CN204614226U - 模块化智能网络交通信号机 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种模块化智能网络交通信号机，其包括主控模块、黄闪器模块和至少两个输出模块，所述主控模块、输出模块和黄闪器模块都包含有电路板和标准外壳，所述电路板上都设有单片机和通信接口，电路板安装在标准外壳内，各个模块的标准外壳尺寸相同，主控模块通过通信接口与输出模块和黄闪器模块连接，输出模块连接交通信号灯。本方案中，每个模块都具有独立的单片机处理器，可以根据需要进行组合配置，主控模块通过通信方式与其他模块进行信息交互。当主控模块出现严重故障而不能正常控灯时，输出模块可以无缝接管，直接控制路口信号灯。本实用新型适用于智能交通控制领域。

Description

模块化智能网络交通信号机

技术领域

本实用新型涉及智能交通技术领域，尤其是涉及一种以标准化、可扩展性为设计理念，实现控制冗余的模块化智能网络交通信号机。

背景技术

交通是人类生存和社会发展所必须进行的活动，没有高效运转的交通运输体系，就不可能有经济的持续发展。然而，随着城市化速度的加快，机动车辆迅速增加，人们在充分享受道路交通带来巨大便利的同时，也越来越受到交通拥堵、环境恶化等问题所带来的诸多困扰。

与欧美发达国家大城市相比，我国大中城市的交通状况的突出特点是：区域流量分布不均衡，潮汐现象非常明显。由于我国许多城市规划建设的不合理，工作地与居住地、生活区与服务区的过度分离，导致区域流量空间分布不均衡，尤其是在早晚高峰，中心区的交通强度是外围区交通强度的 3～4 倍。

针对我国大中城市这种典型的交通状况，相应的城市智能交通信号机应具有以下功能或特点：（1）各个城市，甚至同一城市的不同路段，对交通控制的需求不尽相同。复杂路口的信号机需要接入多路，甚至多种的检测设备，实现区域的时段的协同控制。而简单路口只需要低成本的最小系统的定周期的单点控制，甚至不需要接入任何的检测设备。目前国内外市场上都没有可以满足各个路口真实需求的单个产品。（2）交通信号机的安全性、稳定性要求非常高。系统CPU软硬件的故障都会导致无法控制路口信号灯。目前市场上的产品出现这种故障时，设计为控制主动权交由黄闪器，信号灯切换为黄闪状态。但是，此时如果路口交通流量较大，就会导致路口交通混乱，甚至区域的交通瘫痪。因此对最小系统的稳定性有极高的要求，并且及时在最小系统崩溃的情况下，路口的信号灯还要按照设定相位正常工作。（3）各路口的交通拥堵指数的分布计算与实时发布。（4）与多个平台的兼容及信号机系统本身的稳定性要求的平衡考量。

中华人民共和国国家知识产权局于2013年01月02日公开了名称为“精确定时交通信号机”的专利文献（公开号：CN202650257U），其方案中增设了GPS时钟模块，交通信号灯的串口通过电缆与GPS时钟模块的串口相连。此方案仍然无法达到前述的几个要求。

发明内容

本实用新型主要是解决现有技术所存在的不能满足不同路段的不同需求、安全性和稳定性不足等的技术问题，提供一种可以根据需要调整系统构成、具有较高安全性和稳定性的模块化智能网络交通信号机。

本实用新型针对上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：一种模块化智能网络交通信号机，包括主控模块、黄闪器模块和至少两个输出模块，所述主控模块、输出模块和黄闪器模块都包含有电路板和标准外壳，所述电路板上都设有单片机和通信接口，电路板安装在标准外壳内，主控模块通过通信接口与输出模块和黄闪器模块连接，输出模块连接交通信号灯。

现有的交通信号机通常是由背板以及插在背板上的各个板卡构成，只有所有板卡都存在并且良好工作才能正常完成需要的功能。而本方案中，每个模块都具有独立的单片机处理器，可以根据需要进行组合配置，主控模块通过通信方式与其他模块进行信息交互。

