐渐地减少，当蓄电池E1上的电压充到接近于额定值时，蓄电池E1的充电电流也就趋近于零，此时可认为蓄电池的充电过程基本结束。

当太阳能电池板对蓄电池E1充电的同时也对蓄电池E2充电，只不过蓄电池E2电压上升的速度比蓄电池E1电压上升的速度要慢得多，当蓄电池E1充电过程基本结束后，相当于充电负载减轻，依据公式U＝E-I×r，U为太阳能电池板带载输出的端电压，E为太阳能电池板所提供的电压源电压，I为回路充电的总电流，r为太阳能电池板的内阻，此时太阳能电池板带载输出的端电压U会回升，从而加快了太阳能电池板对E2的充电速度，即加快了蓄电池E2上的电荷的累积速度，当历经了若干时间后，蓄电池E2上的电压也充到接近于额定值时，蓄电池E2的充电电流I2也趋近于零；同理，此时也可认为蓄电池E2的充电过程基本结束。当两个蓄电池充电过程基本结束后，此时若仍有太阳光存在，虽然说充电电流都趋近于零，但仍有微小的充电电流在流动，充电过程仍在延续，只不过此时蓄电池上电荷累积的速度变得异常缓慢，其目的不仅不浪费资源，而且有利于延长蓄电池的使用寿命。D1、D2是隔离二极管，其作用是阻止两个蓄电池互相充电，形成不必要的内耗、提高供电系统的效率。

图7是用CMOS反相器构成的施密特触发器电路图。图8是电路同相输出的电压传输特性图。电路设计时参数设定正向阀值VT+＝7V，负向阀值VT-＝3V，确定可变电阻器RP1与电阻器R5的值。

VT+＝(1+RP1/R5)VTH＝7V

ΔVT＝VT+-VT-＝2(RP1/R5)VTH＝4V

由上述两式解得RP1/R5＝0.4，VTH＝5V，VDD取10V，为保证输出高电平时的负载电流不超过最大允许值IOHmax，应使(VOH-VTH)/R5＜IOHmax.G1、G2选用CC4069反向器，由手册中查得当VDD＝10V时，IOHmax＝1.3mA。代人公式(VOH-VTH)/R5＜IOHmax.，求得R5＞3.85千欧故可取R5＝25千欧RP1＝0.4(R5)＝10千欧，实际取RP1＝15千欧为可调电位器。

当有太阳光照的情况下，太阳能电池板对蓄电池进行充电，交通信号灯电源由蓄电池供给，当连续数天阴雨绵绵时，无太阳光对蓄电池进行充电，蓄电池上的电荷逐渐被消耗掉，导致蓄电池的端电压逐渐降低，引起非门电路G1的输人端电压降低，当低到与负向阀值(VT-＝3V)电压相等时，施密特触发器翻转，G1输出高电平，G2输出低电平(同相输出，经G3倒相输出高电平，单向可控硅VS1导通，经220V市电电压经变压器T降压，二极管(D7～D10)整流、C1滤波后，再经LM7809稳压，形成9V的直流电压对蓄电池进行充电。同时，造成二极管D3、D4反偏而截止，蓄电池E1向负载供电回路被切断。

同理，当阳光来临时，蓄电池立即被充电，蓄电池上的电压不断的上升，当升到11V时，即G1输人端的电压与正向阀值(VT+＝7V)相同，施密特触发器再次翻转，单向可控硅VS1截止，常规电源被切断，供电电路转而由蓄电池提供。如此周而复始地进行着，构成了以太阳能为主，市电为辅的不间断式供电系统。

本发明的系统将低成本、低功耗的无线技术ZigBee和超声波检测技术应用于交通灯控制系统，能够实现交通灯的实时自动控制，提高了系统应用的灵活性，同时也减少了交通灯控制系统现场布线带来的各种问题和城市道路改造带来的影响，避免了传统安装方式对交通干扰所带来的经济损失。利用太阳能为交通灯供电，可减少能源消耗和环境污染，提高资源利用效率。

Claims (8)

1.一种交通信号灯控制系统，包括交通信号灯、中央节点和终端节点，所述中央节点包括中央节点单片机和无线射频收发模块，其特征在于：所述终端节点包括超声波传感器，所述超声波传感器包括超声波探头、A/D转换器、终端节点单片机和无线射频收发模块并依次相连，终端节点电源分别与超声波探头、A/D转换器、单片机、无线射频收发模块相连，所述终端节点每隔一定距离设置在十字路口的马路上。

2.根据权利要求1所述的交通信号灯控制系统，其特征在于：所述无线射频收发模块为基于ZigBee无线网络技术的无线射频收发模块。

3.根据权利要求1或2所述的交通信号灯控制系统，其特征在于：所述中央节点单片机包括：

终端节点控制模块，用于在指定时间向终端节点发出控制指令；

数据分析处理模块，用于对从终端节点采集的流量数据进行分析，判断车流的长度，根据几个车流长度区间的梯度确定接下来亮绿灯的时间，进而启动相应的交通信号灯。

4.根据权利要求3所述的交通信号灯控制系统，其特征在于：还包括与中央节点相连的报警系统，所述中央节点单片机还包括报警处理模块，用于通过无线射频收发模块控制终端节点的超声波传感器工作，探测是否有闯红灯情况，并接收终端节点的闯红灯信息，启动报警系统。

5.根据权利要求1或2所述的交通信号灯控制系统，其特征在于：所述中央节点单片机、交通信号灯由同一主电源供电，所述主电源包括太阳能供电装置及常规电源，所述太阳能供电装置与常规电源之间设置自动切换电路。

6.根据权利要求4所述的交通信号灯控制系统，其特征在于：所述中央节点单片机、交通信号灯和报警系统由同一主电源供电，所述主电源包括太阳能供电装置及常规电源，所述太阳能供电装置与常规电源之间设置自动切换电路。

7.根据权利要求5所述的交通信号灯控制系统，其特征在于：所述太阳能供电装置为光伏板组件。

8.根据权利要求6所述的交通信号灯控制系统，其特征在于：所述太阳能供电装置为光伏板组件。

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