CN104933875A - 基于gsm网络的道路交通信号灯控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于GSM网络的道路交通信号灯控制系统,它由装于十字路口各车道流出口处的激光对射装置，测量放行通过车道流出口处的车辆数，依据前方十字路口交通数据计算放行时间，同时测量放行时的前后车辆的距离，判断放行车辆拥堵情况，并利用强大的GSM网络，用互发短信方式实现各十字路口之间通信。

Description

基于GSM网络的道路交通信号灯控制系统

(一)技术领域：

本发明涉及基于GSM网络的道路交通信号灯控制系统,它由装于十字路口各车道流出口处的激光对射装置，测量放行通过车道流出口处的车辆数，依据前方十字路口交通数据计算放行时间，同时测量放行时的前后车辆的距离，判断放行车辆拥堵情况，并利用强大的GSM网络，用互发短信方式实现各十字路口之间通信。

(二)背景技术：

随着我国经济的飞速发展,城市机动车保有量和交通总量持续增长,而相应的道路基础设施建设很难及时跟上,因此在城市道路网中,特别是平面交叉路口它又是道路通行能力的瓶颈。特别在上下班时间交通十分拥挤,车辆通过交叉路口相当费时，因此提高平面交叉路口的通行能力，改善路口交通信号灯控制能力是一个紧迫的问题。某些先进国家已采用智能方式来控制交通信号，其中主要运用GPS全球定位系统形成的一种信息化、智能化、社会化的复杂的新型运输系统。但是，当前国内外主要还是采取依据道路车流量测量评估和统计学原理来优化路口交通信号灯控制，车流量测量是一种路面非接触式交通信息采集装置，主要分为波频探测和视频探测两大类。波频探测又可分为微波、超声波和红外三种，采用接收车辆反射波，通过高低电平的变化来统计通过检测区域的车流量，因此不存在安装维护困难、使用寿命短等缺点，例如采用的微波车辆检测器它可安装在路侧的灯杆上或专门的立柱上，当车辆通过微波发生装置发射的雷达波区域时对车辆进行检测。

也有采用在路口的各个方向附近的地下埋设感应线圈，当汽车经过时就会产生涡流损耗，环状绝缘电线的电感开始减少，即可检测出汽车的通过，但感应线圈体积大约为2米×2米，安装不方便且易被压坏难于广泛使用。

(三)发明内容：

与独立路段相比由于交叉路口各种车流和人流交错通行相互干扰，其通行能力大大降低、经常造成局部交通拥堵，影响整个路网的畅通。为了提高车辆的安全通过交叉路口,相互冲突的车流向车辆是不允许同时放行的。解决办法是在一个周期内将时间分成几段并分配给不同车流向的车辆放行。一般均采用交通信号灯来指挥车辆通行,其交通信号灯控制通常凭人为预测或经过复杂的算法得出红绿灯时间。然后分别用红、黄、绿灯的不同组合来指挥两个方向的通车与禁行，用LED数码管作为倒计时指示。使得车辆在相互冲突的车流向在一个周期内的不同时段获得绿灯放行,而相互不冲突的车流向的车辆可以在同一时段获得绿灯放行,从而在一个周期内的一个连续时段达到安全疏导交通车流的目的。

但是正在使用的十字路口交通信号灯控制系统是一种定时放行系统，当车道放行或禁止车辆通行时，其设定的车辆放行和禁止车辆通行时间都是固定不变的，由于十字路口经常会出现各车道繁忙状况不同，繁忙车道车辆很多，放行时间显得太短，车流拥堵，这时冲突的车流向车道车辆有时却很少甚至没有车辆，但是繁忙车道上的车辆也要等待冲突的车流向空闲车道的固定“放行”时间结束才被允许放行，这就大大浪费有限的道路交通资源和出行人的宝贵时间。

