CN202102598U

CN202102598U - 路口交通控制信号机管理系统

Info

Publication number: CN202102598U
Application number: CN2011202388028U
Authority: CN
Inventors: 王家万; 储成; 蔡东宝
Original assignee: BEIJING TONGLI YONGCHANG TECHNOLOGY TRADE CO LTD
Current assignee: BEIJING TONGLI YONGCHANG TECHNOLOGY TRADE CO LTD
Priority date: 2011-07-07
Filing date: 2011-07-07
Publication date: 2012-01-04
Anticipated expiration: 2021-07-07

Abstract

本实用新型涉及一种路口交通控制信号机管理系统，包括路口交通控制信号机，该系统的一个或多个前端管理机通过通讯模块连接到一个或多个上位机进行通讯，所述的前端管理机与所述的路口交通控制信号机连接。本实用新型不仅能够有效测出流经当前路口红绿灯中的实际电流，还能够判断出红绿灯的损坏情况，更能够监测出路口交通控制信号机工作的逻辑是否正确，并且将结果通过串口或以太网和远程中央控制室进行通讯。

Description

路口交通控制信号机管理系统

技术领域

本实用新型涉及一种路口交通控制信号机管理系统，应用在交通控制系统。

背景技术

目前，大部分路口交通控制信号机是由电源模块，微处理器模块，驱动电路模块等组成的控制系统。其基本工作原理为：首先由电源模块通过电压变化得到微处理器所需要的工作电压，然后微处理器根据预设逻辑控制它特定管脚电平的高低，通过驱动电路输出220V交流电信号。将实际交通路口的红绿灯连接到信号机的接线端口后，便能控制路口的LED红绿灯阵列。信号机根据预先设定的时间和相位控制实际路口红绿灯的工作。

由此可见，信号机本身与被它控制的红绿灯并未组成闭环系统，无法判断与它相连的红绿灯有否真正工作，也无法监测出实际路口红绿灯的电流大小，路口红绿灯的损坏情况，同时也无法检测它工作相位是否有冲突。且由于许多信号机安装在实际路口旁边，而它本身并不具备远程通讯的功能，导致管理者无法由远程的中央控制室监控路口的情况。这对系统的维护不利，也不利于中央控制室网络化的管理。

发明内容

为了避免以上现有技术的不足，本实用新型提出路口交通控制信号机管理系统及管理方法，不仅能够有效测出流经当前路口红绿灯中的实际电流，还能够判断出红绿灯的损坏情况，更能够监测出路口交通控制信号机工作的逻辑是否正确，并且将结果通过串口或以太网和远程中央控制室进行通讯。

本实用新型的目的通过以下技术方案来实现：

一种路口交通控制信号机管理系统，包括路口交通控制信号机，该系统的一个或多个前端管理机通过通讯模块连接到一个或多个上位机进行通讯，所述的前端管理机与所述的路口交通控制信号机连接。

所述的前端机以主控制器STM32F107VCT6为核心，用于实现对信号的采集、放大、处理，以及与上位机和路口交通控制信号机的通讯，该主控制器分别连接通讯模块、电源管理模块、信号调理模块、存储模块和键盘控制模块。

所述的通讯模块由以太网通讯和串口通讯构成。

所述的电源管理模块包括电源检测模块和备用电源控制模块。

所述的信号调理模块还连接有信号采集模块。

所述的上位机为配备普通网卡的PC机或工控机。

本实用新型的优点在于：

1.前端管理机以网络型控制芯片STM32F107VCT6为主控器，支持以太网。采用LWIP协议栈，满足设置管理机IP、远程更新管理机程序、远程重启路口信号机、远程控制路口信号机等功能。

2.管理机安装方便。无需拆卸现有的路口交通控制信号机，只需将现有信号机的输出端信号接入到管理机的信号输入端，将管理机的输出端接入到红绿灯，连接对应的并口即可，无需增加多余施工费用，成本较低。

