摘 要：针对目前在交通信号灯主控制机与交通信号灯之间的电线因道路施工人为损坏，环境因素使电线老化、接点氧化接触不良等原因致使交通信号灯不亮或失灵而导致交通拥堵、瘫痪或交通事故的问题，文中基于无线通信技术的交通信号灯线路检测及控制技术和方法实现了对交通信号灯线路的灯态信息实时检测、监控，线路故障判断及控制，解决了因交通信灯电线故障导致信号灯异常的问题，进一步提高了交通信号灯工作的稳定性和可靠性。

关键词：交通信号灯;无线通信;检测控制;人为损坏;线路检测;ATmega128A

0 引 言

在国内积极打造智能交通系统的背景下，致力打造一个更加自动化、智能化的交通控制及管理系统，以提升交通管理和应对能力。国内对智能交通控制领域的研究比较多，刘志娟的基于无线传感网的城市交通灯模糊控制系统设计[1]。王园园设计了基于无线传感器的交通灯的远程控制[2]。焦海华的无线传感器网络在交通灯故障监测中的研究[3]。由于交通信号灯是交通运行的指挥棒，是交通控制系统中的灵魂，一但交通信号灯失效，轻则导致交通瘫痪，重则引发交通事故[4]。同时在信号灯维修恢复过程也比较长，需要经过发现、报修，再通知交通相关部门安排技术人员维修，不仅耽误时间，还无法短时间内恢复。基于无线通信的交通信号灯线路检测及控制的研究为实现交通信号灯线路故障的无线通信检测及控制提供了相关技术和方法。

1 总体设计

1.1 系统设计思路

基于无线通信的交通信号灯线路检测及控制是利用霍尔电流传感器来检测交通信号灯线路中的驱动电流的方法来判断线路的通断，再通过无线通信及控制其交通信号灯[5]。

1.2 系统结构及组成

系统包括检测终端和监控终端两大部分，检测终端硬件由电源转换、单片机主控模块、信号检测、无线通信模块、看门狗和信道编码开关组成。监控终端硬件包括电源转换、单片机主控模块、霍尔电流传感器检测电路、无线通信模块、电池管理控制模块、信道编码、方向编码、看门狗[6]。

1.3 系统框架设计

无线通信的交通信号灯线路检测及控制框架如图1所示。

检测终端实时读取交通信号灯主控制机的各路口（以常规44路信号为例）灯态信息，并通过无线通信模块广播出去。监控终端信号检测模块通过霍尔电流传感器检测各路口信号灯线路电流状态，无线通信模块同步进入侦听状态获取本路口相关灯态信息并反馈至检测终端。如检测到任意路口信号灯线路开路故障，即实时切换到无线通信控制状态和备用蓄电池供电工作状态[7]（以一个路口的信号灯为例）。

1.4 系统硬件选型

检测终端主控芯片采用ATmega128A车规级单片机（简称检测主控芯片），该芯片是AVR 8位微处理器中配置最高单片机，抗干扰能力强，具有极高的稳定性能，采用先进的RISC结构，功耗低。监控终端主控芯片采用ATmega16-16AI（简称监控主控芯片），该芯片是一种低功耗微控制器，采用加强AVR基础RISC架构，附有强大的指令集，数据吞吐量达1 MIPS/MHz。采用闭环霍尔电流传感器，具有高精度、良好的线性、很强的电流过载能力和低功耗等特性[8]。

E32-868无线射频模块采用先进的LoRa扩频技术，传输距离与穿透能力强;使用FEC前向纠错算法，能主动纠正被干扰的数据包，使通信距离更远，抗干扰能力更强，具有空中唤醒功能。

2 系统电路设计

2.1 检测终端电路设计

检测终端结构如图2所示。

检测终端电路设计采用AVR 8位微处理器芯片ATmega128A，该芯片广泛应用于汽車电子、计算机外部设备、工业实时控制、通信设备等领域。其工作过程为：检测主控芯片通过串行输出移位寄存器读取交通信号灯主控器控制信号，数据处理、编码后经相关协议，通过无线射频模块将信号特征编码广播出去[9]。

2.2 监控终端电路设计

监控终端结构如图3所示。

监控终端电路设计采用嵌入式微控制器，其工作过程：交通信号灯各路火线经穿过霍尔电流传感器后产生感应电流并将其转换为成精准的成比例的电压输出，经电压检测、电压比较器确定是否产生信号（低电平“0”为灯灭，高电平“1”为灯亮），再将产生的信号送入主控单片机。同步主控单片机上电后获取信道编码、方向编码数据，无线射频模块进入监听状态获取本路口信息并判断是否与交通信号主控机对应灯态信息一致[10]，如一致则正常，否则为某信号灯火线开路，同步转换为无线通信控制模式并切换由备用电源为信号灯正常供电，保障正常工作。

