CN217213083U - 一种信号灯态实时监控系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及交通信号控制技术领域，具体公开了一种信号灯态实时监控系统，包括：交通信号控制机、信号灯、电流检测控制板、主控制板、触摸屏以及信号灯状态监测云平台；其中，所述交通信号控制机通过导线与所述信号灯连接，所述信号灯通过电流互感器与所述电流检测控制板连接，所述电流检测控制板与所述主控制板通信连接，所述主控制板分别连接所述触摸屏和信号灯状态监测云平台；本实用新型提供的信号灯态实时监控系统，通过电流互感器对信号灯运行状态采集，自动识别信号灯故障状态，将故障信息实时推送至云平台以及相关维护人员手机端，可以提高信号控制设施故障维修响应速度。

Description

一种信号灯态实时监控系统

技术领域

本实用新型涉及交通信号控制技术领域，更具体地，涉及一种信号灯态实时监控系统。

背景技术

根据国标GB14886安装规范要求，机动车、方向指示、非机动车、掉头指示信号灯均按照红、绿、黄、红的顺序循环运行，人行信号灯按照红、绿、绿闪、红顺序循环运行。信号控制机是驱动路口信号灯运行的控制设备，依照国标GB25280的要求规范设置，能够系统提升交通运行效率、减少安全事故发生，是保证交通安全及有序通行的关键设施。

信号灯为电子产品，受元器件失效或焊接安装工艺影响，极易引起信号灯熄灭、功率过大等故障。信号灯运行方案、运行周期、运行相位均受信号控制机控制。信号灯信号机之间的导线埋设在地下，长时间工作后老化易引起线间短路，导致红绿同亮冲突。当信号机发生故障后，会进入降级控制模式，信号灯处于黄闪状态。有些施工不规范，信号机输出同一端口会并联多组信号灯。信号灯安装于户外，工作时间长、环境恶劣、电网电压不稳，综合以上各种原因，信号灯极易发生各种故障，是引发交通事故、导致交通堵塞的潜在因素。

路口现有信号机、信号灯自身无法对各种故障状况进行判断检测。

发明内容

针对现有技术中存在的上述弊端，本实用新型提供了一种信号灯态实时监控系统，通过电流互感器对信号灯运行状态采集，自动识别信号灯故障状态，将故障信息实时推送至云平台以及相关维护人员手机端，可以提高信号控制设施故障维修响应速度。

作为本实用新型的第一个方面，提供一种信号灯态实时监控系统，包括：交通信号控制机、信号灯、电流检测控制板、主控制板、触摸屏以及信号灯状态监测云平台；其中，所述交通信号控制机通过导线与所述信号灯连接，所述信号灯通过电流互感器与所述电流检测控制板连接，所述电流检测控制板与所述主控制板通信连接，所述主控制板分别连接所述触摸屏和信号灯状态监测云平台；

所述交通信号控制机，用于控制所述信号灯循环点亮；

所述电流检测控制板，用于通过所述电流互感器检测所述信号灯的电流信号，并将检测到的信号灯电流信号转化为电压信号后进行放大，将放大后的电压信号经AD转换，计算得到信号灯电流值，将所述信号灯电流值输出至所述主控制板；

所述主控制板，用于依据接收到的信号灯电流值对所述信号灯的故障状态进行识别，并将信号灯故障状态识别结果分别输出至所述触摸屏和信号灯状态监测云平台。

进一步地，所述电流检测控制板包括电流检测放大单元；所述电流检测放大单元包括电流互感器、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电容C1、电容C2以及运放LM324；

其中，所述信号灯的电源线穿过所述电流互感器的中间孔，所述电流互感器的次级侧与电阻R3并联构成回路，电阻R3的一端接地，另一端连接电容C1的一端，电容C1的另一端连接电阻R2的一端，电阻R2的另一端分别连接电阻R1的一端和运放LM324的负输入端，运放LM324的输出端连接电阻R1的另一端，运放LM324的正输入端连接电容C2的一端，电容C2的另一端接地。

