第 1 章 绪论
1.1 论文研究的背景及意义
交通信号灯在维持交通秩序方面有着不可或缺的作用，然而交通灯长期暴露在室外，经常受到恶劣天气影响而出现故障，当前排查故障主要还是依靠人工巡检的方式，这种方式存在故障发现不及时，效率低等问题。此外当前全市的交通灯控制系统没有实现联网，没有实现集中管理，把全市众多分散的交通灯管理起来具有非常大的工作量。
随着中国城市高速发展，道路及相关设施大量改扩建，反复破坏原有信号灯设施，国内的信号机架构多继承于国外的信号机，信号机与灯组之间的连接均为星形结构，每组红绿灯都需要从交通信号机单独敷设一条 4 芯控制电缆[1，2]。控制电缆经常受到破坏，当其中任意一根线路出现短路或者断路，信号灯都不能正常工作。
1.1 论文研究的背景及意义
交通信号灯在维持交通秩序方面有着不可或缺的作用，然而交通灯长期暴露在室外，经常受到恶劣天气影响而出现故障，当前排查故障主要还是依靠人工巡检的方式，这种方式存在故障发现不及时，效率低等问题。此外当前全市的交通灯控制系统没有实现联网，没有实现集中管理，把全市众多分散的交通灯管理起来具有非常大的工作量。
随着中国城市高速发展，道路及相关设施大量改扩建，反复破坏原有信号灯设施，国内的信号机架构多继承于国外的信号机，信号机与灯组之间的连接均为星形结构，每组红绿灯都需要从交通信号机单独敷设一条 4 芯控制电缆[1，2]。控制电缆经常受到破坏，当其中任意一根线路出现短路或者断路，信号灯都不能正常工作。
麻省理工学院的Ashton教授在1999年研究RFID时首次提出物联网（The Internet of things）的概念,由于物联网具有全面感知、智能处理、可靠传递等优点，因此它已经成为当今世界新一轮科技经济发展的战略制高点。随着移动互联网的增速放缓，物联网无疑是当前发展最为火热的行业之一。自物联网概念诞生以来，各大芯片公司、运营商、互联网巨头均大力投入其中。经过多年的发展，随着 NB-IoT、MQTT协议等关键技术的成熟，特别是随着我国 5G 的商用，大大减少了网络延迟，提高了网络容纳终端的个数，真正的万物互联时代已经到来，物联网技术极大的改变了人们的生活方式，正在成为下一个科技浪潮。将物联网技术运用到交通信号灯故障监测上，能够提高信号灯抢修效率，加速智慧城市建设。信号灯物联网技术能够提高信号灯控制系统的可靠性，实现故障自动上传服务器、Web 平台实时监测，能够极大程度上缩短信号灯排查抢修时间，避免交通事故的发生。因此，随着物联网技术的快速发展和应用，对信号灯物联网技术的研究已成为一个重要的课题，它对于减少交通事故的发生，构建智慧城市，提高信号灯维护效率具有重要意义[3，13]。
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交通灯物联网系统指将物联网技术应用用于交通管理体系，从而建立一种全方位发挥作用的实时、准确、高效的交通综合管理和控制系统。在 20 世纪 60 年代末，美国首先开始交通物联网系统方面的研究，随后欧洲、日本等发达地区也相继加入了这一研究行列。经过 30 多年的发展，美国、欧洲、日本已成为世界交通物联网系统研究的三大基地。
到现在为止，物联网仍然处于中国产业链形成的初级阶段，只是停留在前期的概念阶段。没有成熟的技术标准和完善的技术体系，整个行业处于发展阶段。但是在国家的激励下，各省市开始规划物联网，开展物联网示范项目，培育物联网基础技术发展。随着 MQTT 物联网协议的成熟和嵌入式设备功耗降低，我国的交通信号灯故障监测正朝着 Web 实时监测方向发展[14,20]。
交通管理部门在道路交叉路口设置交通信号灯用来保障通行安全和通行效率，通过利用不同的时间段来把冲突的交通车辆进行疏导，同时，还能保障不同方向上行人的安全通行。但信号灯工作在室外环境，经常遭受到暴晒和雨淋等天气的影响以及人为的破坏，从而导致信号灯及其控制系统经常出现故障，如果信号灯出现红绿冲突，这就可能导致非常严重的交通事故，造成不可估量的后果，所以对信号灯故障的检测是保障交通安全的前提。对信号灯进行实时监测能够及时提醒交通管理部门故障出现的位置，并能够为信号灯的维修提供一定的指导，因此，信号灯故障实时检测系统是一种结合物联网的产物，也是未来保障交通安全的趋势[21，25]。
