CN207624162U - 一种无线通信交通信号控制装置 - Google Patents

Abstract

一种无线通信交通信号控制装置，包括无线智能交通信号调度单元、无线/有线流量采集单元、无线灯控输出单元、易能森Enocean通信单元、异常监控和无线故障报警单元六大功能模块；该装置采用模块化设计，模块支持热插拔。本实用新型将给客户提供一套安装便捷，操作人性化无线智能交通信号控制装置。该装置稳定可靠，采用新颖的Enocean无线通信技术，高效节能环保。支持远程和本地无线控制路口交通信号状态，该装置为交通管理部门节约能源和资金。尤其在远程维护方面提供了一种可行的监控解决手段，保证管理者在第一时间发现系统故障，给系统稳定运行提供一整套解决方案。

Description

一种无线通信交通信号控制装置

技术领域

本实用新型属于智能交通控制领域。

背景技术

随着城市不断发展，城市交通状况日益严峻，信号控制系统需要实施多相位控制方式，这样必然要求信号控制系统进行相应的改造。然而，目前存在一些棘手的状况，首先，老城区改造地下管网难以实施，增加电缆难度极高；其次，电缆成本持续增加，路口信号灯如果采用电缆方式传输AC220V成本急剧增长；再有电力载波方式由于电网的杂波干扰，需增加隔离设备；基于GPS时钟同步的无线信号控制装置，设备之间缺乏状态反馈，需要在设备稳定和可靠性方面增强；最后，现有无线信号控制系统可靠性不高，存在安全隐患，接入节点过多故障率也增高。在一种基于wifi通信方式的无线交通信号控制机系统的专利中，通过无线传输方式实现交通信号控制器对倒计时牌的控制，尤其是根据各个路口的交通流量信号进行实时自适应的控制。该专利主要针对倒计时实时控制和多路口控制而设计，该专利未对系统涉及的通信子系统可靠性进行考虑，一个或几个无线模块通信异常如何处理，专利中根本未予以考虑；专利中没有设计故障降级功能；采用无线通信方式的交通信号路口首先考虑太阳能供电，而该实用新型中没有涉及太阳能充放电管理和能源节约这一块，无线传输随着距离增加，传输所需能力急剧增加，查阅交通信号无线控制领域前期产品均未涉及高效节能这一方面。

由于以上系统存在的种种不足之处，故需要有一个系统提供一种基于太阳能供电，采用无线通信方式传输交通控制系统，且具备完善的安全行、可靠性保障体系的智能交通控制系统。

发明内容

本实用新型提供一种提高城市道路通行率的高效节能，信号控制采用无线通信进行的模式，有完备的故障降级处理方案，一旦通信失常且超出时限，向指挥中心和主管业务员发送系统异常信息，同时实现对交通信号灯的故障检测的无线通信交通信号控制装置及控制方法。

本实用新型是通过如下技术方案来实现的：一种无线通信交通信号控制装置，其主要技术特征是控制装置包括无线智能交通信号调度单元、无线/有线流量采集单元、无线灯控输出单元、易能森Enocean通信单元、异常监控和无线故障报警单元六大功能模块；该装置采用模块化设计，模块支持热插拔；

所述无线通信交通信号控制装置包括智能信号控制主机和信号控制从机，控制主机包括主控单元、灯控单元、流量检测单元、异常监控和故障检测报警单元；控制从机包括灯控单元、异常监控和故障检测报警单元； 主机与分机，分机与分机之间为无线通信方式；

所述智能信号控制主机和信号控制从机具体由主芯片分别连接定位模块、高清摄像机抓拍模块、无线接入指挥中心模块、易能森Enocean通信模块、灯色信号控制模块、倒数计时信号模块、门控开关控制模块、跌落报警检测模块、电源管理模块、故障降级模块构成；信号控制从机具体由主芯片分别连接高清摄像机抓拍模块、易能森Enocean通信模块、灯色信号控制模块、倒数计时信号模块、门控开关控制模块、跌落报警检测模块、电源管理模块、故障降级模块构成；控制主机主芯片为STM32F408系列嵌入式多核处理器，控制从机采用低功耗高性能的STC15W408AS芯片。

所述定位模块设计在控制主机中，采用GPS和北斗混合模块，通过TTL电平接口连接进行时间和定位信息的接收；高清摄像机抓拍模块，该模块由低功耗LAN8720a网络通信接口芯片接入，发送抓拍控制信号和传输抓拍后的图片；无线接入指挥中心模块，该模块设计于控制主机中，该模为通用模块，用于指挥中心与路口主机连接，下发控制指令，传输系统信息和抓拍图片信息；