进一步地，还包括：AC/DC电源和锂电池，所述AC/DC电源和锂电池组成供电电源给所述电流检测控制板和主控制板供电。

进一步地，所述AC/DC电源用于将220V交流电压转换成直流12V电源给所述电流检测控制板和主控制板供电。

进一步地，所述锂电池用于当路口交流断电时给所述电流检测控制板和主控制板供电。

进一步地，所述电流检测控制板和主控制板均包括RS485通讯端口，所述电流检测控制板与所述主控制板之间通过所述RS485通讯端口连接。

进一步地，所述主控制板还包括RS232通讯端口、以太网模块以及4G模块，所述主控制板通过所述RS232通讯端口与所述触摸屏连接，所述主控制板分别通过所述以太网模块和4G模块与所述信号灯状态监测云平台连接。

进一步地，还包括基站和交换机，所述信号灯状态监测云平台分别通过所述基站和交换机与所述主控制板连接。

进一步地，还包括中心监控显示屏和维护人员手机端，所述中心监控显示屏和维护人员手机端均与所述信号灯状态监测云平台连接。

进一步地，所述信号灯包括红灯、黄灯以及绿灯。

本实用新型提供的信号灯态实时监控系统具有以下优点：通过电流互感器对信号灯运行状态采集，自动识别信号灯故障状态，将故障信息实时推送至云平台以及相关维护人员手机端，可以提高信号控制设施故障维修响应速度。

附图说明

附图是用来提供对本实用新型的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本实用新型，但并不构成对本实用新型的限制。

图1为本实用新型提供的信号灯态实时监控系统的结构示意图。

图2为本实用新型提供的电流检测放大单元的电路原理图。

图3为本实用新型提供的以太网模块和4G模块分别与主控MCU通讯的原理图。

具体实施方式

为更进一步阐述本实用新型为达成预定实用新型目的所采取的技术手段及功效,以下结合附图及较佳实施例，对依据本实用新型提出的信号灯态实时监控系统其具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。显然，所描述的实施例为本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型的保护范围。

需要说明的是，本实用新型的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本实用新型的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包括，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

在本实用新型的解释中，需要说明的是，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，除非是特殊标明。例如，连接可以是固定连接，也可以是通过特殊的接口连接，也可以是中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

在本实施例中提供了一种信号灯态实时监控系统，图1为本实用新型提供的信号灯态实时监控系统的结构示意图，如图1所示，所述信号灯态实时监控系统，包括：交通信号控制机、信号灯、电流检测控制板、主控制板、触摸屏以及信号灯状态监测云平台；其中，所述交通信号控制机通过导线与所述信号灯连接，所述信号灯通过电流互感器与所述电流检测控制板连接，所述电流检测控制板与所述主控制板通信连接，所述主控制板分别连接所述触摸屏和信号灯状态监测云平台；

所述交通信号控制机，用于控制所述信号灯循环点亮；

所述电流检测控制板，用于通过所述电流互感器检测所述信号灯的电流信号，并将检测到的信号灯电流信号转化为电压信号后进行放大，将放大后的电压信号经AD转换，计算得到信号灯电流值，将所述信号灯电流值输出至所述主控制板；

所述主控制板，用于依据接收到的信号灯电流值对所述信号灯的故障状态进行识别，并将信号灯故障状态识别结果分别输出至所述触摸屏和信号灯状态监测云平台。

具体地，通过触摸屏可现场查看设备运行情况、故障信息详情。

具体地，信号灯状态监测云平台汇总城市各个监控设备运行情况，梳理各路口信号灯故障信息，并将故障信息及时推送至相关维护人员手机端。

优选地，如图2所示，所述电流检测控制板包括电流检测放大单元；所述电流检测放大单元包括电流互感器、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电容C1、电容C2以及运放LM324；其中，所述信号灯的电源线穿过所述电流互感器的中间孔，所述电流互感器的次级侧与电阻R3并联构成回路，电阻R3的一端接地，另一端连接电容C1的一端，电容C1的另一端连接电阻R2的一端，电阻R2的另一端分别连接电阻R1的一端和运放LM324的负输入端，运放LM324的输出端连接电阻R1的另一端，运放LM324的正输入端连接电容C2的一端，电容C2的另一端接地。

在本实施例中，电流检测放大单元通过电流互感器检测信号灯电流信号，并将信号灯电流信号转化为电压信号，以及将信号灯电压信号进行放大后经AD转换，将计算得到的信号灯电流值输出至主控制板，具体如下：