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第 3 章 系统硬件设计 ··································· 11
第 2 章 系统整体设计
2.1 系统整体分析
每个城市都有很多交通路口，在这些交通路口的交通信号灯由于经常受到恶劣天气影响而经常出现损坏，而且随着城市改扩建，交通灯供电线缆也经常出现损坏。当交通灯发生故障时会引发交通混乱甚至引发交通事故，因此对于故障的发现越早越好，但是当前的信号机只能侦测线路是否出现短路，实际情况是线路断路的情况也非常多。当信号机侦测到短路时就降级处理，控制黄灯不停地闪烁。当断路时，信号机正常发出控制信号但信号灯已经不亮了。
当前排查故障的方式主要依靠人工巡检的方式，这种方式存在故障发现不及时，效率低的缺点，而且全市众多的交通灯没有实现联网，把全市众多的交通灯管理起来非常繁琐。
针对这种不足，本文设计了一套基于嵌入式的交通灯物联网系统，该系统实现的主要功能如下：
2.1 系统整体分析
每个城市都有很多交通路口，在这些交通路口的交通信号灯由于经常受到恶劣天气影响而经常出现损坏，而且随着城市改扩建，交通灯供电线缆也经常出现损坏。当交通灯发生故障时会引发交通混乱甚至引发交通事故，因此对于故障的发现越早越好，但是当前的信号机只能侦测线路是否出现短路，实际情况是线路断路的情况也非常多。当信号机侦测到短路时就降级处理，控制黄灯不停地闪烁。当断路时，信号机正常发出控制信号但信号灯已经不亮了。
当前排查故障的方式主要依靠人工巡检的方式，这种方式存在故障发现不及时，效率低的缺点，而且全市众多的交通灯没有实现联网，把全市众多的交通灯管理起来非常繁琐。
针对这种不足，本文设计了一套基于嵌入式的交通灯物联网系统，该系统实现的主要功能如下：
1) 提高信号灯供电传输环节的可靠性。
2) 交通灯运行状态和故障的自动检测，并将这些信息自动上传本地服务器。
3) Web 监控平台将交通灯实时运行状态和故障类型在浏览器页面上展示出来。
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2.2 系统整体结构
本课题设计的基于嵌入式的交通信号灯物联网系统的结构由信号灯控制检测子系统、本地服务器和 pc 终端浏览器组成。其中信号控制检测系统设备又由主机单元、分机单元、信号灯状态检测单元构成。系统整体结构如图 2-1 所示。
信号灯控制检测系统采用分散控制架构，由主机单元、分机单元及信号灯状态采集单元构成。尤其要注意的是本系统的主机单元并非实际路口的信号机，因为该系统目的是提高信号机到信号灯间供电传输线路的可靠性，信号灯的控制信号还是由实际信号机发出，主机单元接收实际信号机发出的信号灯控制信号，将灯控信号通过电力猫加载到电力线上，在供电电缆上传输灯控信号，分机单元对应的另一个电力猫将灯控信号解码出来发送给分机控制器。信号灯状态采集单元将采集到的信号灯状态信号通过串口发送给分机，分机通过电力线将信号灯状态信号发送给主机控制器，主机控制器通过比对信号灯控制时序和信号灯状态信号来判断信号灯是否出现故障。比如，侦测到的信号灯控制时序中红灯此时应该亮，但采集的红灯状态为灭，则判定红灯出现故障。
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2) 交通灯运行状态和故障的自动检测，并将这些信息自动上传本地服务器。
3) Web 监控平台将交通灯实时运行状态和故障类型在浏览器页面上展示出来。
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2.2 系统整体结构
本课题设计的基于嵌入式的交通信号灯物联网系统的结构由信号灯控制检测子系统、本地服务器和 pc 终端浏览器组成。其中信号控制检测系统设备又由主机单元、分机单元、信号灯状态检测单元构成。系统整体结构如图 2-1 所示。