输出模块内置有单片机并存有当前路口的运行方案。当主控模块出现严重故障而不能正常控灯时，输出模块可以无缝接管，直接控制路口信号灯，各个输出模块实时同步。这种灯控的冗余设计，使得信号机的可靠性和容错性都得到极大提高。黄闪器模块监控主控模块的工作状态，可控制切换信号灯所有的黄灯输出。

作为优选，所述主控模块还包括以太网接口、串口、USB接口、时钟电路、看门狗电路和存储器，所述以太网接口、串口、USB接口、时钟电路、看门狗电路、存储器和通信接口都与主控模块的单片机连接。

主控模块是一个CPU的最小系统。主控模块本身满足简单路口基本的控灯需求，具有IO接口，可接入行人过街按钮等开关量信号。且主控模块提供多路标准以太口、串口、USB口，主控模块可通过通信方式直接控制具有通信接口的信号灯，也可根据路口的复杂程度以及实际需求通过标准接口扩展配置其他模块。通过配置不同输出模块实现多路的信号灯输出，满足比较复杂路口的需求；通过配置通信转接模块可接入除线圈外的多种检测器数据，用于算法优化控灯；配置协议前置模块可过滤网络，确保信号机在非专网条件下安全稳定工作。另外可以根据实际的应用需求接入各类其他设备，且可扩展3G/4G等无线模块。USB口还可支持应用程序的自动升级。

作为优选，所述输出模块还包括指示灯、串口、时钟电路、看门狗电路、灯控输出电路、电流电压回检电流和电压检测电路，所述指示灯、串口、时钟电路、看门狗电路、灯控输出电路、电流电压回检电流，电压检测电路都与输出模块的单片机连接，单片机与通信接口连接，所述灯控输出电路包括第一接口J1、第二接口J2、光耦U1、电阻R1、电阻R2和可控硅Q1，所述光耦U1的输入端通过第二接口J2连接单片机，光耦U1的第一输出端通过电阻R1连接可控硅Q1的的2脚，光耦U1的第二输出端连接可控硅Q1的3脚，可控硅Q1的1脚通过电阻R2连接光耦U1的第二输出端；可控硅Q1的1脚和2脚通过第一接口J1连接到交通信号灯。

本方案通过配置一个或多个输出模块实现多路的信号灯输出，实现转弯方向单独配置、行人灯配置、可变车道配置、公交优先车道配置等多种复杂控灯方案。另外，输出模块内置单片机，对检测到的电压电流回检数据做基本的过滤和策略处理，再发送给主控模块，从而减少主控模块CPU在回检信息的处理时间，确保主控模块有足够的时间优先调度路口信号灯的控制。并且输出模块存有当前路口的单点方案，当主控模块出现严重故障时，输出模块直接控制路口信号灯实现路口单点控制。当有多个输出模块时，输出模块可通过预留的控制信号来同步输出时间。

灯控输出电流采用光耦U1驱动Q1，Q1为内部自带电压过零检测电路的双向可控硅。当输入信号使能时，过零检测电路通过检测外部电压过零点来触发内部可控硅导通，从而给Q1门极G提供一个触发电流，实现灯控输出模块的电压过零导通功能。R1用于设定导通门限电压值，R2为干扰抑制电阻，防止误触发。

作为优选，模块化智能网络交通信号机还包括通信转接模块，所述通信转接模块包含标准外壳和安装在标准外壳内的电路板，所述电路板上设有单片机和通信接口，通信转接模块通过通信接口连接主控模块。

作为优选，其特征在于，所述通信转接模块还包括存储器、若干个以太网接口、若干个RS485接口、防火墙模块和路由模块，所述存储器、若干个以太网接口、若干个RS485接口、防火墙模块和路由模块和通信接口都与单片机连接。

