柳長源+孔凡寧+馮晉文

摘 要：針對當前無法實現(xiàn)交通信號燈位置和實時狀態(tài)信息的自動化管理的問題，本系統(tǒng)選用STC12C5A60S2為主控芯片，配合Neo5Q GPS定位模塊，利用PT2262/2272無線收發(fā)芯片和便攜安全的SD卡，設計了一種新型對交通燈方位及信號狀態(tài)的實時信息采集解決方案。該系統(tǒng)可以實現(xiàn)對交通燈所處位置和信號燈點亮的時間進行實時確定，通過SD卡模塊將數據存儲到SD卡中，電路簡單，在原有設施上即可實現(xiàn)。實驗結果顯示，系統(tǒng)實時性好，存取方便，利于數據的讀取分析。該系統(tǒng)的實現(xiàn)對于交通狀態(tài)信息數據的采集、分析有著重要意義。

關鍵詞：交通燈；GPS；SD卡；單片機

DOI：10.15938/j.jhust.2017.03.005

中圖分類號： TP274+.2

文獻標志碼： A

文章編號： 1007-2683（2017）03-0025-06

Abstract：In terms of the issues where traffic lights′ positions and traffic status information cannot be managed automatically， in this system，STC12C5A60S2 microcontroller can be used as the master chip in conjunction with the GPS position module，Neo5Q. The wireless transceiver module， PT2262/2272 and the portable installing SD card are used to design a new type of realtime information acquisition solution for positions of traffic lights and signal status. And the system can determine the traffic lights′ positions and the process of lighting in a real time. Then the data will be stored in SD card by the SD card module. Furthermore， the equipment can be implemented on existing facilities with a simple circuit. According to the result of experiments， the system contains a convenient storage， works in a real time and it is also advisable to help with the data reading and analysis. Thus， implementation of the system is of great significance to acquire and analyze the traffic status information in recent times.

Keywords：Traffic light； Global Positioning System； Secure Digital Memory Card； single chip microcomputer

0 引 言

隨著我國私家車數量日益增多，導致了交通擁堵情況也越發(fā)嚴重。目前的主要解決方案是加寬道路和車輛出行限制，這樣做不僅會浪費很多人力物力，還形成了我國汽車工業(yè)未來發(fā)展的障礙[1]。本文所提出的方案是利用GPS（global positioning system）對交通信號燈定位和授時[2]，將數據采集到SD卡中，達到分析數據并合理調度交通信號的目的，并且要求在晴朗天氣60m及陰雨天氣50m的距離下可穩(wěn)定使用。

目前我國大多數交通燈狀態(tài)時間都是固定的，即使可以改變燈的讀秒時間也做不到分析數據，調整信號燈狀態(tài)的時候沒有數據參照，調度就是盲目的，同時造成了交通信息的不可查和人力資源的浪費。

本系統(tǒng)針對的問題主要是交通信息數據的產生與采集。目前市場上已有相當多基于全球定位系統(tǒng)（GPS）接收機的衍生物，比如出現(xiàn)了手持式全球定位系統(tǒng)用戶機和車載導航定位系統(tǒng)等產品，但價錢較貴，也不易普及和推廣[3-5]。因此本文選取STC12C5A60S2單片機結合GPS模塊實現(xiàn)GPS的授時定位功能，從而獲取交通實時狀況信息，并將有用的數據收集存儲到SD卡（Secure Digital Memory Card）當中。這樣一來，既方便了相關人員對GPS產生的有用數據進行查看與分析，又做到了合理配置交通信號的目的。

1 系統(tǒng)結構設計

本交通信號采集系統(tǒng)主要有兩部分組成：無線發(fā)送端和GPS無線接收端。無線發(fā)送端主要由STC89C52單片機、獨立按鍵以及DF無線發(fā)射模塊構成[6]；GPS接收端主要由STC12C5A60S2單片機、DF無線接收模塊、信號燈模擬和GPS接收模塊構成，系統(tǒng)框圖如圖1和圖2所示。

該信息采集平臺系統(tǒng)的設計應用于十字交叉路口交通信號燈的實時信號數據的采集，每一條數據都包括：信號燈的地理位置、信號燈倒計時的修改時刻、東西南北四路信號燈綠燈的倒計時轉換時間。實現(xiàn)過程：GPS模塊獲取位置和授時，無線接收端接收來自發(fā)射端按鍵信號，修改信號燈的狀態(tài)，并記錄該信號燈的地理位置、發(fā)送修改命令信號的時刻和修改后信號燈的讀秒倒計時時間。