所述易能森Enocean通信模块，该模块是本系统的核心部件，供电模块引入ECS300Enocean太阳能4V供电模块与本系统PL300 6V太阳能供电系统并行工作，以保证Enocean无线通信模块TCM310稳定运行；临时储能模块采用法拉电容、防方向放电功率二极管和NTC热敏电阻串联组成。

所述灯色信号控制模块，输出红黄绿三色信号，支持灯色输出检测，检测内容包含电流、电压检测，对电流电压的非正常波动实时上报调度系统；倒数计时信号模块，通过RS485串行信号接口输出支持多种通信协议、多种波特率倒计时信号。

所述跌落报警检测模块，该模块为保证控制装置不被无故拆卸，一旦拆卸或异常震动立即产生报警脉冲，触发抓拍模块，抓拍照片和视频，由调度模块回报至指挥中心。

所述电源管理模块，包括DC6V和DC24V两套供电系统，6V系统给控制板卡供电，在电池电压低至4.5v以下时，芯片都进入休眠状态，IO端口关闭；24V系统给信号灯和倒计时器供电保证电能被充分利用，因为24v系统可以保证LED串联红色和黄色LED多至10颗，绿色LED多至7颗。

所述故障降级模块，该模块采用多重保护措施，设置有逻辑控制电路在系统出现故障时操作继电器切断信号灯组红绿信号电源，严格保证路口因红绿冲突、红灯无法关闭、黄灯无法关闭、通信故障、主控芯片失效的情况下，强制系统切换至黄闪或熄灯状态；，G-LS、R-LS、Y-LS分别为绿灯信号、红灯信号、黄灯信号，M-IO为主控制芯片STM32F408或STM32F408AS芯片的控制IO口；系统启动时，M-IO输出信号为低电平，经过非门（NOT）U5输出高电平，再经由或门U4，通过或门U3电路控制三极管Q1驱动继电器K1提供黄闪器电源状态；正常工作后，M-IO设置为高电平，由三极管Q1驱动继电器K1接通红绿总电源输出，进入系统正常调度状态；一旦出现红绿冲突或黄绿冲突，由与门U1判断红绿冲突，与门U2判断黄绿冲突，经由或门U4，通过或门U3系统立即由Q1三极管NPN控制继电器K1关闭红绿总电源，切换至黄闪；主芯片系统调度的黄闪，有主控IO直接控制即可。

所述无线通信交通信号控制装置包括1只控制主机和3只控制从机。

本实用新型基于公司智能信号控制机，架构一个服务于交通行业，提高城市道路通行率的高效节能由太阳能电池板供电的无线智能交通信号控制装置。该装置主要针对无市电而需要架设交通信号控制系统区域，但也不限于此，该装置仍然能够采用就近取电，信号控制仍然采用无线通信进行的模式。本实用新型涉及的装置设计有完备的故障降级处理方案，一旦通信失常且超出时限，本装置立即载入备用方案运行，并向指挥中心和主管业务员发送系统异常信息，同时将监控球机画面显示到主控界面上，这样既保证系统稳定让交通有序进行，也能及时汇报故障情况给相关责任人。还有一个目的就是为实现对交通信号灯的故障检测而提出该实用新型。目前交通信号灯自主检测很难进行实质性有效检测，而且交通信号控制机国标定义为绿灯可以不检测其是否熄灭，只要不会因故障而误亮起即可，所以导致现有信号控制系统中不检测绿信号丢失问题。再有一个目的就是改善目前通用无线传输模块功耗过高的缺陷。由于当前采用的无线传输设备功耗比较大，不利于节能，使得太阳能无线信号控制设备组网的系统内部功耗偏高。故本实用新型目的是针对目前无线通信模式现状设计一种无线通信模组统并提供相应的控制方法来实现高效节能的智能交通信号控制装置。本实用新型涉及一种智能型无线交通信号控制装置及控制方法，该控制装置包括先进的无线智能交通信号调度单元、无线/有线流量采集单元、无线灯控输出单元、Enocean通信单元、异常监控和无线故障报警单元六大功能模块。其控制方式采用分布式控制集中管理模型，各单元模块可相对独立工作，不过，灯控单元的输出灯控信号与主控设备实现严格同步，保证系统安全可靠；灯控单元模块支持流量单元模块有线或无线方式接入。主控单元和灯控单元支持智能化故障降级处理功能、通信异常容错功能。无线故障报警单元能够实时监控系统运行状态，一旦系统出现通信异常、灯态故障、灯控单元故障、主机单元故障等情况，故障报警单元通过无线信道将数据发送给中转站，由中转站通知交通管理指挥中心派遣维护人员到现场检查维修。