因此，仅凭评估或预料只能满足车流向不冲突的交通安全要求，这是不够的,需要测量各车道车辆数量以便实时合理控制信号灯的配时方案。但是，当前各种车辆测量手段由于测量仪器结构复杂造价昂贵仅适用于流动的车流量测量评估，对于量大面广的交叉路口交通信号的实时控制，其车辆测量设备需要具备结构简单、安装容易、造价低等条件。

本系统采用在十字路口各车道流出口处各安装一付激光对射装置，实现对各车道的车流量测量。

激光对射装置由发射装置和接收装置组成，发射装置中安装有激光二极管，它发出的是一种不可见激光信号，由于这里激光对射距离仅3﹒5-7米左右，并采用占空比小的激光二极管脉冲电源，额定功率取小于0.5mW，因此是安全的对人身皮肤没任何损害对车辆也不会有危险。

激光对射装置中激光二极管,在单片机控制下发射的激光扫描脉冲信号，该信号每一周期由两个宽脉冲和两个窄脉冲组成，每一周期结尾发送一个宽的低电平脉冲，当用宽脉冲表示数字“1”,窄脉冲表示数字“0”则容易用4种不同的排列组合，例如1010、0110、0101、1100等，识别4条车道上的激光对射装置中激光二极管发出的激光扫描脉冲信号,单片机采用中断或查询方式接收激光扫描脉冲信号，并通过单片机对其所发送的和其所接收的激光扫描脉冲信号进行脉冲宽度比较识别，提取该频率的可信信号，有效排除外界干扰。

当有车辆通过时，相关激光对射装置产生遮断信号，光线接收头接收的激光扫描脉冲信号经滤波放大整形后送单片机处理，单片机对被遮断的激光扫描脉冲信号计时获得遮断时间，同时单片机也对光线接收头接收到的激光扫描脉冲信号计数、转换获得间隔时间，其中遮断时间表达某车辆通过时间，它与车速和车辆长度有关，还表示车辆停留时间，一次遮断时间表示一辆车通过，因此可实现对通过的车辆计数,间隔时间表示车流中前后车辆距离，还与暂时有无车辆通过有关。

激光对射装置还用于识别在车道流出口处是否有等待放行的车辆，并测量放行通过车道流出口处的车辆数，供后方十字路口交通控制器计算放行时间，其测量放行的前后车辆的间隔时间，用于判断需要放行的车辆拥堵情况。如果在冲突的车流向车道的绿灯亮时间结束时，本车道流出口处没有等待放行的车辆，则本车道的绿灯亮时间取最短时间，所述最短时间须视冲突的车流向车道的人行道宽度，取15秒-30秒，用于让行人通过。当绿灯亮时，通过车道流出口处的前后车辆的间隔时间如果超过设定值，例如5-12秒，即认为放行车辆已很少，如果此时绿灯亮时间已超过所述最短时间，则立即进入绿灯15秒倒计时，否则取最短时间。所述测量放行通过车道流出口处的车辆数，是用作后方十字路口交通控制器计算放行时间。其绿灯亮时间还随车辆中途停车、变道和延迟而实际未能进入本次放行时间等情况，通过测量放行时前后车辆的间隔时间而实时改变放行时间。具体计算放行时间是将前方十字路口交通控制器传送来的车道流出的车辆数、平均车速计算到达本十字路口时间，得出等候放行的车辆数，同时将其每部车辆的遮挡时间和间隔时间相加，其间隔时间取相同值2-4秒，得到该流向车道车辆的放行时间，并同时将其数据传送给后方十字路口交通控制器，如果该流向车道绿灯亮时间即将结束时，根据前方十字路口交通控制器传送来的数据，仍有多于5-8辆车进入该车道绿灯放行结束时间点附近，同时冲突的车流向车道没有车辆等候，则绿灯亮时间延迟10-30秒，绿灯时间越长,通过的车辆数越多，绿灯时间占有率反映了路口的车辆通行能力,即应满足一个车流向的车辆通行需求越大,分配给它的绿灯时间越长，由于本方案通行车辆数总和多于等候车辆数，因此大大缩短了车辆延误时间。