通信转接模块是能接入多类型视频、地磁等检测设备与信号机配套的转换器。通信转接模块具有多路独立485输入接口和以太网输入输出，以及可扩展的蓝牙、无线等功能。外部检测设备类型繁多，各个厂家不同型号的检测设备的通信协议、数据形式都有可能存在不同。通信转接模块本身设计有独立的单片机，软件上设计有数据存储、数据统计、协议解析和转换等功能。此外，通信转接模块还具有网络防火墙的作用和路由交换的功能。主要用于过滤网络，抗击网络风暴，确保信号机在非专网条件下安全稳定工作。

这种设计，一方面数据（包括数据流、图像等）通过通信转接模块的统计、存储、协议转换等处理后发送给主控模块，减少了主控模块CPU因大数据处理而占用的时间，确保主控模块有足够的时间优先调度路口信号灯的控制，提高了信号机整体的时间特性和资源特性，这样保证了主控模块代码的稳定性，相当于确保了产品主体功能的稳定性与可靠性，且使得信号机又具有广泛的兼容性和可配置性；另一方面，如果出现通信故障或者是主控模块故障等情况时，一旦故障排除，存储在通信转接模块中的数据可以即时的被读取，用于主控模块的控制算法的数据挖掘，提高了信号机的容错性和适应性。

本方案的信号机提供标准的以太网、USB及RS232接口，可以灵活接入WAVE/DSRC无线模块，实现基于信号机的车联网系统。作为RSU，本信号机可以实时地广播区域性的交通信息，为附近的驾驶员提供实时的交通诱导。

作为优选，模块化智能网络交通信号机还包括机柜，所述标准外壳和机柜都为金属材质，所述标准外壳安装在机柜内并与机柜整体相连。

标准外壳长19英寸，宽1U。标准外壳和机柜可以采用铝材。输出模块由于内嵌单片机及A/D 转换器，电流回检的精细化有很大提高。输出模块散热设计主要应考虑可控硅的温升，模块外壳与机柜整体相连，所以近似认为壳温与环境温度一致。信号机环境温度最高为70℃，所以可控硅结允许温升为55℃。国标规定每个LED信号灯的功率应小于25VA，实际应用中，按最多并联4盏信号灯数计算，则最大电流约为0.45A（100VA），热设计时我们取0.5A，则耗散功率为0.75W，允许最大热阻为73.3℃/W，通风条件下，外壳铝材对空气热阻分配到单个模块取20℃/W，可控硅对环境热阻为45℃/W，则实际热阻为65℃/W，小于允许最大热阻。另外，在结构上标准外壳的两侧都有开孔，并且每个模块之间有空间隔开。因此这种设计方案满足散热设计的要求。

本实用新型带来的有益效果是，提出了一种模块间以通信实现控制的模块化的智能网络交通信号机，在本领域属首次，与本领域已有专利及公开发表文章所提及的其他方法相比，本方案具有多芯片分布处理、冗余保障、强大的网络适应性、丰富的设备接口、兼容性、可扩展性和可维护性等特点。本方案在解决我国交通中的突出矛盾，具有非常重要的现实意义，这种模块化的设计方案为信号机接入智能交通的大网络--车辆网提供了思路，使实现交通网络真正智能化成为一种可能。由于设备、接口采用标准化设计，所以本方案的信号机总体成本有较大的优势。

附图说明

图1是本实用新型的一种电路框图；

图2是本实用新型的一种灯控输出电路图；

图中：1、主控模块，2、黄闪器模块，3、输出模块，4、通信转换模块。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本实用新型的技术方案作进一步具体的说明。

实施例：本实施例的一种模块化智能网络交通信号机，如图1所示，包括主控模块、黄闪器模块、通信转换模块和至少两个输出模块，所述主控模块、输出模块、黄闪器模块和通信转换模块都包含有电路板和标准外壳，所述电路板上都设有单片机和通信接口，电路板安装在标准外壳内，各个模块的标准外壳尺寸相同，主控模块通过通信接口与输出模块和黄闪器模块连接，输出模块连接交通信号灯。

主控模块还包括以太网接口、串口、USB接口、时钟电路、看门狗电路和存储器，所述以太网接口、串口、USB接口、时钟电路、看门狗电路、存储器和通信接口都与主控模块的单片机连接。