如图2所示，信号灯电源线穿过电流互感器中间孔，信号灯电流即为电流互感器初级电流，电流互感器依据电磁感应原理将互感器初级电流转换成次级电流，实现了对信号灯电流的采样。电流互感器次级不直接与信号灯侧相连，完全电气隔离，从而避免对信号机电气性能造成影响。

电流互感器次级侧电流与匹配电阻R3构成回路，在匹配电阻R3两端产生Vi电压输入信号。电流互感器，最大量程为5A，变比为2000:1。例如红灯功率为19.5W，其交流电流

也即为电流互感器初级侧电流；

电流互感器次级侧电流：

电阻R3两端电压：V_R3＝I_R3×R3＝0.0445×200＝8.9mV，

由运放LM324与C1、R2、R1组成的反向放大网络，根据运算放大器虚短和虚断原理，5脚和6脚为等电位，运放偏置电压为1.65V，可推出其交流电流放大倍数为:

Vout＝V_i×(-10)＝8.9×(-10)＝-89mV，输出端交流电压有效值即为89mV，即为最终放大后的信号灯电压信号，将该最终放大后的信号灯电压信号经AD转换，计算得到信号灯电流值，将信号灯电流值输出至主控制板。

应当理解的是，电流互感器次级侧小电流转换成小幅度电压，经过放大后的电压才能ad采样计算，然后折算出信号灯电流值输入到主控制板。

具体地，电流检测控制板包括主控芯片STM32，带16路AD转换芯片；电流检测控制板通过电流互感器检测信号灯电流，并通过RS485通讯接口将数据传到主控制板。电流检测控制板主控MCU采用STM32F030R8T6，具有64KB的片内可编程器FLASH，并自带有16路AD转换器，AD转换器为12位精度。AD转换器采集的数据，通过DMA直接存储区访问模式，快速地将外设ADC数据存储器内容传送到处理器片内SRAM。采用DMA模式，无需MCU内核操作控制，不占用CPU资源，具有非常高的传输效率。ADC采样各通道信号灯电流值，采样周期20ms，周期内采样点数100个，然后再对采样数据进行均方根值计算得出电流有效值。为避免单周期采样的波动性，以每3个采样周期进行一次平滑滤波后取平均作为有效值电流。

优选地，还包括：AC/DC电源和锂电池，所述AC/DC电源和锂电池组成供电电源给所述电流检测控制板和主控制板供电。

优选地，所述AC/DC电源用于将220V交流电压转换成直流12V电源给所述电流检测控制板和主控制板供电。

优选地，所述锂电池用于当路口交流断电时持续给所述电流检测控制板和主控制板供电。

优选地，所述电流检测控制板和主控制板均包括RS485通讯端口，所述电流检测控制板与所述主控制板之间通过所述RS485通讯端口连接。

优选地，所述主控制板还包括RS232通讯端口、以太网模块以及4G模块，所述主控制板通过所述RS232通讯端口与所述触摸屏连接，所述主控制板分别通过所述以太网模块和4G模块与所述信号灯状态监测云平台连接。

具体地，主控制板接收电流检测板数据，对数据分析处理后，通过RS232串口、以太网模块和4G通讯模块，将信息传到触摸屏和云平台。

以太网模块采用有人物联网USR-TCP232模块，支持TCP和UDP通信格式，内部集成TCP/IP协议栈，实现RJ45网口与TTL接口之间数据透明传输。模块集成了10/100M自适应以太网接口，通信最高波特率1Mbps。

4G模块采用有人物联网WH-LTE-7S4模块，是一款体积小巧，功能丰富的M2M产品，可实现串口到网络的双向数据透明传输，支持自定义注册包、心跳包功能，支持4路Socket连接，支持透传云接入，也支持FTP他升级协议和FTP自升级协议。

主控MCU采用STM32F429芯片，为Crotex M4内核，最高主频180MHz，具有高精度浮点运算单元，有256KB的SRAM。芯片工作电压为3.3V，具有8个串口，其中USART3和UART5两个串口分别与USR-TCP232和WH-LTE-7S4模块通讯。