为了使各沿线十字路口交通控制器之间的车流量数据的传递，实现十字路口交通实时控制，沿线的十字路口交通控制器之间的通信是最基本要求。

本系统利用强大的GSM网络，就可以实现各十字路口之间用互发短信方式通信。GSM的SMS本身具备数据传送功能，一个消息的传输就构成了一次通信，消息的传输总是由处于GSM外部的短消息服务中心(SMSC)进行中继，GSM的短信息业务SMS它不用拨号即可建立连接，把要发的信息加上信宿数据发送到短信息服务中心，经短信服务中心完成存储后再发送给最终的信宿。所以当GSM终端即信宿没开机时信息不会丢失。

各十字路口均安装有手机短信收发装置，并通过手机短信收发装置进行单向通信，每个十字路口接收前方十字路口车流量数据并计算到达时间和车辆数与当前在等候的车辆数相加确定本次放行时间，使本次等候的车辆数越多绿灯时间越长，当未收到前方十字路口车流量数据时可以参考上一次数据。为了减少占用电话号码数，各十字路口手机短信收发装置共用两个电话号码分时通信，并按道路通行顺序排列，设两个电话号码为A和B，则分配电话号码排列为ABABAB…，并分别在各规定时间通信，不在通信时间的手机短信收发装置断开电源，仅在通信时间的手机短信收发装置接通电源。由于常规时钟电路累积计时误差很大，每天误差5分钟不算大，因此本系统采用检测电网周波的过零信号的计数值作为时间基准,以使手机短信收发装置在设定的电网周波过零的计数值开始通信，例如每次通信相隔50-250电网周波(相当于1-5秒)的一个设定值，各十字路口的手机短信收发装置按设定计数值顺序通信，第一次通信的时间由经相互校正的时钟在约定的时间点使各手机短信收发装置所述计数值同时清零，并进行一次通信时间点计数值校正，即依通信时收到信号时间点的所述设定计数值为标准进行计数值的校正，由于周波频率低易于准确识别判定和计数，因此以后每隔5-10天校正一次即可，大大节省了软硬件资源占用。对于不同电力变压器的电力网及不同相电力线之间所存在的相位差，由于不存在累积误差，因此不影响系统对周波计数值所表达的时间的误差要求。

十字路口包含东向西、西向东、南向北、北向南的车流向，每条车流向均包含1-2个直行车道和左转及右转车道，在上述车流向的各车道流出口处各安装一付激光对射装置，即在车道流出口路面停止线向里0﹒5米-1米的车道中部处，埋设发射装置的激光二极管，其接收装置中的光线接收头安装于路侧的交通信号灯杆或专门立柱的横臂上，如果交通信号灯杆与车道流出口线有一定距离，在计算候车数时，可将该距离折算成候车数通常为1-3辆车。为了便于激光对射装置的调试，横臂安装于激光二极管的正上方，即横臂与激光二极管所形成的平面垂直于路面，横臂高度为3.5-7米，横臂长度视路面宽度取3-6米，横臂上安装有与车道对应的均匀分布的3-4个光线接收头。在路面的激光二极管安装位置钻直径为8-12CM深20CM的圆孔，圆孔内用树脂胶固定外径为8-12CM高20CM的钢管，钢管底部焊接底盖密封，钢管底部两侧留有排水管和电缆管的孔，排水管穿过钢管部分的下端，钻有数个小孔用于钢管内部通水，在钢管底部的排水管上面放置金属网，用于隔离沙石。钢管内部焊有支架，固定板固定在支架上，激光二极管套件固定在固定板上，支架上留有长条形的孔，用于穿过螺钉，使固定板固定位置可调。激光对射装置中激光二极管发出的光线须对准接收装置中的光线接收头，可借助激光定位仪等帮助对准，对准后用螺钉、垫片、防滑垫圈、硅胶防震垫片使固定板固定于支架上。在路面安装的钢管上端经螺钉固定一个盖板，盖板中心部位镶嵌一个圆形玻璃片，用于透过激光二极管发出的光线，圆形玻璃片平面略低于金属盖板平面以减少磨擦。

