基于wife信號的交通燈信號控制方法及系統(tǒng)

摘 要：隨著我國的電子設(shè)計與計算機技術(shù)迅速發(fā)展，交通燈信號控制器作為交通部門管理交通的重要工具，也正朝著智能化的方向發(fā)展。自從交通燈的誕生以來，交通燈的設(shè)計方法及其內(nèi)部的電路控制系統(tǒng)就在不斷地被改進，被更新。于是一種基于wife信號的交通燈信號控制方法及系統(tǒng)便橫空出世，為交通管理技術(shù)上來發(fā)了一片新天地。通過該交通信號控制系統(tǒng)，可借助于無線網(wǎng)絡(luò)進行雙向通信，從而使監(jiān)控中心可以遙控和監(jiān)控交通燈的運行，同時可以達到遠程開發(fā)和修改運行方案的目標，為城市交通系統(tǒng)做出重要的貢獻。本文主要從目前的交通信號控制器在設(shè)計上出現(xiàn)的主要問題出發(fā)，闡述了基于單片機、PLC、VHDL的交通燈信號控制器設(shè)計方式優(yōu)缺點，從而引出基于wife信號的交通燈信號控制方法及系統(tǒng)，詳細描述了該交通燈信號控制系統(tǒng)的具體實施方式以及步驟，從而為今后改進交通燈信號控制器產(chǎn)生積極的意義。

關(guān)鍵詞：wife信號；交通燈信號控制；實施方式

中圖分類號：U491 文獻標識碼：A 文章編號：1674-7712 （2013） 20-0000-02

在發(fā)展愈來愈迅速的21世紀，城市的車流量增加速度也越來越快，給人們出行及城市交通造成了很大的困擾。尤其是在十字路口的交通上，車輛擁堵嚴重，交通事故頻頻發(fā)生，嚴重威脅到人們的日常生活以及生命安全，間接阻礙了城市的經(jīng)濟發(fā)展。交通信號控制系統(tǒng)雖說已經(jīng)在我國發(fā)展了幾十年，可是作為一種交通控制系統(tǒng)，在疏導車輛、提高道路導通能力方面卻總是會出現(xiàn)這樣或那樣的問題，就像現(xiàn)今的交通燈信號控制器不夠智能化，控制不了日益增長的車流量，又或者是交通燈信號控制器的功能太少，無法獲得全面的車流量、擁擠程度等實時信息。因此，最為重要的事情是正確選擇交通信號只會控制系統(tǒng)，加快提高交通燈信號控制器的智能化程度，為改善城市交通擁擠、違章超速等現(xiàn)象做出一份貢獻。

基于wife信號的交通燈信號控制方法及系統(tǒng)主要包括監(jiān)控中心計算機和交通燈控制器。所謂的監(jiān)控中心計算機，是用于在該計算機上安裝交通燈運行方案開發(fā)軟件和交通燈監(jiān)控空軟件[1]。所謂的交通燈控制器，就是能夠根據(jù)交通路口現(xiàn)場情況對路燈進行詳細部署，并采用圖形化界面形式對交通燈運行方案進行有效開發(fā)且仿真運行；同時還能將開發(fā)的交通燈運行方案轉(zhuǎn)化為交通燈控制器可識別的數(shù)據(jù)文件。

一、交通燈信號控制器設(shè)計的主要問題

（一）交通燈信號控制器的功能不足

如今人們的生活節(jié)奏越來越快，這直接促使了城市的交通量會時常在某個高峰期陡然增加，人們在上下班的時候，節(jié)假日出去旅游的時候，城市交通是必然會出現(xiàn)嚴重的擁堵現(xiàn)象的。在這種時候，交通燈就形同虛設(shè)，起不了任何作用。只能依靠交警與大眾進行人為的疏導溝通，可畢竟人力有限，因此交通事故還是難以避免。通常情況下，交通燈都具有計時功能、動態(tài)掃描以及現(xiàn)場狀態(tài)切換等幾種基本功能，表面上看似完成了控制和疏導道路交通的功能，實則我們卻發(fā)現(xiàn)，在設(shè)計交通燈信號控制器的過程中，設(shè)計人員并沒有考慮到在出現(xiàn)交通擁堵或者是交通事故的情況下，如何讓交通燈實現(xiàn)利用交通燈的信號控制器來達到治擁治堵的目的[2]。同時，許多的交通燈信號控制器是無法與其他計算機設(shè)計進行連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸與復制的，只因為控制器的通信傳輸數(shù)據(jù)功能較差。

