交通信號燈故障檢測系統設計與實現

任立新，史忠科

（西北工業大學 自 動化學院，陜西 西 安 7 10129）

交通信號燈易因環境因素導致損壞，并且位置遠離交通監管中心，交通監管人員無法及時獲知路口信號燈的工作情況，進而造成車輛通行不暢或引發交通事故[1]。目前主要依靠路口電子攝像機工作圖像提取信號燈的工作狀態，判別信號燈是否發生故障[2-3]，但此法需進行圖像融合，算法復雜、實時性差，現階段沒有廣泛應用于實際路口。文獻[4]采用了數據采集和分析的方式，具有硬件可實現性，但此方法應用多種A/D轉換電路，增加了系統的不穩定性，在復雜環境下易發生誤報。

本文提出了一種信號燈故障檢測與遠程報警系統。通過GSM網絡將城區交叉口組網，信號燈故障檢測系統采用最簡電路設計原理，充分利用單片機資源，實時采集交通信號機和信號燈數據，判別故障信號燈的具體位置和故障類別等信息，并具有容錯機制避免產生誤報，對可變負載信號燈也具有普適性。交通監控中心通過GSM網絡實時獲知信號燈工作狀態并及時排除信號燈故障。

1 總體設計

交通信號燈故障檢測系統主要由信號機控制信號采集單元、信號燈電流狀態采集單元、分析與容錯單元和GPRS通信單元等部分組成，如圖1所示。

圖1 系統總體結構圖Fig.1 Structure diagram of the system

以STC12C5A60S2型單片機為主控制器，信號機控制信號采集單元負責采集交通信號機的輸出控制信號；電流狀態采集單元負責采集所有路信號燈的交流電流信號，并將交流電流信號轉換為單片機能夠識別的、具有高低電平特性的電流邏輯值；GPRS通信單元負責數據的遠程傳輸，將信號燈故障信息通過GSM網絡發送到距離較遠的監控終端；主控制器進行控制信號和電流狀態的融合分析與容錯處理，判別交通信號燈是否發生故障和故障類型等信息，并驅動GPRS通信單元遠程傳輸信號燈故障信息。

2 故障檢測系統硬件設計

2.1 主控制器單元

本設計選用STC12C5A60S2型單片機，其內嵌60K FLASH存儲器和1280字節RAM隨機存儲器，具有豐富的I/O端口資源，適用于成本較低的工業控制領域[5]。其中，FLASH用來存儲源程序，RAM用來存儲采集到的信號機控制信號數據和信號燈電流狀態數據以及數據分析處理結果。通常一個實際路口最多擁有44路信號燈，因此主控制器需要采集44路信號機控制信號和44路信號燈電流狀態。選取巡回選通電路依次選通44路信號燈讀取數據，既有較高的實時性，又能保證I/O資源的充分利用。主控電路結構如圖2所示。

2.2 信號機控制信號采集單元

圖2 主控電路Fig．2 Master controller system

44路控制信號的分組采集，應用6片八位鎖存器將44路控制信號鎖存，2片三線－八線譯碼器組成四線－十六線譯碼器依次片選6片鎖存器，通過單片機P0口分6組依次讀取鎖存器中的控制信號數據。控制信號采集單元如圖3所示，U30代表第1片鎖存器，S7為其片選信號；D0～D7為第1～8 路信號機控制信號，通過鎖存器鎖存，再由 P0．0～P0．8 讀入單片機；U5和U6組成四線－十六線譯碼器，由單片機P2．0～P2．3 控制，輸出 S1～S16 共十六路控制線，8 路用于控制信號鎖存器片選，8路用于模擬開關片選。

圖3 控制信號采集單元Fig．3 Control signal acquisition unit

2.3 信號燈電流狀態采集單元

利用電流互感器采集44路信號燈的交流電流信號并轉換為具有高低電平特性的電流狀態邏輯值，通過是否有電流判斷某路信號燈此時是否處于工作狀態。

以第一路信號燈電流狀態采集過程為例，電流互感器輸出信號通過并入的電阻R1_1轉換為交流電壓信號，經過D1_1、D1_2、D1_3組成的半波整流電路將交流電壓整形為直流電壓，送入模擬開關CD4066。模擬開關選通第一路信號燈，通過濾波電路將模擬直流電壓濾波為平滑的電壓值，通過5．1 V穩壓管穩壓，讀入單片機P1．0端口。當單片機讀取數據完畢后，C30經由模擬開關放電電路通過串聯電阻R14放電，準備讀取下一組信號燈電流狀態值，8路模擬開關分6批讀取完成所有44路信號燈電流狀態。互感器微弱的電流即可將電容沖至高電平，使得此電路具有較強的靈敏性。采集過程如圖4所示。