交通控制器由单片机、EEPRAM、LED显示器模块和电源模块组成，其中EEPRAM用于保存数据，LED显示器模块包含驱动电路和显示电路它与单片机的I/O口相接，受单片机控制。

(四)附图说明：

图1是十字路口车流向分布图；

图2是所述激光二极管埋设示意图；

图3是手机短信收发装置结构示意图。

(五)具体实施方式：

基于GSM网络的道路交通信号灯控制系统的十字路口车流向分布图如图1所示,该十字路口车流向分布图，仅表示各种不同类型车流向分布及其车流控制的一种，其它类型车流向分布及其车流控制的基于GSM网络的道路交通信号灯控制系统容易通过类比得到。图1中是东西向红灯亮时，南北向中A为直通与右拐的绿灯亮时间，B为左拐的绿灯亮时间

所述激光二极管埋设示意图如图2所示。其结构包括：钢管(1)、盖板(2)、圆形玻璃片(3)、激光二极管套件(4)、固定板(5)、螺钉套件(6)、支架(7)、接线盒(8)、导线(9)、金属网(10)、电缆管(11)、排水管(12)、底盖(13)构成，其中螺钉套件(6)由螺钉、螺母、垫片、防滑垫圈、硅胶防震垫片组成。安装时，支架(7)平面中线应与安装光线接收头的横臂中线平行。在支架(7)上用于穿过螺钉套件(6)中螺钉的孔，是一种沿支架(7)平面中线方向的长条状孔，使固定板(5)固定位置可调，并通过螺钉、螺母、垫片、防滑垫圈、硅胶防震垫片使固定板(5)固定于支架(7)上。

所述手机短信收发装置结构示意图如图3所示。其结构由：

电源(31)、单片机(32)、GSM模块(33)、SIM卡(34)、EEPROM存储器(35)组成。手机短信收发装置中单片机(32)通过I2C总线与交通控制器(36)实现串行通信，总电源(37)在交通控制器(36)控制下提供手机短信收发装置的电源(31)。

系统利用单片机(32)对GSM模块(33)进行控制,以SMS短信方式可实现数据远程无线传输,单片机(32)的串行口与GSM模块(33)直接相联,完成对GSM模块(33)的初始化,实现短信息的收发功能，单片机(32)扩展了EEPRAM存储器(35)用来存储用户数据和短信息的编译码。GSM模块(33)采用芯片TC35i、单片机(32)采用89C51和一个EEPROM存储器(35)采用芯片AT24C32，它的主要作用是存储数据，而且断电信息也不会丢失。另外,单片机(32)89C51还通过扩展I2C总线与所属交叉路口交通控制器(36)连接进行数据交换。GSM模块(33)芯片TC35i，它是RS232数据口，单片机(32)89C51通过串行接口集成电路和电平转换电路芯片MAX232与GSM模块(33)连接。

GSM模块(33)芯片TC35i集射频电路和基带于一体,为数据、语音、短消息和传真提供快速、可靠、安全的传输,TC35i有40个引脚,划分为5类,即电源、数据输入/输出、SIM卡、音频接口和控制。

GSM模块(33)芯片TC35i支持AT命令集，其中包含了对SMS的控制，单片机通过向GSM模块(33)发送一系列AT指令,完成对GSM模块(33)的初始化和短信息收发。接于GSM模块(33)的SIM卡(34)，须先在手机上对SIM卡(34)进行必要的设置使能以及设置好短信息中心服务号码使之可以和短信息中心联系,故在使用中不需要再进行类似设置。