U4为USR-TCP232模块，其6脚和7脚为芯片串口发送(TXD0)、接收(RXD0)端，与主控芯片STM32F429串口USART3的79脚(USART3_TX)、80脚(USART3_RX)相连，设置波特率(115200bps，停止位1，无校验位)、平台IP地址、端口，定期上报信号灯状态，实现设备与平台间的数据通讯。

U2为WH-LTE-7S4模块，其6脚和7脚为芯片串口发送(UART1_TX)、接收(UART1_RX)端，与主控芯片STM32F429串口UART5的144脚(UART5_RX)、141脚(UART5_TX)相连，设置波特率(115200bps)，同样也实现设备与平台间的数据通讯，原理见图3。

优选地，还包括基站和交换机，所述信号灯状态监测云平台分别通过所述基站和交换机与所述主控制板连接。

优选地，还包括中心监控显示屏和维护人员手机端，所述中心监控显示屏和维护人员手机端均与所述信号灯状态监测云平台连接。

优选地，所述信号灯包括红灯、黄灯以及绿灯。红、黄、绿信号灯受信号控制机驱动，循环点亮相应灯色信号灯。

具体地，信号灯状态监测云平台带有5寸触摸功能液晶显示屏，可供维护人员现场查看路口各信号灯组运行状态。云平台具有系统管理、微信推送管理、行政区管理、路口管理、设备管理、信号灯状态监控、信号灯数据管理等模块，云平台汇总城市各个监控设备运行情况，监控路口信号灯总体运行情况，梳理汇总各种信号灯故障信息，并将信息推送到维修人员手机。通过云平台，也能单独查看某个路口、某个方向灯组的即时运行情况，查看各灯芯运行的电气参数。

具体地，触摸屏具有交互功能，可以查看路口信号灯运行状态总体情况，查看各方向灯芯功率、输入电流，显示各灯是否有故障状态。同样可以通过触摸屏，设置路口号，监测设备IP地址，也可设置学习状态周期数，状态上报频率，检测灵敏度，阀值判断浮动比例等信息。

触摸屏采用广州大彩光电科技有限公司DC80480KM050的5寸电阻屏，其分辨率为800*480，65K色，与主控板之间采用RS232接口形式，通讯协议使用标准MODBUS RTU，设置波特率115200bps，停止位1，无校验位。

需要说明的是，由于不同城市各个路口信号灯品牌难免存在差异，信号灯功率参数也不尽一致。信号机同一输出端驱动的机动车灯、人行灯数量不同，存在两组或多组灯并接情况，如果每个路口要人工现场设置监测信号灯种类、设置固定阀值门限来判断，工作量大且不灵活。为提高信号灯状态监控系统的适应性，采用自学习方式检测信号灯正常工作时电流、电压、功率等电气参数，并学习记录信号灯红、黄、绿各方向运行时间及相位顺序。在学习时段内，每间隔100ms记录各电气参数值，学习结束时剔除极大值和极小值，然后取平均值。重复此过程，直到学习周期数等于设定周期数时，计算多个周期参数平均值，然后存储学习到的电气参数值。学习过程中若检测到相位时间发生改变，则清除之前学到的数据，等待两个周期后重新开始学习。

自学习判断结束后，进入灯灭故障状态判断流程，通过前两个阶段灯色和当前灯色来判断是否存在灯缺失，记录和清除相应灯缺失标志。例如，前两个阶段为绿灯亮、全灭，当前阶段为红灯亮，则认为是黄灯灭故障。若灯组一直处于灭状态，持续时间超过3分钟，则认为该灯组红、黄、绿均缺失。

本实用新型基于电源板、电流检测控制板、主控制板、触摸屏、云平台等构件要素设计软硬件双层架构信号灯态实时监控系统，通过电流互感器采集各信号灯运行电流参数，以串口为媒介接收信号灯状态参数，构建自学习判断算法，自动检测识别信号灯故障状态信息，并实时推送至前端触摸屏和后端云平台。基于前端触摸屏实现监控设备参数的本地化灵活设置以及路口信号灯运行状况的实时查看，基于云平台汇聚监控设备鹰眼排查信号灯故障信息，实现维护人员手机端信息实时推送，从根本上提升城市交通信号灯应急保障效率。实践表明，本监控系统能够实现信号灯态故障信息的全面监控、及时发现、精准推送，具备较高的推广应用价值，对于增强城市运行管理水平、提升居民出行健康指数具有重要意义。