3.系统采用前端机+上位机结构。这种结构方便系统的扩展和维护，层次分明。

附图说明

图1：路口交通控制信号管理系统结构图；

图2：前端管理机结构框图；

图3：前端管理机采集信号的电压时间图；

图4：键盘控制电路框图；

图5：路口交通信号机管理机使用示意图。

具体实施方式

如图1所示为本实用新型路口交通控制信号管理系统结构框图，本实用新型由前端管理机和上位机构成，该系统的一个或多个前端管理机通过通讯模块连接到一个或多个上位机进行通讯。所述前端管理机以主控制器STM32F107VCT6为核心，上位机为配备普通网卡的PC机或工控机。

图2为本实用新型前端管理机的结构框图，所述管理机包括通讯、存储、电源管理等模块，用于完成信号的采集、放大、处理功能，以及和上位机PC机的通信，同时还要实现对路口交通信号机的控制。下面详述管理机的硬件组成及对交通信号的控制方法。

1.通讯模块

通讯模块由两部分组成，包括以太网通讯和串口通讯。以太网通讯由Cortex-M3 STM32F107VCT6(以下简称ARM)、DP83848以太网芯片、RJ45水晶头等组成。串口部分由ARM、MAX232芯片、DB9接口组成。通讯模块用于将管理机与PC机组成局域网。

2.信号采集和调理模块

管理机通过电流采集和调理模块将管理机、信号机、以及外接的红绿灯组成闭环系统。电流采集和调理模块由SCT254FK型互感器、LMV358运算放大器、ARM等组成。管理机的主控制芯片STM32F107VCT6负责计算电流值、计算路口控制信号机的相位情况、通道情况、通信等内容。

管理机的信号采集模块利用了电流互感原理。当强电电流通过互感器中的感应孔时，在互感器的输出端输出相应的交流信号弱电流，该输出电流与强电电流成正比关系。本实用新型采用SCT254FK型互感器，为保护后续放大电路，在互感器输出端间连接两个反向并联的二极管。将互感器的输出端接入轨对轨运放LMV358的输入端，将LMV358连接成负反馈电路，通过配置合适的反馈电阻，使运放输出最大反馈电压为1.65V。将LMV358的参考电压接在1.65V直流电压之上，该参考电压以精密电阻分压所得。运放输出端的信号为以1.65V为基准线，以1.65V为最大幅值的正弦信号，整体电压压值波动在0～3.3V之间。为了保证输出电压的稳定性，将LMV358的输出端接入跟随器的输入端，构成跟随关系。STM32F107VCT6微处理器如果采集到1.65V的直流稳定电压，则说明互感器中无通过的电流；如果微处理器采集到了以1.65V为中心值，以一定幅度波动的电压，则幅值的大小即对应了电流的大小。根据交流电转换成直流电的转换原理，将采集的幅值与时间积分，将所得的积分值比上时间，则得到了平均电压，该电压为理论上的有效值。当互感器中没有电流的时候，平均值即有效值为0V.

该信号采集和调理模块主要实现三方面功能：1)有效合理的采集信号机外接红绿灯的电流值；2)由采集到的电流信号确立判断信号机外接红绿灯故障等级；3)从采集到的电流信息分析出信号机的相位和冲突信息。以下分别介绍这三方面的实现方法。

1)电流值的采集原理和状态表的获取方法

路口交通控制信号机的外接红绿灯使用220V市电，因此通过每盏灯(单通道，或称单路)的电流信号为正弦信号，这信号通过SCT254FK型互感器、LMV358运算放大器调理整形之后在STM32F107VCT6的AD采集端口上采集到的实际电压如图3所示。从图3可知，实际MCU采集到的电压波形为以U_N(1.65V左右)为平均值，以U_max/2为幅值的正弦波，其频率为50HZ。根据以下公式计算实际等效直流电压值：

u = \sqrt{{&Integral;}_{0}^{T} u^{2} dt / T} = \sqrt{(Σ_{0}^{N} {u_{t}}^{2} Δt) / T}