1.1 無線發(fā)送端

無線發(fā)送端采用數據編碼芯片、控制芯片以及DF數據發(fā)射模塊。數據編碼芯片利用6通道點控PT2262，控制芯片采用STC89C52單片機，數據發(fā)射模塊為開關三極管控制的315MHz三極管振蕩器，實現(xiàn)了由編碼芯片控制的2ASK二進制振幅鍵控調制，信號調制完成后，最后通過四分之一波長的天線向外發(fā)射[6]。

在信號調制時，采用的是2ASK二進制振幅鍵控調制方式。振幅鍵控ASK是根據正弦載波的幅度隨數字基帶信號改變的數字調制方式，當數字基帶信號是二進制時，則調制方式為二進制振幅鍵控調制[7]。在信號發(fā)射時，載波在數字信號1的作用下接通，有工作電流產生；在信號停止發(fā)射時，載波在數字信號0的作用下關閉，此時工作電流降到0，因此，這種調制方式在不發(fā)射信號時能有效地降低無線發(fā)射端的功耗。無線發(fā)射端的程序流程如圖3所示。

無線發(fā)射端的程序主要有掃描按鍵、按鍵功能定義和對編碼芯片PT2262的操作。當有按鍵按下時，先利用單片機處理按鍵的功能，再通過PT2262編碼，最后通過DF發(fā)送模塊發(fā)送信號。

1.2 無線接收端

無線接收端是本系統(tǒng)的核心部分，主要包括無線接收模塊、GPS定位授時模塊、主控單片機STC12C5A60S2、電平轉換模塊、SD卡數據存儲模塊和十字交叉路口交通燈模擬部分。

1.2.1 GPS模塊

GPS模塊的核心是GPSOEM信息接收單元，此單元內部通常包含GPS信息接收和解算單元，可以接收GPS衛(wèi)星發(fā)送的數據信號，并以數據幀的形式傳送到串口。通過微單片機對此單元的輸出數據進行提取[8]。通過電平匹配使得GPSOEM單元和單片機串口通信，其接收框圖如圖3所示。

GPS模塊工作時可以和單片機完成通信，對信息實時掃描，只要模塊處于工作狀態(tài)，GPS接收模塊便會接收GPS數據信息，經過處理后，依靠NEO5Q單元的接收協(xié)議—NEMA 0183 ASCII協(xié)議將數據以數據幀的形式不間斷地通過串口輸出給外部設備[9-10]。用戶可以根據需要提取和利用，如果需要顯示，可通過單片機驅動12864液晶屏來觀察GPS接收到的衛(wèi)星定位與授時，在實際路口中液晶顯示可以略去。液晶屏顯示如圖5所示

而實際上，在數據分析時SD卡采集到的數據會通過FAT32（FileAllocationTable32）文件系統(tǒng)在PC（personal computer）機上顯示，方便有關部門的查看和分析。GPS模塊硬件接口電路如圖6所示。

1.2.2 SD卡數據存儲模塊

目前存儲設備發(fā)展的十分迅速，種類豐富，我們所熟知的SD卡體積小、存儲量大且利用并行引腳使得傳輸速度大幅提升，對于數據的存儲和讀取對環(huán)境要求不高；防震抗潮、工作溫度范圍大、有效數據保存永久的優(yōu)點，除此之外自帶加密功能，可以保證數據資料的安全[11]；SD存儲卡的技術現(xiàn)在很成熟，目前電子市場上SD卡讀寫模塊運用廣泛，價格低廉。這些優(yōu)點非常適合在交通控制平臺使用，即使是在惡劣天氣下也可正常工作。單片機與SD卡的連接方式和SD卡模塊硬件接口如圖7和圖8所示。

對SD卡的操作模式包括兩種，其一是SD模式，其二是SPI模式。SD模式通過四條數據線完成數據的相互傳輸，相對于SPI模式來說有更高的數據傳輸速度，但實現(xiàn)過程有更為復雜的協(xié)議[12]。由于SPI模式便于實現(xiàn)，速度也可以達到本系統(tǒng)的要求。本文在單片機和SD卡讀寫操作時采用軟件模擬SPI模式。