输出模块还包括指示灯、串口、时钟电路、看门狗电路、灯控输出电路、电流电压回检电流和电压检测电路，所述指示灯、串口、时钟电路、看门狗电路、灯控输出电路、电流电压回检电流，电压检测电路都与输出模块的单片机连接，单片机与通信接口连接。如图2所示，灯控输出电路包括第一接口J1、第二接口J2、光耦U1、电阻R1、电阻R2和可控硅Q1，所述光耦U1的输入端通过第二接口J2连接单片机，光耦U1的第一输出端通过电阻R1连接可控硅Q1的的2脚，光耦U1的第二输出端连接可控硅Q1的3脚，可控硅Q1的1脚通过电阻R2连接光耦U1的第二输出端；可控硅Q1的1脚和2脚通过第一接口J1连接到交通信号灯。

通信转接模块还包括存储器、若干个以太网接口、若干个RS485接口、防火墙模块和路由模块，所述存储器、若干个以太网接口、若干个RS485接口、防火墙模块和路由模块和通信接口都与单片机连接。

本实施例还包括机柜，所述标准外壳和机柜都为金属材质，所述标准外壳安装在机柜内并与机柜整体相连。

除主控模块以外，其他模块可以根据需求以搭积木的方式组合配置。每个模块都具有独立的CPU。模块化的结构电气布线简单，便于生产安装和现场故障的快速定位排查。主控模块通过通信方式和其他模块进行信息交互。

输出模块内置单片机，存有当前路口的运行方案。当主控模块出现严重故障而不能正常控灯时，输出模块可以无缝接管，直接控制路口信号灯。各输出模块实时同步。这种灯控的冗余设计，使得信号机的可靠性和容错性都得到极大提高。

基于分布式计算的思想将大量的车检数据（包括数据流、图像等）通过通信转接模块做有效性过滤、数据提取、统计、协议转换等处理后发送给主控模块，同时在本地做数据存储用于备份，分担了主控模块的计算和存储负荷，解决传统主控板卡数据存储和数据处理的瓶颈问题。即使出现短时间的通信故障，数据也可以存在本地，提高了系统的可靠性和可用性。

信号机设计提供多种标准的设备接口，包括串口、以太网口、USB口等。这些标准接口可以灵活接入其他外接设备如3G/4G等无线模块。

信号机系统升级支持U盘一键升级、WEB升级、板卡更换升级以及中心远程升级。其中U盘一键升级是指在U盘指定目录下放入要升级的文件，插入U盘后，信号机能自动检测到并弹出确认窗口，经用户确认后，信号机系统自动比对程序版本号、发布日期等信息，如果发现有更新，自动下载到信号机，校验无误后自动升级。这种智能升级的方式，极大提升了生产及维护的工作效率。

信号机基于场景应用中对稳定性安全性的要求特别设计了网络过滤功能，具有抗击网络风暴，网络防火墙的作用。

以某市A路-B街为例，采用单点自适应控制方案，对A路-B街口进行智能控制。A路-B街是一个十字交叉口。东进口(B街东)为三车道，车道1为左转，车道2为东直行，车道3为东右转。南进口（A路南）为四车道，车道1为南左转，车道2为南直行，车道3为南直行，车道4为南右转。西进口（B街西）为二车道，车道1为西左直，车道2为西直右。北进口（A路北）为四车道，车道1为北左转，车道2为北直行，车道3为北直行，车道4为北右转。

本路口为一个典型的应用场景，路口的东、南、西、北四个进口各配置一台视频相机（一个视频相机可采集一个进口最多四个车道信息）。根据应用需求，本信号机包括一个主控模块、一个通信转接模块、两个输出控制模块。

