初探物聯網技術在智能交通信號燈控制系統的應用

南京市公安局交通管理局 / 李效 葉堅 徐冉 汪兆斌 姜釗

1.基于物聯網技術分布式系統硬件設計

1.1 控制器

分布式的智能交通信號燈控制系統的控制器主要是以單機片為核心，對系統中的復位電路、LED顯示、信號同步、鍵盤操控等諸多模塊進行控制，分控制器和上位機之間有單片機的通信連接口，能夠加強各模塊的連接效應。其中單片機和智能控制系統軟件各模塊主要是以串口通信的方式進行連接，在系統內能夠起到調制模塊的作用，非常適用于遠距離的通信，能夠滿足分布式智能交通信號燈控制系統的連接需求。分控制器和主控制器之間主要使用485通信，分控制器只能單向傳遞給主控制器數據，各分控制器之間的連接也是使用485通信。在控制系統之中，傳輸數據是分控制器向主控制器進行傳輸，每個控制器所負責的數據都是不同的。分控制器之間也是通過485通信建立連接，而相鄰的分控制器可以通過單片機中的接口實現連接，另外單片機還需要承擔與其他模塊進行連接的責任。

1.2 外圍電路

外圍電路主要包含了復位電路、電源電路、晶振電路以及專用配件接口電路，通過這四部分的電路組成完整的分布式控制系統的外圍電路。在設置外圍電路的時候必須要使用直流電，為了確保控制系統能夠穩定運轉，就需要使用晶振電路。對于控制紅綠燈的合理轉換，就需要用到復位電路，相關人員需要對系統使用過程中的數據輸入給予重視，避免造成紅綠燈信號延遲的情況。

1.3 存儲器

在控制系統的眾多硬件設施中，存儲器模塊是至關重要的部分，相關設計人員在對控制系統進行設計的過程中必須要科學合理的配置存儲器，確保能夠完全對交通信號燈的硬件進行控制，合理的選擇存儲器。存儲器中包含了SRAN存儲器以及FLASH存儲器兩個主要部分，開展設計的過程中必須要對此進行精準的設計，確保存儲器能夠發揮最佳功效。

2.基于物聯網技術分布式系統軟件設計

2.1 中斷控制

在設計交通信號燈控制軟件時，利用中斷控制來對信號燈進行控制，在中斷控制的時候，需要經歷保護現場、啟動子程序、恢復現場等幾個流程，系統軟件是保障模塊運行的基礎，控制系統需要制定獨立的中斷控制，且需要放在優先級，才能精準的控制系統。只有這樣才能確保系統能夠更好的檢測實時道路交通狀況，并將數據信息傳輸到控制重心，然后按照控制中心下達的指令來進行處理。

2.2 通信軟件

通信軟件在分布式智能交通信號燈控制系統中發揮著重要的通信功能，以RS485通信軟件為例，在模塊之中能夠集成雙工串行通信接口，然后其所裝配的發送器以及接受緩沖器都是獨立存在的，可以同時進行數據的接受與發送。在此類信號燈控制系統之中，包含了嵌入式的技術與PLC，能夠讓信號燈的通信系統按照主控制下達的指令來做出相應的動作，此類通信模式能夠為穿行通行提供便利條件，同時也是分控制器和主控制器進行通信的主要來源。通過控制器合理的配置通信軟件，再使用控制器指定統一的串口數值，確保通信軟件在科學的規范下進行運轉。

2.3 數據同步

在分布式信號燈控制系統正常運行過程之中，需要通過利用系統內的全部控制器來做到信號與數據的同步，進而確保信號燈控制系統能夠依照控制器中的模塊周期來對信號進行控制并同步傳輸。在設計信號燈控制系統的軟件時，必須要做到數據同步，進而才能實現同步控制信號，需要給予數據傳輸過程高度重視，在這個過程中絕對不能出現錯誤，保障交通信號燈轉換運行的準確性。

2.4 系統建模

我國城市交叉路口普遍為雙向6車道，其中每個方向都包含了左轉、右轉與直行車道，在交叉路口之中安裝有交通信號燈。一般情況下信號燈都是使用四相位的方式對車輛進行放行，具體如圖1所示。其中第一相位是指引車輛東西方向直行，第二相位是指引車輛東西方向左轉，第三相位是指引車輛南北直行，第四相位是指引車輛南北左轉。這個四個相位依次切換，使用紅燈、綠燈、黃燈短時相位切換，黃燈起到預警的作用，提醒車輛即將進入紅燈時間，右轉車輛一般情況下不受燈控，所以不計入車流量。

圖1 交通信號燈相位交替

3.仿真實驗

為了測試物聯網技術在交通信號燈中應用的可行性，使用Matlab軟件進行模擬，路口的車輛到達服從Poisson的分布。對車的延誤時間進行測試，判斷應用物聯網技術的優勢。

公式之中的N表示的是每一個相位之中兩個方向在綠燈的時候經過該路口車輛的總和，Ti-delay代表的是每一輛車經過路口需要等待的時間，測試用時總共為600s。為了方便進行數據對比分析，在保持其他環境、條件相同的情況下，分隊對物聯網技術信號燈以及傳統信號燈進行模擬測試，將路口車流量分為三個強度場景，分別是高強度（40輛）、中等強度（30輛）以及低強度（20輛），經過多次模擬提取處平均數值，數據結果見表1。

通過對模擬實驗數據結果對比可知，在中低強度的時候，物聯網信號燈技術能夠起到小幅度的改善效果，當車流量巨大的時候，物聯網信號燈技術就能夠發揮出較為顯著的優化效果。由此可見，將物聯網技術應用在智能交通信號燈控制系統是未來交通發展的重要趨勢。

表1 相同環境條件下不同車流量平均車輛延誤時間對比

4.結束語

綜上所述，通過科學的管理交通信號燈，能夠有效的緩解道路交通擁堵的壓力，其中分布式智能交通信號燈能夠通過控制系統對交通信號燈進行科學的管理，進而合理的利用各項交通資源。在分布式智能交通信號燈之中，主要分為軟件與硬件兩大模塊，相關設計、維保人員需要加強針對這兩個模塊的相關技術的研發應用，優化相關工作流程，確保分布式智能交通信號燈能夠發揮出最佳效果。