SPI總線主要通過三根線進行數據傳輸，包括同步時鐘線SCK、主機輸入和從機輸出數據線MISO、主機輸出和從機輸入數據線 MOSI，還有從機片選線CS（低電平有效），主機提供片選信號和同步時鐘脈沖。SPI總線模式的數據傳輸是對于字節(jié)而言的，主機與SD卡的通信控制都通過主機完成[13]。由于單片機沒有集成好的SPI接口，所以采用軟件來模擬SPI總線，具體實現(xiàn)方法是：將SCK的初始狀態(tài)置0，允許接收后（CS置0）將SCK 置1，這樣單片機就可以由SDI線輸出1位數據到SD卡；接著再將SCK置 0，單片機由SDO線從 SD卡讀1位數據。因此， 1位數據的輸入和輸出完成。此后將SCK置1，按序循環(huán)8次，完成SPI總線1字節(jié)數據的輸入輸出[14]。對SD卡的操作有四個復位、初始化、讀操作和寫操作，復位和初始化是對SD卡驅動，讀寫操作時，由于SD卡存儲的數據是二進制數據并且以數據塊讀寫方式傳輸的且每個數據塊數據長度為512KB，選用STC12C5A60S2單片機能夠做到對SD卡單次讀寫操作。

此外，為了數據能被計算機所識別，SD卡文件系統(tǒng)必須與計算機一致。當前Windows操作系統(tǒng)中比較常用的文件系統(tǒng)有FAT16、FAT32及NTFS（New Technology File System）等。交通信號采集數據量雖然單一，但存儲量較大，且記錄時間較長，所以本文利用FAT32文件系統(tǒng)作為SD卡的文件系統(tǒng)，F(xiàn)AT32最大支持單個文件4GB容量，滿足交通信號采集要求[15]。所以在數據分析時，可在PC機上讀取SD卡即可直觀的看到GPS端所產生的有用數據。PC機讀SD卡的文本顯示如下圖9所示。

文本顯示中，E和N代表東經與北緯、中間部分代表當前時間、最后面部分代表東南西北四路交通燈的綠燈時間，交通模擬綠燈初值均設定為10秒，秒數增量設置為3秒，通過加、減、復位、恢復讀秒不同按鍵的作用，記錄了上圖數據。數據清晰明了，通過對綠燈時間的分配，可對某一方向的車流量進行有效控制。

1.2.3 無線接收模塊

無線接收模塊主要由STC12C5A60S2單片機、解碼芯片PT2272、DF超再生數據接收模塊以及抗干擾的外圍電路組成。解碼芯片在接收到命令編碼后，通過專用的電壓比較器LM339芯片將單片機相應管腳拉低，發(fā)射端按鍵松開后，單片機相應管腳立即恢復高電平，模擬了獨立按鍵的功能[6]。通過獨立按鍵不僅改變了交通信號燈的狀態(tài)，還向SD卡提供寫操作指令的信號。根據單片機對不同按鍵的是否按下掃描，完成了對信號燈狀態(tài)數據的更改和存儲。

無線接收端對無線發(fā)射端信號的解調時，采用超再生檢波電路，該檢波電路主要是一個受間歇震蕩控制的高頻振蕩器，該震蕩器采用電容三點式，其振蕩頻率和發(fā)射器的發(fā)射頻率保持一致，間歇震蕩源自高頻振蕩，同時它也控制著高頻振蕩器的振蕩與間歇，振蕩頻率通過電路參數進行選擇。超再生檢波電路增益比較高，若沒有信號接收，會出現(xiàn)超噪聲，經過濾波和放大后輸出一定的噪聲電壓；當有信號接收時，電路產生諧振，選出接收頻率并抑制超噪聲，高頻振蕩器振蕩輸出接收到的信號，解碼芯片進行解碼并發(fā)送至單片機。

1.2.4 單片機主控芯片及程序流程

STC12C5A60S2單片機是宏晶科技生產的單時鐘/機器周期（1T）的單片機，是的新一代8051單片機，具有高速、強抗干擾、低功耗，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)的8051單片機的優(yōu)點，而且速度增加了8-12倍。該單片機還在內部集成了MAX810專用復位電路，八路高速10位A/D轉換（250K/S），兩路PWM，主要針對強干擾的場合。無線接收端利用其控制GPS模塊和SD卡模塊的程序主要流程如圖10所示。

無線接收端主要程序包括三個：GPS數據接收子程序、SD卡驅動及讀寫子程序、交通燈控制模擬主程序。系統(tǒng)初始化包含以上三個主要程序的初始化，GPS模塊通過衛(wèi)星進行定位和授時，SD進入讀寫準備，然后進入交通燈控制模擬的主程序，進行正常的交通模擬讀秒，無數據改變和記錄。當無線發(fā)射端有按鍵按下時（發(fā)送端獨立按鍵功能包括緊急全紅燈，增加或者減少讀秒綠燈時間，恢復讀秒計時，復位最初讀秒設定等，可通過編程可隨意設定），無線接收端應答獨立按鍵命令，交通燈暫停讀秒并根據按鍵的指令定義修改信號燈的狀態(tài)，與此同時向準備好的SD卡扇區(qū)中寫入改變后的信號燈狀態(tài)數據，一旦無線發(fā)射端的恢復讀秒鍵按下時，接收端便恢復讀秒，交通燈恢復正常工作。