上式中：u为实际等效电压值；T为周期；u_t为t_i时刻的瞬时电压值；Δt为采样间隔；N为采样次数N＝T/Δt。

管理机可以管理32路红绿灯通道，为方便表示，将采集到的电流值大于某一固定阈值则为逻辑“1”，否则认为逻辑“0”。当管理机采集被控信号机的相位信息时即是管理机记录下表一的过程。表一是一张以时间为纵轴，以被控信号机外接红绿灯电流值(或状态值，“1”或“0”表示)为横坐标的状态表。

表一信号时间状态表示意图

管理机采集路口交通红绿灯信号的同时，还记录了表一中各路的灯点亮时的真实平均电流值，以该值为标准衡量红绿灯的损坏情况。

从表一的信号时间状态表中可以读取以下的信息：

1.可以判断出某通道中的红绿灯是否工作。

2.某特定通道的红绿灯稳定工作时通过的电流值大致范围。

3.某一特定的状态持续的大致时间。

4.与某固定状态相邻的前后状态应该是确定的(严格的逻辑性)。

5.具有周期性，周期时间为从T0开始到Tn结束的时间。

(2)判断路口交通控制信号机外接红绿灯故障等级

根据相位状态表的第一个特点，可以判断出某特定通道的红绿灯损坏情况。当某一时刻检测到某一通道的电流值与原学习表中学习的电流值变化超过设定的阈值范围时(即各路的灯点亮时的真实平均电流值)，产生报警，并根据超过的范围大小判断出外接红绿灯的故障等级。而这一阈值可以由用户调整。如电流变小为原来的1/2，则认为外接的灯管损坏了1/2。当发生了报警时，管理机便会将对应的信息存储到存储芯片中，并将报警信息反馈给上位机。

(3)路口交通控制信号机相位和冲突判断

状态表有某些状态是路口全红状态，在两个全红状态之间是信号机工作的某一个阶段。在这个阶段中，根据判断各个通道的工作持续时间可以确定：绿灯通道周期最长的为主相位(机动车相位)，不包含黄灯的通道为行人相位，与主相位同时开始工作但是提前结束的相位为跟随相位。以此原则确立信号机的各个相位顺序及相位时间。路口交通控制信号机是由一系列特定的具有周期性相位控制工作的，学习到的相位表也是有严格的工作逻辑。按照第三步确立的相位顺序可以判断出当前的相位是否有冲突，并以此判断出红冲、绿冲和黄冲。

3.电源管理模块

管理机的电源模块控制信号机的上电和断电。管理机的电源管理模块由电源检测模块和备用电源控制模块组成。电源检测模块包括MB6S、PC817、SS34、L78M05、LMV321M5、HCN201等芯片。将AC12伏交流电经过整流电路得到全波整流后的电压，将该电压接入到光耦隔离电路的输入端，该光耦隔离电路的输出端得到了需要检测电源的频率；另外将整流后的电压经过电容滤波，再经过稳压芯片，得到直流5V电压输出；同时将该整流后的电压经过运放和电流隔离器，在电流隔离器的输出端得到了0～3.3v直流的电压。该电压与输出的交流电压成正比例关系。管理机的备用电源管理模块使用三极管和继电器组成充、放电电路，当备用电池电压较高时，三极管驱动继电器使电池停止充电；当电池的电压较低时三极管停止工作，继电器常闭触点吸合，电池充电。

4.键盘管理模块

管理机采用键盘控制模块与路口交通控制信号机通信。键盘控制电路采用ARM、芯片HC4067M、LS164、跳线电路、并口电路组成。管理机通过并口与路口交通控制信号机相连，最大可以支持15*15的键盘矩阵。键盘与信号机通过并口相连，键盘端为并口的公头，信号机端为并口的母头。研究路口交通控制信号机的键盘工作原理发现，典型的键盘电路工作原理为：当按下某一固定的按键时，键盘端公头并口的固定两根导线导通。如键值“0”按下时，并口公头上引脚“1”和“14”脚导通；当键值“1”按下时，并口公头上的“1”和“12”脚导通。因此可以设计电路模拟键盘的工作逻辑从而达到控制信号机的目的。