圖4 一路信號燈電流狀態采集Fig．4 Current state acquisition of one signal light

2.4 GPRS通信單元

GPRS模塊一般置于路口燈桿上，與控制柜距離為20～30 m，大于RS－232串口通信的可靠距離15 m。為保證數據傳輸的穩定性與可靠性，采用具有平衡發送和差分接收功能的RS－485通信方式進行數據傳輸[6]。GPRS模塊選用廈門靈旗公司的LQ1000 GPRS DTU作為GSM網絡接入模塊，其支持四頻850/900 MHz和1 800/1 900 MHz通信，覆蓋全球常用網絡，滿足交通監管中心與眾多遠端路口之間的數據傳輸與控制[7]。各個路口故障檢測系統做出故障診斷后，將故障報警信息通過RS－485接口以透明傳輸方式發送給GPRS DTU，GPRS DTU內置嵌入式處理器對數據進行處理、協議封裝后發送至GSM網絡。

3 系統檢測軟件設計

3.1 故障診斷流程

信號燈故障檢測系統主要進行路口綠沖突故障、同相位紅綠燈一起亮故障、信號燈該亮不亮、信號燈該滅不滅、信號燈常亮和信號燈常滅等故障的檢測與報警。其中，路口綠沖突故障和信號燈紅綠一起亮故障被定義為第一優先級故障類別，在故障診斷周期內，先進行第一類故障診斷，再進行其他故障診斷，確保在第一時間避免最重要的信號燈故障發 生。數據采集及分析容錯流程如圖5所示。

圖5 檢測系統流程圖Fig.5 Flow chart of detection system

系統完成初始化后，開始采集信號機控制信號和信號燈電流狀態，若控制信號和電流狀態邏輯值同為1，則此路信號燈在信號機驅動下點亮，工作正常；在有控制信號而無電流信號或無控制信號而有電流信號的情況下，信號燈均被認定發生故障。一經發現信號燈故障，立即對此路信號燈進行重復、多次檢測，在多次檢測均出現故障的情況下確定此路信號燈故障，生成故障報警報文，并發送故障報警信息。檢測系統通過鑒別信號燈與信號機的連接關系判定故障信號燈位置及燈色，通過不間斷循環檢測的方式實時監控信號燈的工作狀態。

3.2 變負載信號燈故障診斷

交通控制系統在實際搭建的過程中為方便施工，會將交通信號機一路控制信號輸出端接有兩路交通信號燈，如信號機北方向直行紅燈控制端同時接有北方向直行紅燈和南方向直行紅燈。此時，在某一路信號燈發生故障時，信號燈負載發生變化，但既能采集到信號機控制信號，還能采集到信號燈電流信號，而實際要求能判別此時發生了一路信號燈的故障，需要立即報警。因此信號燈故障檢測系統應能夠應對變負載信號燈的故障檢測。

信號燈負載數量不同時，電流狀態采集單元中濾波電容充電至單片機I/O口可識別高電平時間也不同，單片機定時器對電容充電時間進行計數。在系統初始化，無任何信號燈故障時進行信號燈充電時間測試，記錄正常情況下的電容充電時間，每次故障檢測周期均記錄當次電容充電時長，并與初始值進行對照，若時間小于初始值，并且控制信號與電流信號同時存在，則說明負載信號燈中有損壞。常用信號燈充電時間和負載關系如表1所示。

表1 負載個數與濾波電容充電時間關系Tab.1 Relationship between filter capacitor charging time and numbers of load

4 實驗應用

在山東省龍口市進行現場應用，現場存在多負載信號燈的情況，如南北直行方向，信號機的驅動輸出端同時連接北方向直行綠色箭頭燈和南方向直行綠色箭頭燈。兩燈負載和一燈負載時電流狀態采集單元濾波電容充電至可識別高電平波形如圖6所示。單片機可根據充電時間計數值的不同判斷信號燈負載的變化。

系統能夠檢測出路口綠沖突、同相位紅綠燈一起亮、信號燈該亮不亮、信號燈該滅不滅和信號機死機等故障，并通過GPRS DTU模塊將故障信息在10分鐘內發送至100公里以外的煙臺市交通監控管理中心手機終端，實驗結果如圖7所示。

5 結論

本文針對交通安全通行設計了交通信號燈故障檢測系統并介紹了設計方案。實驗表明，該系統可快速、準確檢測到信號燈常出現的故障，并通過GSM網絡迅速發出報警信息，大大減輕了人工排查的勞動強度，提高了交通信號燈監控自動化水平，效率高、成本低、穩定性好，具有很強的應用價值。

圖6 不同負載充電波形Fig.6 Charging waveforms in different loads

圖7 現場測試設備及結果Fig.7 Model machine and result of experimental testing

[1]鄒細勇，鮑軍民，胡琪，等.交通信號燈系統中的一種故障監控設計[J].自動化測試技術，2012，20(8)：2024-2027.ZOU Xi-yong,BAO Jun-min,HU Qi,et al.An fault-monitoring design for system of traffic signal lights[J].Computer Measurement and Control,2012,20(8):2024-2027.

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[4]王飛躍，湯淑明，李鎮江，等.一種交通信號控制器的故障診斷系統及方法：中國，200810102798.5[P].道路交通與安全，2009.09.30.

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