因为只收发数据，SMS的收发采用TEXT模式。TEXT模式是基于ASCII码的一种结构模式。本系统用户数据为有限的不多于几十个字符数量的ASCII码,单片机(32)接收到的字符串直接用表格方式查表转换成命令码和数据或反之将其转换成ASCII码发送。

Claims (2)

1.基于GSM网络的道路交通信号灯控制系统,其特征是,采用在十字路口各车道流出口处各安装一付激光对射装置,实现对各车道的车流量测量，激光对射装置中激光二极管,在单片机控制下发射的激光扫描脉冲信号,该信号每一周期由两个宽脉冲和两个窄脉冲组成,每一周期结尾发送一个宽的低电平脉冲,当用宽脉冲表示数字“1”,窄脉冲表示数字“0”则容易用4种不同的排列组合,1010、0110、0101、1100,识别4条车道上的激光二极管发出的激光扫描脉冲信号,单片机采用中断或查询方式接收激光扫描脉冲信号,并通过单片机对其所发送的和其所接收的激光扫描脉冲信号进行脉冲宽度比较识别,提取该频率的可信信号,有效排除外界干扰；

当有车辆通过时,相关激光对射装置产生遮断信号,光线接收头接收的激光扫描脉冲信号经滤波放大整形后送单片机处理,单片机对被遮断的激光扫描脉冲信号计时获得遮断时间,同时单片机也对光线接收头接收到的激光扫描脉冲信号计数、转换获得间隔时间,其中遮断时间表达某车辆通过时间,一次遮断时间表示一辆车通过,因此可实现对通过的车辆计数，间隔时间表示车流中前后车辆距离；

激光对射装置还用于识别在车道流出口处是否有等待放行的车辆,并测量放行通过车道流出口处的车辆数,供后方十字路口交通控制器计算放行时间,其测量放行的前后车辆的间隔时间,用于判断需要放行的车辆拥堵情况，如果在冲突的车流向车道的绿灯亮时间结束时,本车道流出口处没有等待放行的车辆,则本车道的绿灯亮时间取最短时间,所述最短时间须视冲突的车流向车道的人行道宽度,取15秒-30秒,用于让行人通过，当绿灯亮时,通过车道流出口处的前后车辆的间隔时间如果超过设定值,即认为放行车辆已很少,如果此时绿灯亮时间已超过所述最短时间,则立即进入绿灯15秒倒计时,否则取最短时间，其绿灯亮时间还随车辆中途停车、变道和延迟而实际未能进入本次放行时间的情况,通过测量放行时前后车辆的间隔时间实时改变放行时间，如果该流向车道绿灯亮时间即将结束时,根据前方十字路口交通控制器传送来的数据,仍有多于5-8辆车进入该车道绿灯放行结束时间点附近,同时冲突的车流向车道没有车辆等候,则绿灯亮时间延迟10-30秒,绿灯时间越长,通过的车辆数越多；

各十字路口均安装有手机短信收发装置,利用强大的GSM网络,通过手机短信收发装置进行单向通信,每个十字路口接收前方十字路口车流量数据并计算到达时间和车辆数与当前在等候的车辆数相加确定本次放行时间,使本次等候的车辆数越多绿灯时间越长,为了减少占用电话号码数,各十字路口手机短信收发装置共用两个电话号码分时通信,并按道路通行顺序排列,设两个电话号码为A和B,则分配电话号码排列为ABABAB…,并分别在各规定时间通信,不在通信时间的手机短信收发装置断开电源,仅在通信时间的手机短信收发装置接通电源，采用检测电网周波的过零信号的计数值作为时间基准,以使手机短信收发装置在设定的电网周波过零的计数值开始通信,每次通信相隔一个设定值,各十字路口的手机短信收发装置按设定计数值顺序通信,第一次通信的时间由经相互校正的时钟在约定的时间点使各手机短信收发装置所述计数值同时清零,并进行一次通信时间点计数值校正,对于不同电力变压器的电力网及不同相电力线之间所存在的相位差,由于不存在累积误差,因此不影响系统对周波计数值所表达的时间的误差要求；