附图说明：

图1为无线交通信号控制装置工作原理；

图2无线交通信号控制器装置控制主机原理图；

图3无线交通信号控制器装置控制从机原理图；

图4为Enocean通信模块电路改进图；

图5门控开关控制模块电路图；

图6为故障降级模块电路图；

图7为路口实施示意图；

图8、图9为本实用新型应用拓扑结构图。

具体实施方式：

如图1所示，本实用新型涉及一种智能型无线交通信号控制装置及控制方法。本实用新型所涉及的智能信号控制主机和信号控制从机，装置包括1只控制主机和3只控制从机。控制主机包括主控单元、灯控单元、流量检测单元、异常监控和故障检测报警单元；控制从机包括灯控单元、异常监控和故障检测报警单元。该装置采用模块化设计，模块支持热插拔，控制主机主芯片采用STM32F408系列芯片，控制分机主芯片采用STC15W408AS超低功耗芯片，无线通信系统创造性地采用易能森（Enocean）无线能量采集技术实现低功耗、高稳定性无线通信模式，基于该技术构建的通信系统是目前能够采集周围环境产生的能量，比如机械能，光能，温度差的能量等。这些能量经过处理以后，用来供给易能森超低功耗的无线通讯模块，实现真正的无数据线，无电源线，无电池的通讯系统。该无线交通信号控制装置的控制单元功能描述如下：

主控单元具有稳定可靠的系统异常降级处理功能：1）在设定时间范围内，如果存在未收到灯控单元回码，主控单元自动进入系统灯态黄闪模式，发送黄闪灯态给其它可正常通信的灯控模块；2）如果主控单元收到灯控单元出现信号灯熄灭或红绿信号冲突等情况，系统向正常方向发送黄闪灯态，以确保系统安全；3）无论主控单元还是灯控单元出现异常，都会通知故障报警单元。

灯控单元也采用基于无线能量采集技术的Enocean无线通信模块实现与主控单元及其它灯控单元之间的数据通信，一旦与主控单元和其它灯控单元均不能正常通信，该灯控单元自动进入黄闪状态；黄闪状态时，如果检测到有绿灯常亮的情况，通知其它方向也关闭灯控总电源，同时关闭本灯控单元灯控总电源。

太阳能供电采用双电源模式，主控和灯控控制单元的控制部分采用6V太阳能电池作为电源，免维护电池采用4.5AH/6V储能；而灯控输出部分采用24V太阳能电池，这样既能保证系统稳定工作，输出馈电时切断输出总电源，也能最大限度使用太阳能电池转换来的能量用于LED信号灯上。太阳供电系统有电压和电流参数检测模块，实时检测系统电流和电压情况，传输至故障报警单元。

精准的信号灯检测模块，该模块采用低压端三色交通信号分别进行电流检测模式，避免出现绿灯熄灭无法检出、信号灯单路信号电流异常增大故障无法辨别的情况。

故障报警单元在收到故障信息后，对故障情况进行分类整理分为一般故障、二级故障、一级故障、严重（特级）故障向上级控制单元（指挥中心）汇报。一般故障是指系统绿灯不亮，信号灯电流波动在15ma~30ma等；二级故障是指电流波动30ma~50ma，6V电压低于4.8V；一级故障为电流波动超过50ma，灯控输出电压低于21.5v，通信故障，红灯熄灭；严重故障是指绿灯常亮，红绿冲突。

该装置具有机箱异常开启报警功能，一旦机箱异常打开或收到剧烈振动等非正常信息，隐藏的低功耗高清摄像头会被从睡眠状态中唤醒，拍下当前场景，同时提取特征参数（如有无人脸、异物侵入等），通过故障报警单元立即传输至指挥中心，指挥中心根据预置设置参数启动相应操作：1）存储抓拍图片；2）智能分析特征参数和图片；3）发送针对性告警信息给相关负责人。

该装置为解决自身时间准确性采用GPS模块授时或移动服务商授时功能。

如图2、图3所示，各模块结构和功能描述：

1为定位模块，该模块设计在控制主机（控制从机无该模块）中，采用GPS和北斗混合模块，通过TTL电平接口连接进行时间和定位信息的接收。

2为高清摄像机抓拍模块，该模块由低功耗LAN8720a网络通信接口芯片接入，发送抓拍控制信号和传输抓拍后的图片。

3为无线接入指挥中心模块，该模块设计于控制主机（控制从机无该模块）中，该模为通用模块，用于指挥中心与路口主机连接，下发控制指令，传输系统信息和抓拍图片信息。

4 为Enocean通信模块，该模块是本系统的核心部件，该部分本专利创造性地采用新兴的Enocean技术，该技术一般应用智能楼宇控制系统中，设计用于 交通控制系统还是首次。该技术的功耗远远低于Zigbee的能耗，大约只有其1/30~1/100。同时对其原有设计方案做了改进使其更贴切满足交通控制系统的需要，供电模块引入ECS300 Enocean特有太阳能4V供电模块与本系统PL300 6V太阳能供电系统并行工作，以保证Enocean无线通信模块TCM310稳定运行。如图4所示。临时储能模块采用法拉电容、防方向放电功率二极管和NTC热敏电阻串联组成组成。