本实用新型提供的信号灯态实时监控系统，通过电流互感器对信号灯运行进行非接触式测量，避免直接采样信号机输出端电压，可以有效避免信号灯状态监控设备对信号机的运行影响。同时通过自学习判断算法，能够自动判断出各种不同品牌不同功率信号灯故障情况，提高系统的适应性。通过云平台可以及时准确地将故障信息推送给维护人员，提高了应急保障效率，增强了城市交通管理水平，具有较高的推广应用价值。在实际调试过程中，发现部分路口有倒计时信号灯存在，在倒计时阶段其功率不断变化，由此对电流互感器检测精度、自学习判断故障算法提出了一些更高要求，需要在今后设计和测试中进一步完善。

以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型作任何形式上的限制，虽然本实用新型已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本实用新型,任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本实用新型技术方案范围内,当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例,但凡是未脱离本实用新型技术方案的内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本实用新型技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种信号灯态实时监控系统，其特征在于，包括：交通信号控制机、信号灯、电流检测控制板、主控制板、触摸屏以及信号灯状态监测云平台；其中，所述交通信号控制机通过导线与所述信号灯连接，所述信号灯通过电流互感器与所述电流检测控制板连接，所述电流检测控制板与所述主控制板通信连接，所述主控制板分别连接所述触摸屏和信号灯状态监测云平台；

所述交通信号控制机，用于控制所述信号灯循环点亮；

所述电流检测控制板，用于通过所述电流互感器检测所述信号灯的电流信号，并将检测到的信号灯电流信号转化为电压信号后进行放大，将放大后的电压信号经AD转换，计算得到信号灯电流值，将所述信号灯电流值输出至所述主控制板；

所述主控制板，用于依据接收到的信号灯电流值对所述信号灯的故障状态进行识别，并将信号灯故障状态识别结果分别输出至所述触摸屏和信号灯状态监测云平台。

2.如权利要求1所述的信号灯态实时监控系统，其特征在于，所述电流检测控制板包括电流检测放大单元；所述电流检测放大单元包括电流互感器、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电容C1、电容C2以及运放LM324；

其中，所述信号灯的电源线穿过所述电流互感器的中间孔，所述电流互感器的次级侧与电阻R3并联构成回路，电阻R3的一端接地，另一端连接电容C1的一端，电容C1的另一端连接电阻R2的一端，电阻R2的另一端分别连接电阻R1的一端和运放LM324的负输入端，运放LM324的输出端连接电阻R1的另一端，运放LM324的正输入端连接电容C2的一端，电容C2的另一端接地。

3.如权利要求1所述的信号灯态实时监控系统，其特征在于，还包括：AC/DC电源和锂电池，所述AC/DC电源和锂电池组成供电电源给所述电流检测控制板和主控制板供电。

4.如权利要求3所述的信号灯态实时监控系统，其特征在于，所述AC/DC电源用于将220V交流电压转换成直流12V电源给所述电流检测控制板和主控制板供电。

5.如权利要求3所述的信号灯态实时监控系统，其特征在于，所述锂电池用于当路口交流断电时给所述电流检测控制板和主控制板供电。

6.如权利要求1所述的信号灯态实时监控系统，其特征在于，所述电流检测控制板和主控制板均包括RS485通讯端口，所述电流检测控制板与所述主控制板之间通过所述RS485通讯端口连接。

7.如权利要求1所述的信号灯态实时监控系统，其特征在于，所述主控制板还包括RS232通讯端口、以太网模块以及4G模块，所述主控制板通过所述RS232通讯端口与所述触摸屏连接，所述主控制板分别通过所述以太网模块和4G模块与所述信号灯状态监测云平台连接。

8.如权利要求7所述的信号灯态实时监控系统，其特征在于，还包括基站和交换机，所述信号灯状态监测云平台分别通过所述基站和交换机与所述主控制板连接。

9.如权利要求1所述的信号灯态实时监控系统，其特征在于，还包括中心监控显示屏和维护人员手机端，所述中心监控显示屏和维护人员手机端均与所述信号灯状态监测云平台连接。

10.如权利要求1所述的信号灯态实时监控系统，其特征在于，所述信号灯包括红灯、黄灯以及绿灯。

Images