3 系统检测控制及工作原理

3.1 系统检测控制流程

系统检测及控制流程如图4所示。

在交通信号灯正常工作期间，系统处于低功耗工作状态[11]。其流程包括以下步骤：

（1）交通信号灯主控机输出各路口交通信号灯控制信号;

（2）检测终端同步检测信号机信号灯态信息，同步监测对应的交通信号灯的状态信号;

（3）检测终端对信号进行编码，无线通信射频输出;

（4）监控测终端无线侦听接收信息、解码;

（5）比较判断实时监测接收信息是否与检测终端信号一致，若一致，则返回步骤（1），否则执行步骤（6）;

（6）确定信号灯火线开路，切换至无线通信模式，备用电源供电模式。

3.2 检测终端工作原理

将交通信号灯主控制机控制信号（以常规44路可控硅控制信号为例）引入检测终端检测电路，采用并入串出的方法检测4个路口控制导通信号。当检测到任意一路信号时，编码相关协议，通过检测终端无线射频模块将信号特征编码广播出去。4个路口监控终端接收到信号后，解析协议，判断是否为当前路口控制信号，同时监控终端检测对应路口信号灯是否导通，再将结果编码后通过无线射频信号发出，检测终端接收即完成一个完整的检测过程。运行逻辑：

（1）每秒检测10次交通信号灯主控制机控制信号，同时将信号通过无线模块广播出去;

（2）检测终端接收各路口监控终端返回数据。

3.3 监控终端工作原理

各路口监控终端上电后获取信道编码、方向编码数据（拨码开关设置），射频模块进入监听状态。无线射频模块接收到广播信息进行解码，获取本路口相关信息。根据接收到的方向信号（直行、左转、右转、人行），将该方向的霍尔电流检测信号引入主控芯片比较器，打开定时器，在一定时间内进行连续电压比较，记录比较结果。当比较结果大于设定阈值，即判断该路交流信号正常;反之异常，同时将结果编码后按方向编码数据做对应的延时后发送回检测终端，即完成一个信号检测流程。运行逻辑：开机读取信道编码、方向编码设置好无线模块进入待机状态;读取分析接收的无线通信数据;判断当前信道及方向信息是否一致;一致，则处于监测状态;不一致，则判断故障位置，控制继电器将主火线切换到备用电源上。

4 结 语

本文通过对交通信号灯火线回路中电流的检测，利用电流传输速度快和电气原理的特性，提出了基于无线通信的交通信号灯线路检测及控制的研究[12]。在交通信号灯正常工作情况下，系统处于低功耗的实时监测状态，不会干扰交通信号灯的正常工作;如发生线路断开故障，可通过无线通信实时定位到故障线路，并控制切换至备用电源为发生线路开路故障的交通信号灯供电，避免由此所带来的交通拥堵、混乱，以及引发的交通事故。

在无线通信的交通信号灯线路检测及控制系统中可以引入4G/5G通信技术，将各路口信号灯的状态做到实时检测和监控，并可以将线路故障信息实时上传监控云平台，实现远程监控。同时可以引入GPS/BDS定位技术[13]，更进一步地确定信号灯故障地理位置，实现城市智慧交通管理。

参考文献

[1]刘志娟.基于无线传感网的城市交通灯模糊控制系统设计[D].淮南：安徽理工大学，2014.

[2]王园园.基于无线传感器的交通灯的远程控制[J].物联网技术，2018，8（1）：89.

[3]焦海华.无线传感器网络在交通灯故障监测中的研究[D].昆明：昆明理工大学，2013.

[4]蒋清健.智能交通信号灯控制系统的分析与实现[J].福建电脑，2010，26（3）：142.

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[8]薛斌.主动磁力轴承的嵌入式控制系统设计与研究[D].武漢：武汉理工大学，2007.

[9]顾建凯，华彤天.一种基于无线射频通信的温度检测系统设计[J].电子技术与软件工程，2016（20）：50.

[10]田博，陈分雄，郭星锋.基于FPGA的多路无线信道监听系统设计[J].电子技术应用，2014，40（5）：87-89.

[11]李庆民，李华，徐立，等.系统可靠性结构识别方法[J].计算机应用，2014，34（11）：3340-3343.

[12]邹细勇，鲍军民，胡琪，等.交通信号灯系统中的一种故障监控设计[J].计算机测量与控制，2012，20（8）：2024-2027.

[13]罗洋坤.基于GPS和BP神经网络的车辆定位预测研究[J].自动化应用，2018（3）：88-90.