（二）交通燈信號控制器缺乏統(tǒng)一的設(shè)計標準

長久以來，交通燈信號控制器一直缺乏統(tǒng)一的設(shè)計標準。這是因為交通燈信號控制器的電路設(shè)計方式以及信號控制器的硬件結(jié)構(gòu)描述方式多種多樣，其中電路設(shè)計方式包括隨機電路、異步電路和同步電路等，而硬件結(jié)構(gòu)的描述方式只包括結(jié)構(gòu)描述、行為描述和寄存器傳輸描述這三種。如此豐富多樣的設(shè)計方式與描述方式雖說會給交通信號控制設(shè)計帶來一定的方便與簡易性，但是依然避免不了不同的設(shè)計程序和描述語言難以進行互通的局面，使得交通燈信號控制器的設(shè)計標準搖擺不定，難以覆蓋全面，這是十分不利于交通燈信號控制器的長遠發(fā)展的。

（三）交通燈信號控制器的智能化程度不夠

在現(xiàn)今的紅綠燈交通信號系統(tǒng)中，為防止交通過于擁擠，信號控制器需要交通警察去手動控制，以配合交通高峰時段運輸能力的需要。而在這種時刻，路況的信號是復雜多變的，信號控制器得對交通燈的運行狀況實行24小時監(jiān)控，并且讓交通警察通過操作開關(guān)，實現(xiàn)外部輸入，以達到對交通燈信號系統(tǒng)的正常運行的全程控制。可顯而易見，這種人為的手動操作的效率是十分低下的，一旦出現(xiàn)了道路交通事故、嚴重堵車，甚至是120、119緊急車輛需通行的情況，只怕手動操作是對正常的道路交通運輸起不了任何作用，甚至會忙中出錯。另一方面，24小時的交通燈監(jiān)控是要耗費大量的人力成本的。不僅如此，交通燈信號控制器還不能及時更改已有信號控制程序。并且，絕大部分的交通信號控制器不能實現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速傳輸與復制，這也是交通燈信號控制系統(tǒng)智能化程度不夠的一種體現(xiàn)。

二、基于單片機、PLC、VHDL的交通燈信號控制器設(shè)計方式優(yōu)缺點

（一）基于單片機的交通燈信號控制器設(shè)計的優(yōu)缺點

利用單片機進行交通燈信號控制器的設(shè)計可以通過眾多的嵌入式控制，應用控制系統(tǒng)實現(xiàn)對交通燈信號控制器設(shè)計功能的要求。例如能在單機片上設(shè)計相應的串口電路和通訊接口電路。通過在單機片上設(shè)計串口電路可以實現(xiàn)向控制中心發(fā)送交通燈的故障信號的要求，從而對交通燈進行故障檢測。另一方面，單機片的體積非常小，價格也比較低。同時能迅速進行數(shù)據(jù)處理運算，性價比較高。為完成對交通燈亮滅時間以及運行狀態(tài)的一些操作，只要通過外圍的程序方式設(shè)計來控制各種不同的輸入輸出信號就可達到目的。最后，單片機有著低耗能的優(yōu)點。單片機在控制定時器運行時，能通過定時器終端的方式來向CPU及時發(fā)送有效信息，從而快速地降低系統(tǒng)的能耗，因此單片機可以實現(xiàn)在低電壓的環(huán)境中運行。總之，單片機的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡易不復雜，設(shè)計快捷方便，還能實現(xiàn)模塊化操作[3]。

但是利用單片機設(shè)計交通燈信號控制器也存在著許多問題，要想實現(xiàn)基于單片機的交通燈信號控制器的功能設(shè)計，就得將大量的I/O接口電路以及其它的硬件設(shè)施接入交通燈，從而不斷增加整個信號控制器的系統(tǒng)電氣接線以及開關(guān)接點的數(shù)量，這對交通燈信號系統(tǒng)的故障檢修和日常維護是十分不利的。另一方面，基于單片機的交通燈信號控制系統(tǒng)難以承受較為復雜的控制環(huán)境，在抗干擾能力上具有一定的局限性。