5为灯色信号控制模块，输出红黄绿三色信号，支持灯色输出检测，检测内容包含电流、电压检测，对电流电压的非正常波动实时上报调度系统。

6 为倒数计时信号模块，通过RS485串行信号接口输出支持多种通信协议、多种波特率倒计时信号。

7 为门控开关控制模块，该模块支持3路门控信号检测，由与门将信号通过光耦EL817接入主芯片的IO口，EL817起到隔离保护主芯片的作用，输入全方位保证控制主机或分机在被异常打开的情况下及时输出报警信息。如图5所示。

8 为跌落报警检测模块，该模块为保证控制装置不被无故拆卸，一旦拆卸或异常震动立即产生报警脉冲，触发抓拍模块，抓拍照片和视频，由调度模块回报至指挥中心。

9 为电源管理模块，本系统供电系统包括DC6V和DC24V两套供电系统，6V系统给控制板卡供电，在电池电压低至4.5v以下时，芯片都进入休眠状态，IO端口关闭。其一，保护电池；其二，保证控制系统节约能源，从而保证系统空控制部分的稳定运行。24V系统给信号灯和倒计时器供电保证电能被充分利用，因为24v系统可以保证LED串联红色和黄色LED可多至10颗，绿色LED可以多至7颗。

10为CPU核心模块，控制主机中包括一款STM32F408系列嵌入式多核处理器，工业级温宽，保证信号机系统的稳定性；配置有外置FLASH存储芯片以保存设置数据。

控制从机则采用低功耗高性能的STC15W408AS芯片实现系统功能调度。

本信号控制装置安装调试便捷，基础安装无须专门高级的培训，普通电工即可完成相关安装和配置操作；配置参数可以根据系统界面或专业系统软件的提示操作简捷，一般情况系无需专门技术人员即可完成配置工作。

11 为为故障降级模块，该模块采用多重保护措施，设置有逻辑控制电路在系统出现故障时操作继电器切断信号灯组红绿信号电源，严格保证路口因红绿冲突、红灯无法关闭、黄灯无法关闭、通信故障、主控芯片失效的情况下，强制系统切换至黄闪或熄灯状态。图6为原理图，G-LS、R-LS、Y-LS分别为绿灯信号、红灯信号、黄灯信号，M-IO为主控制芯片STM32F408或STM32F408AS芯片的控制IO口。系统启动时，M-IO输出信号为低电平，经过非门（NOT）U5输出高电平，再经由或门U4，通过或门U3电路控制三极管Q1驱动继电器K1提供黄闪器电源状态。正常工作后，M-IO设置为高电平，由三极管Q1驱动继电器K1接通红绿总电源输出，进入系统正常调度状态。一旦出现红绿冲突或黄绿冲突，由与门U1判断红绿冲突，与门U2判断黄绿冲突，经由或门U4，通过或门U3系统立即由Q1三极管NPN控制继电器K1关闭红绿总电源，切换至黄闪。主芯片系统调度的黄闪，有主控IO直接控制即可。

本实用新型将给客户提供一套安装便捷，操作人性化无线智能交通信号控制装置。该装置稳定可靠，采用新颖的Enocean无线通信技术，高效节能环保。支持远程和本地无线控制路口交通信号状态，该装置为交通管理部门节约能源和资金。尤其在远程维护方面提供了一种可行的监控解决手段，保证管理者在第一时间发现系统故障，给系统稳定运行提供一整套解决方案。

实施案例：

本产品应用于城市交通信号控制系统，应用系统拓扑结构图，如图8、图9。本系统组成如图7所示：系统主要由交通信号控制器、交通信号灯、交通信号倒计时器、无线通讯模块、控制电源模块等组成，根据实际交通管理需要，通过在路口的适当位置设置交通信号灯，由交通信号控制器根据预先设定的信号控制方案对信号灯进行控制，来实现对车流和人流的通行控制。

Claims (8)