各视频相机将对应车道的流量采集后通过通信接口发送给信号机的通信转接模块；

通信转接模块以1s为一个周期，将各个视频相机采集的有效数据统计存储，按照协议，发送给主控模块；

主控模块处理后通过通信接口发送给两块输出模块，控制信号灯输出。为了保证两个输出模块灯控的同步性，主控模块设置两个发送队列分别对应于两个输出模块。协议内可以是：同步头 + 命令字 + 数据长度 + 数据正文 + 校验码+同步尾。

发送顺序为：

①主控模块发送输出模块一的“同步头 + 命令字 + 数据长度 + 数据正文 + 校验码”；

②主控模块发送输出模块二的“同步头 + 命令字 + 数据长度 + 数据正文 + 校验码”；

③主控模块发送输出模块一的“同步尾”；

④主控模块发送输出模块二的“同步尾”；

⑤主控模块接收输出模块的ACK信息；

⑥解析ACK反馈信息，包括回检信息和灯控输出操作反馈；

接收到两个输出模块的ACK的成功反馈，即认为控灯操作成功。如果操作不成功，主控模块与输出模块约定了重传和复位机制。重传三次不成功，主控模块会控制输出模块软件复位，同时记录事件信息。输出模块复位后如果仍然不能正常工作，则主控模块将控灯权交由黄闪器，同时向平台发送设备故障告警信息。这种控灯机制的设计使得两个输出模块的数据接收延迟为一个字节的数据，经验证两个输出模块的控灯同步性差距在2ms以内，在实际应用时完全保证了灯控输出的同步性。并且，即使模块出现故障，也有相应的重连和预警机制，多层次的保障了路口的安全。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本实用新型精神作举例说明。本实用新型所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本实用新型的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

尽管本文较多地使用了单片机、通信接口等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本实用新型的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本实用新型精神相违背的。

Claims (6)

1.一种模块化智能网络交通信号机，其特征在于，包括主控模块、黄闪器模块和至少两个输出模块，所述主控模块、输出模块和黄闪器模块都包含有电路板和标准外壳，所述电路板上都设有单片机和通信接口，电路板安装在标准外壳内，主控模块通过通信接口与输出模块和黄闪器模块连接，输出模块连接交通信号灯。

2.根据权利要求1所述的模块化智能网络交通信号机，其特征在于，所述主控模块还包括以太网接口、串口、USB接口、时钟电路、看门狗电路和存储器，所述以太网接口、串口、USB接口、时钟电路、看门狗电路、存储器和通信接口都与主控模块的单片机连接。

3.根据权利要求1或2所述的模块化智能网络交通信号机，其特征在于，所述输出模块还包括指示灯、串口、时钟电路、看门狗电路、灯控输出电路、电流电压回检电流和电压检测电路，所述指示灯、串口、时钟电路、看门狗电路、灯控输出电路、电流电压回检电流，电压检测电路都与输出模块的单片机连接，单片机与通信接口连接，所述灯控输出电路包括第一接口J1、第二接口J2、光耦U1、电阻R1、电阻R2和可控硅Q1，所述光耦U1的输入端通过第二接口J2连接单片机，光耦U1的第一输出端通过电阻R1连接可控硅Q1的的2脚，光耦U1的第二输出端连接可控硅Q1的3脚，可控硅Q1的1脚通过电阻R2连接光耦U1的第二输出端；可控硅Q1的1脚和2脚通过第一接口J1连接到交通信号灯。

4.根据权利要求1所述的模块化智能网络交通信号机，其特征在于，还包括通信转接模块，所述通信转接模块包含标准外壳和安装在标准外壳内的电路板，所述电路板上设有单片机和通信接口，通信转接模块通过通信接口连接主控模块。

5.根据权利要求4所述的模块化智能网络交通信号机，其特征在于，所述通信转接模块还包括存储器、若干个以太网接口、若干个RS485接口、防火墙模块和路由模块，所述存储器、若干个以太网接口、若干个RS485接口、防火墙模块和路由模块和通信接口都与单片机连接。

6.根据权利要求1所述的模块化智能网络交通信号机，其特征在于，还包括机柜，所述标准外壳和机柜都为金属材质，所述标准外壳安装在机柜内并与机柜整体相连。