（二）基于PLC的交通燈信號控制器設(shè)計的優(yōu)缺點

利用PLC進行交通燈信號控制器的設(shè)計最大的缺點就是成本太高，很難在社會上大面積的推廣應用。但是在接線邏輯上，PLC一改前風，用存儲邏輯替代了單片機的接線邏輯，很大程度上控制了信號控制器外部設(shè)備的接線，直接將編寫好的程序存儲到PLC當中，接著利用其內(nèi)部存儲的信息系統(tǒng)來完成邏輯運算、計數(shù)以及定時等操作執(zhí)行。另一方面，PLC本身就具有通訊互聯(lián)網(wǎng)功能。可以在運用局限網(wǎng)的基礎(chǔ)上，根據(jù)監(jiān)測各個路口之間的距離、車流量及車速得來的數(shù)據(jù)，對各個路口信號燈的時差來進行準確合理的調(diào)節(jié)；并且還可以同時對同一條通道上的所有交通燈進行調(diào)度管理，這樣可以縮短車輛通行等候所耗費的時間。再者，PLC的內(nèi)部安有實時時鐘，當通行道路上無人管理時，也可通過編程控制來管理交通燈，從而更進一步地提高了交通控制系統(tǒng)的運作效率。總之，基于PLC的交通燈信號控制器設(shè)計很容易進行改造，系統(tǒng)的設(shè)計建造工作量又小，因而在系統(tǒng)維護方面比較便捷。

（三）基于VHDL的交通燈信號控制器設(shè)計的優(yōu)缺點

利用VHDL進行交通燈信號控制器的設(shè)計最主要的缺點就是設(shè)計工程師需要確切的VHDL建模的控制綜合結(jié)果與VHDL之間的準確關(guān)系，并根據(jù)不同的設(shè)計要求來設(shè)計外部電路，最終確定綜合算法，以便交通信號控制器的正常運作。這顯然比較偏激，然而基于VHDL的交通燈信號控制器設(shè)計卻可以整合信號控制器的各個模塊的電路設(shè)計，并且支持多種硬件描述語言，多層次運行交通燈信號控制系統(tǒng)的狀態(tài)運作模塊、倒計時模塊等，同時進行大規(guī)模的分解以及再次運用。由于VHDL能支持多種描述語言，且它的源代碼也可以被不同的程序工具所支持，因此可以完全移植設(shè)計出來的編碼，以便成果為大家復用與共享。在開始對交通燈信號控制器設(shè)計時，可以利用VHDL豐富的仿真語句和函數(shù)庫檢查與測驗設(shè)計系統(tǒng)的可行性，在很大程度上提高了設(shè)計成功率。

三、基于wife信號的交通燈信號控制方法及系統(tǒng)

目前存在的聯(lián)網(wǎng)通信的交通燈控制系統(tǒng)，大部分或以有線為主，或以無線信號為主，但是采用有線方式的會存在鋪設(shè)線路的系統(tǒng)實施難題，采用無線的又存在著一個信號覆蓋多大面積的問題。利用wife信號進行交通燈信號控制器的設(shè)計是在避免上述現(xiàn)有技術(shù)的不足之處的實際基礎(chǔ)上，而提出的一種采用專用無線網(wǎng)絡(luò)，用于交通燈聯(lián)網(wǎng)控制的信號控制方法與系統(tǒng)。它主要包括交通燈的運行方案設(shè)計、下發(fā)和運行，能隨時掌握交通燈的運行方案和實時運行狀態(tài)。

（一）基于wife信號的交通燈信號控制系統(tǒng)的具體實施方式

該交通燈信號控制系統(tǒng)包括一個監(jiān)控中心計算機，用于安裝交通燈運行方案的開發(fā)軟件和交通燈監(jiān)控軟件；安裝交通燈運行方案開發(fā)軟件，用于交通燈運行方案的開發(fā)、校驗、仿真、部署和運作；安裝交通燈監(jiān)控軟件，用于對各個路口的交通燈運行方案進行查詢與監(jiān)控，并接收交通燈的故障警鈴；在每個交通燈路口都安裝交通燈控制器，每個控制器包括一個核心控制板，用于運行交通燈方案；一wife模塊，用于將交通燈控制器與internet有效連接，進一步與監(jiān)控中心的計算機進行實時數(shù)據(jù)通信；一數(shù)據(jù)檢測電路，在通過wife模塊而接收到信息后，用于對信息進行判斷與分析；一交通燈控制電路，用于開啟交通燈的使用并同時檢測交通燈的存在故障；人機界面，用于顯示交通燈運行方案并加以調(diào)試[4]。

（1）在每個交通路口都設(shè)置相應的交通燈控制器，每個控制器都含有一個wife模塊，通過這個 wife模塊，使得交通燈控制器和監(jiān)控衷心的計算機網(wǎng)絡(luò)組成局域網(wǎng)絡(luò)，并進行數(shù)據(jù)通信。