在车道流出口路面停止线向里0﹒5米-1米的车道中部处,埋设发射装置的激光二极管,其接收装置中的光线接收头安装于路侧的交通信号灯杆或专门立柱的横臂上,如果交通信号灯杆与车道流出口线有一定距离,在计算候车数时,可将该距离折算成候车数通常为1-3辆车，为了便于激光对射装置的调试,横臂安装于激光二极管的正上方,即横臂与激光二极管所形成的平面垂直于路面,横臂高度为3.5-7米,横臂长度视路面宽度取3-6米,横臂上安装有与车道对应的均匀分布的3-4个光线接收头，在路面的激光二极管安装位置钻直径为8-12CM深20CM的圆孔,圆孔内用树脂胶固定外径为8-12CM高20CM的钢管,钢管底部焊接底盖密封,钢管底部两侧留有排水管和电缆管的孔,排水管穿过钢管部分的下端,钻有数个小孔用于钢管内部通水,在钢管底部的排水管上面放置金属网,用于隔离沙石，钢管内部焊有支架,固定板固定在支架上,激光二极管套件固定在固定板上,支架上留有长条形的孔,用于穿过螺钉,使固定板固定位置可调，激光对射装置中激光二极管发出的光线须对准接收装置中的光线接收头,可借助激光定位仪等帮助对准,对准后用螺钉、垫片、防滑垫圈、硅胶防震垫片使固定板固定于支架上，在路面安装的钢管上端经螺钉固定一个盖板,盖板中心部位镶嵌一个圆形玻璃片,用于透过激光二极管发出的光线,圆形玻璃片平面略低于金属盖板平面以减少磨擦。

2.根据权利要求1所述的基于GSM网络的道路交通信号灯控制系统,其特征在于包括:

图2是所述激光二极管埋设示意图，由钢管(1)、盖板(2)、圆形玻璃片(3)、激光二极管套件(4)、固定板(5)、螺钉套件(6)、支架(7)、接线盒(8)、导线(9)、金属网(10)、电缆管(11)、排水管(12)、底盖(13)构成,其中螺钉套件(6)由螺钉、螺母、垫片、防滑垫圈、硅胶防震垫片组成，安装时,支架(7)平面中线应与安装光线接收头的横臂中线平行，在支架(7)上用于穿过螺钉套件(6)中螺钉的孔,是一种沿支架(7)平面中线方向的长条状孔,使固定板(5)固定位置可调,并通过螺钉、螺母、垫片、防滑垫圈、硅胶防震垫片使固定板(5)固定于支架(7)上；

所述手机短信收发装置结构示意图如图3所示，其结构由:电源(31)、单片机(32)、GSM模块(33)、SIM卡(34)、EEPROM存储器(35)组成，手机短信收发装置中单片机(32)通过I2C总线与交通控制器(36)实现串行通信,总电源(37)在交通控制器(36)控制下提供手机短信收发装置的电源(31)；

GSM模块(33)采用芯片TC35i、单片机(32)采用89C51和一个EEPROM存储器(35)采用芯片AT24C32,它的主要作用是存储数据,而且断电信息也不会丢失，另外,单片机(32)89C51还通过扩展I2C总线与所属交叉路口交通控制器(36)连接进行数据交换，GSM模块(33)芯片TC35i,它是RS232数据口,单片机(32)89C51通过串行接口集成电路和电平转换电路芯片MAX232与GSM模块(33)连接；

因为只收发数据,SMS的收发采用TEXT模式，TEXT模式是基于ASCII码的一种结构模式，本系统用户数据为有限的不多于几十个字符数量的ASCII码,单片机(32)接收到的字符串直接用表格方式查表转换成命令码和数据或反之将其转换成ASCII码发送。