2 系統(tǒng)實測分析

本系統(tǒng)針對交通網絡中某些易擁堵的十字路口交通信號燈數據的采集，區(qū)別于傳統(tǒng)的固定式交通信息采集方式，無需破壞原交通網絡，僅在原信號燈基礎上加裝即可，采集方式和信息固定，數據統(tǒng)一[16-18]。采集到的有用數據包括當前時刻的經緯度位置和交通燈綠燈狀態(tài)的時間，經緯度位置和當前授時由GPS模塊提供，交通信號狀態(tài)由發(fā)射端對交通信號的改變來提供，完成對車混合交通流的控制[19]。一天內交警利用發(fā)射端對某路口的交通燈進行實時動態(tài)信號的更改，在該路口優(yōu)化的同時，其相鄰路口的交警相應的也會作出調整，將“擁堵點”的車流量分流至多條道路，減緩該路口的交通壓力。同時根據更改交通信號配時的多少，也完成了對高峰期和低谷期車流量的正確判斷。數據的采集終端為SD卡，交通信號的改變數據存入SD卡，SD卡經交通部門有關人員更換后，利用PC機對某段時間該地點數據整合，可通過連續(xù)一周或者一個月的數據的分析來對交通燈各時段的讀秒合理分配，規(guī)劃出新的配置方案，實現(xiàn)對該路口交通狀態(tài)的優(yōu)化。

3 信號燈遙控器通信實驗

通常情況下，交警距離信號燈的通信距離不會超過50m，而且不會有遮擋。為了驗證系統(tǒng)的可靠性，本系統(tǒng)在不同距離無遮擋下，對3個不同位置不同條件下的交通燈分別做了100次信號收發(fā)通信實驗，從實驗數據中計算出通信的成功次數以準確率來直觀的表現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，如表1所示。

試驗結果表明，最終系統(tǒng)總體的穩(wěn)定性滿足設計需要，在不同十字路口（東經126.6183北緯45.7212、東經126.6281北緯45.7220、東經126.689北緯45.7181）50m以下不同天氣條件下均可實現(xiàn)100%的通信準確性，在100m的通信距離無降水的戶外條件下系統(tǒng)通信的準確性達到79%；MCU工作穩(wěn)定，在測試中未出現(xiàn)死機情況。與預期所提的晴朗天氣60m及陰雨天氣50m的距離可穩(wěn)定使用的要求已經達到。

4 系統(tǒng)技術指標

完成實驗的同時，進行了技術指標的測量與對照：

4.1 遙控器有效范圍

經測試和實驗結果得出在天氣晴朗情況下60m及陰雨情況下50m范圍內都能夠有效地對信號燈進行控制。

4.2 設備溫使用范圍

通過對單片機主芯片及各芯片和模塊使用技術指標的查詢和平均測試，工業(yè)級芯片溫度使用范圍能夠達到-40℃～+85℃，能夠滿足天氣氣溫的要求。

4.3 設備發(fā)射功率、信號響應時間及接收靈敏度

通過對DF無線模塊資料的查詢和測試，發(fā)射功率≤500mW信號接收響應時間約為50ms，接收模塊在5V工作電壓下，靜態(tài)電流4mA，超再生接收電路接收靈敏度為-105dbm。

4.4 設備主控電路使用壽命

主電路使用壽命受到繼電器控制端的影響，目前市場上的24V的5腳繼電器機械耐久性能可達到1×107次，在正常使用的情況下，即使平均一天切換3000次，該設備也可以維持9年左右。

5 結 語

現(xiàn)代交通系統(tǒng)高速發(fā)展的今天，交警的人力指揮耗費人力巨大，效率也不高，更無法得到交通狀態(tài)的實時信息。車流量是交通管理的重要信息[20]，本系統(tǒng)通過GPS模塊與單片機相結合，經過實際調試，能夠實現(xiàn)對交通燈的準確授時和定位的基本功能；利用單片機對SD卡驅動，配合FAT32文件系統(tǒng)及發(fā)射接收部分，實現(xiàn)了對交通燈狀態(tài)數據的存儲和讀取，而且成本較低，從實驗看出有很好的實用性。本信息采集系統(tǒng)不僅可以為相關人員對數據采集時提供便利的條件，還能緩解交通高峰期某區(qū)域的交通壓力。

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（編輯：王 萍）