（2）每個交通燈控制器包括：核心控制板、wife模塊、數(shù)據(jù)檢測電路、控制電路以及人機界面。核心控制板的主核心控制器是ARM7處理器，負責程序的運行；wife模塊負責連接internet；人機界面，主要由觸摸顯示屏和按鍵構(gòu)成。觸摸顯示屏是由能夠顯示出紅、率、黃燈的彩色液晶屏組成，為工作人員調(diào)試提供了極大的方便。

（3）在wife模塊與核心控制板之間，采用串口進行連接，在核心控制板處理交通燈運行方案數(shù)據(jù)以及故障信息之后，通過串口發(fā)送到wife通信模塊。Wife通信模塊有個固定的IP地址，并通過局域網(wǎng)，把運行方案數(shù)據(jù)和故障信息返回監(jiān)控中心。

（4）數(shù)據(jù)檢測電路包括：地址的設(shè)定單元，用于交通燈控制器的地址值設(shè)定；地址值比較單元，用于判斷判斷地址數(shù)據(jù)是否與設(shè)定的一致；指令分析單元，用于對接收到的指令進行分析，以便及時切換運行方案；運行方案存儲單元，用于存儲計算機下發(fā)的運行方案信息。

（二）基于wife信號的交通燈信號控制方法步驟

在該交通燈信號控制系統(tǒng)中，是將設(shè)置在各個交通燈路口的交通燈控制器通過wife模塊和監(jiān)控中心而建立起雙向通信連接，以進行數(shù)據(jù)交換，從而控制交通燈信號[5]。該交通燈信號控制方法的具體步驟主要包括：

（1）交通燈控制器設(shè)定并存儲地址信號與密碼。

（2）監(jiān)控中心將現(xiàn)場監(jiān)控所獲得信息向交通燈傳遞，交通燈控制器便可接收到監(jiān)控中心所開發(fā)并仿真運行的全新交通燈運行方案，以及交通燈控制器的地址信號和密碼等信息。

（3）在收到接收信號后，交通燈控制器可對監(jiān)控中心開發(fā)并經(jīng)其仿真運行的全新交通運行方案進行判斷，選擇是否遠程接收。

（4）當交通燈控制器從監(jiān)控中心接收的地址信號和密碼與交通燈控制器先前所存儲的地址信號和密碼是相同的，則會對監(jiān)控中心下發(fā)的全新交通燈運行方案進行立即接收；若不一致，則會拒絕接收下發(fā)的運行方案。

（5）在交通燈控制器對監(jiān)控中心下發(fā)的運行指令接收完畢后，根據(jù)所接收的指令即刻運行指定的交通燈運行方案。

（6）交通燈控制器執(zhí)行完指令后，會將交通燈的實時運行狀況信息發(fā)送給監(jiān)控中心，同時檢測交通燈是否存有故障，如若存在故障，則立即向監(jiān)控中心發(fā)送緊急信息。

四、結(jié)語

在如今城市化生活的日益推進，交通問題得到廣大群眾的高度關(guān)注，因此對交通燈信號控制器的設(shè)計要求也就越來越高。基于wife信號的交通燈信號控制方法及系統(tǒng)是屬于無線交通信號的遠程控制系統(tǒng)，能根據(jù)周邊不同的路況信息進行實時記錄及查詢，智能化水平較高，能有效地降低交通擁堵情況的發(fā)生，改善社會交通狀況，值得進一步推廣與應用。

參考文獻：

[1]秦大偉，劉偉強.基于wife的交通燈順序控制系統(tǒng)的程序設(shè)計與實現(xiàn)[D].長安大學，2012（2）：70-71.

[2]禹理翔，王麗萍.城市交叉路口交通燈控制系統(tǒng)的設(shè)計研究[D].長安大學，2011（2）：60-62.

[3]徐萬明，黃鵬日.交通燈信號控制器以及控制系統(tǒng)的設(shè)計深入研究[J].硅谷，2013（2）：80-81.

[4]董紅召，凌非越，張語玨.主輔燈信號系統(tǒng)的輔燈信號控制方法的研究[J].科技通報，2012，28（7）：90-94.

[5]常曉潔，江肖強.基于WIFI無線區(qū)域定位的精確度影響因子研究[J].通信技術(shù)，2013（6）：62-65.

[作者簡介]張任翔，西安外事學院，研究方向：電子信息工程。