1.一种无线通信交通信号控制装置，其特征在于控制装置包括无线智能交通信号调度单元、无线/有线流量采集单元、无线灯控输出单元、易能森Enocean通信单元、异常监控和无线故障报警单元六大功能模块；该装置采用模块化设计，模块支持热插拔；

所述无线通信交通信号控制装置包括智能信号控制主机和信号控制从机，控制主机包括主控单元、灯控单元、流量检测单元、异常监控和故障检测报警单元；控制从机包括灯控单元、异常监控和故障检测报警单元；主机与分机，分机与分机之间为无线通信方式；

所述智能信号控制主机和信号控制从机具体由主芯片分别连接定位模块、高清摄像机抓拍模块、无线接入指挥中心模块、易能森Enocean通信模块、灯色信号控制模块、倒数计时信号模块、门控开关控制模块、跌落报警检测模块、电源管理模块、故障降级模块构成；信号控制从机具体由主芯片分别连接高清摄像机抓拍模块、易能森Enocean通信模块、灯色信号控制模块、倒数计时信号模块、门控开关控制模块、跌落报警检测模块、电源管理模块、故障降级模块构成；控制主机主芯片为STM32F408系列嵌入式多核处理器，控制从机采用低功耗高性能的STC15W408AS芯片。

2.如权利要求1所述的一种无线通信交通信号控制装置，其特征在于所述定位模块设计在控制主机中，采用GPS和北斗混合模块，通过TTL电平接口连接进行时间和定位信息的接收；高清摄像机抓拍模块，该模块由低功耗LAN8720a网络通信接口芯片接入，发送抓拍控制信号和传输抓拍后的图片；无线接入指挥中心模块，该模块设计于控制主机中，该模块为通用模块，用于指挥中心与路口主机连接，下发控制指令，传输系统信息和抓拍图片信息。

3.如权利要求1所述的一种无线通信交通信号控制装置，其特征在于所述易能森Enocean通信模块，该模块是本系统的核心部件，供电模块引入ECS300 Enocean太阳能4V供电模块与本系统PL300 6V太阳能供电系统并行工作，以保证Enocean无线通信模块TCM310稳定运行；临时储能模块采用法拉电容、防方向放电功率二极管和NTC热敏电阻串联组成。

4.如权利要求1所述的一种无线通信交通信号控制装置，其特征在于所述灯色信号控制模块，输出红黄绿三色信号，支持灯色输出检测，检测内容包含电流、电压检测，对电流电压的非正常波动实时上报调度系统；倒数计时信号模块，通过RS485串行信号接口输出支持多种通信协议、多种波特率倒计时信号。

5.如权利要求1所述的一种无线通信交通信号控制装置，其特征在于所述跌落报警检测模块，该模块为保证控制装置不被无故拆卸，一旦拆卸或异常震动立即产生报警脉冲，触发抓拍模块，抓拍照片和视频，由调度模块回报至指挥中心。

6.如权利要求1所述的一种无线通信交通信号控制装置，其特征在于所述电源管理模块，包括DC6V和DC24V两套供电系统，6V系统给控制板卡供电，在电池电压低至4.5v以下时，芯片都进入休眠状态，IO端口关闭；24V系统给信号灯和倒计时器供电保证电能被充分利用，因为24v系统可以保证LED串联红色和黄色LED多至10颗，绿色LED多至7颗。

7.如权利要求1所述的一种无线通信交通信号控制装置，其特征在于所述故障降级模块，该模块采用多重保护措施，设置有逻辑控制电路在系统出现故障时操作继电器切断信号灯组红绿信号电源，严格保证路口因红绿冲突、红灯无法关闭、黄灯无法关闭、通信故障、主控芯片失效的情况下，强制系统切换至黄闪或熄灯状态；G-LS、R-LS、Y-LS分别为绿灯信号、红灯信号、黄灯信号，M-IO为主控制芯片STM32F408或STM32F408AS芯片的控制IO口；系统启动时，M-IO输出信号为低电平，经过非门（NOT）U5输出高电平，再经由或门U4，通过或门U3电路控制三极管Q1驱动继电器K1提供黄闪器电源状态；正常工作后，M-IO设置为高电平，由三极管Q1驱动继电器K1接通红绿总电源输出，进入系统正常调度状态；一旦出现红绿冲突或黄绿冲突，由与门U1判断红绿冲突，与门U2判断黄绿冲突，经由或门U4，通过或门U3系统立即由Q1三极管NPN控制继电器K1关闭红绿总电源，切换至黄闪；主芯片系统调度的黄闪，有主控IO直接控制即可。

8.如权利要求1所述的一种无线通信交通信号控制装置，其特征在于所述无线通信交通信号控制装置包括1只控制主机和3只控制从机。