参考图4键盘控制框图，两片算术逻辑单元HC4067芯片均与同一个公型并口相连，将两片HC4067的输出端1-15端口按顺序连接在并口的1-15脚上(HC4067有一个输出端口未连接)。将算术逻辑芯片HC4067的公共端连在一起，因此当控制两个HC4067导通的端口时便能控制并口内引脚间的连接情况，以此可以模拟键盘的工作逻辑。

上位机与前端管理机通过网络建立连接，管理机有两个基本属性：路口名称和IP号。各路口通过上位机写入相应的路口名称和IP号后。不同的管理员只要具备相应的用户ID和PASSWORD即可进入用户管理系统。管理机移植了LWIP协议栈，用户可以更改IP地址，支持FTP在线远程升级。

上位机通过通讯模块(以太网或者串口)可以主动获取当前管理机采集到的信号机红绿灯工作状态，包括哪些通道红灯，哪些通道绿灯和黄灯等，如果某通道的灯发生故障(表现出来的即是管理机的CPU的AD口上检测出来的电压值降低或者为0)，管理机将主动将故障信息通过通信模块发送给上位机。

上位机除了获取管理机检测的红绿灯工作状态外，还可以发出配置命令，管理机将配置命令解释成对应的信号机相位、阶段、时间等配置内容，并且通过管理机的键盘模块控制信号机设置其相位、阶段、时间等内容。当信号机配置完毕以后，管理机将重启信号机，再次循环检测信号机的工作情况并判断其工作状态，将新判断出的工作状态与上位机设置的进行对比，如果结果一致则说明设置信号机成功，将信号机的工作状态信息保存在管理机的存储模块中，否则管理机重新通过键盘模块控制设置信号机从而改变红绿灯的工作情况。

利用上述路口交通控制信号机管理系统实施的对红绿灯运行状态管理方法步骤如下：

1)信号采集模块中的互感器接收外接红绿灯接口电路的信号，产生与红绿灯接口电路输入信号成正比的感应电流信号；

2)信号采集模块将所述的感应电流信号传给信号调理模块，信号调理模块对接收的感应电流信号进行整形、滤波后转换成电压信号；

3)主控制器接收来自信号调理模块输出的电压信号，并根据所述电压信号对外接红绿灯的运行状态进行相应的记录存储；

4)上位机通过通讯模块读取所述红绿灯的运行状态，并发出相应的指令信号。

上述步骤3)中，主控制器根据所述电压信号对外接红绿灯的运行状态进行记录存储，当红绿灯流过的电流较大时，主控制器接收的电压信号较大，否则接收的电压信号较小；主控制器用“1”或“0”状态值表示红绿灯的亮灭状态值，并记录第一次运行时采集的红绿灯的工作状态值，非首次运行时，主控制器将检测的红绿灯运行状态值与第一次记录的工作状态值进行比较，从而判断红绿灯工作是否正常；

如图5为路口交通信号机管理机使用示意图。路口交通控制信号机，前端管理机以及上位机组成局域网，网络内可以有多台上位机和多台前端机。前端管理机工作在路口交通控制信号机之上，将信号机的输出端接入到管理机的输入端，将原红绿灯插头接到管理机的输出端，连接所用的电源线和网线，通过路由器或者3G模块即能够组建局域网。

Claims

1.一种路口交通控制信号机管理系统，包括路口交通控制信号机，其特征在于：该系统的一个或多个前端管理机通过通讯模块连接到一个或多个上位机进行通讯，所述的前端管理机与所述的路口交通控制信号机连接；

2.根据权利要求1所述的一种路口交通控制信号机管理系统，其特征在于：所述的通讯模块由以太网通讯和串口通讯构成。

3.根据权利要求1所述的一种路口交通控制信号机管理系统，其特征在于：所述的电源管理模块包括电源检测模块和备用电源控制模块。

4.根据权利要求1所述的一种路口交通控制信号机管理系统，其特征在于：所述的信号调理模块还连接有信号采集模块。

5.根据权利要求1所述的一种路口交通控制信号机管理系统，其特征在于：所述的上位机为配备普通网卡的PC机或工控机。