信号灯控制检测系统采用分散控制架构，由主机单元、分机单元及信号灯状态采集单元构成。尤其要注意的是本系统的主机单元并非实际路口的信号机，因为该系统目的是提高信号机到信号灯间供电传输线路的可靠性，信号灯的控制信号还是由实际信号机发出，主机单元接收实际信号机发出的信号灯控制信号，将灯控信号通过电力猫加载到电力线上，在供电电缆上传输灯控信号，分机单元对应的另一个电力猫将灯控信号解码出来发送给分机控制器。信号灯状态采集单元将采集到的信号灯状态信号通过串口发送给分机，分机通过电力线将信号灯状态信号发送给主机控制器，主机控制器通过比对信号灯控制时序和信号灯状态信号来判断信号灯是否出现故障。比如，侦测到的信号灯控制时序中红灯此时应该亮，但采集的红灯状态为灭，则判定红灯出现故障。
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3.1 直流输电总线方案设计 ······························ 11
3.2 系统硬件结构 ····································· 12
3.3 主机单元硬件设计 ························· 14
第 4 章 系统软件设计 ························· 25
4.1 软件总体设计 ····························· 25
4.2 开发板嵌入式系统软件设计 ························· 25
第 5 章 系统展示与结果分析 ····························· 39
5.1 系统硬件测试 ·································· 39
5.2 Web 监控平台界面展示 ······················· 40
第 5 章 系统展示与结果分析
5.1 系统硬件测试
该信号灯物联网控制检测系统的硬件结构比较复杂，该系统利用电力线载波技术，在电力线上传输信号灯控制信号，能够提高信号灯供电传输环节的可靠性。即使连接信号灯的供电电缆中的部分线路出现短路或者断路，信号灯仍能正常工作，为了验证系统性能，人为的关断部分供电电缆的开关，将供电电缆的直流供电线和地线短接（图中箭头标记为短路线），信号灯也不受影响（如图 5-1 所示）。因此证明了该信号灯供电控制系统确实能减少信号灯故障的发生。同时在本地服务器开启订阅服务，订阅窗口就可以收到信号灯控制检测子系统发布的报文消息（如图 5-2）。
5.1 系统硬件测试
该信号灯物联网控制检测系统的硬件结构比较复杂，该系统利用电力线载波技术，在电力线上传输信号灯控制信号，能够提高信号灯供电传输环节的可靠性。即使连接信号灯的供电电缆中的部分线路出现短路或者断路，信号灯仍能正常工作，为了验证系统性能，人为的关断部分供电电缆的开关，将供电电缆的直流供电线和地线短接（图中箭头标记为短路线），信号灯也不受影响（如图 5-1 所示）。因此证明了该信号灯供电控制系统确实能减少信号灯故障的发生。同时在本地服务器开启订阅服务，订阅窗口就可以收到信号灯控制检测子系统发布的报文消息（如图 5-2）。
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结论本文围绕现有交通灯控制架构容易出现故障、交通信号灯依靠人工巡检效率低、交通灯没有实现联网的不足，参考了大量相关资料并结合实验室现有条件进行了如下研究和开发：
1）搭建了模拟实际路口的交通灯控制检测系统，该系统改变传统的 4 芯线控制架构（三根火线的通断分别控制三个灯的亮灭，共用一根零线），应用电力线载波技术，采用直流总线隔离传输方式，在传输电力线上传输信号灯控制信号，组成了 2+2线控制架构，当部分线路断路或者短路时系统仍能正常工作，提高了信号灯供电传输环节的可靠性，验证了该方案的可行性。
该控制检测系统设计了信号灯状态采集单元，该单元通过光纤接收器检测信号灯的亮灭状态并输出高低电平信号，光纤接收器的输出端连接单片机的 GPIO 口，单片机将信号灯的状态信息通过串口发送给分机单元，分机单元通过电力线载波的方式将信号灯状态信息发送给主机单元，主机单元将接收到的信号灯控制时序和运行状态进行比对从而判断信号灯是否出现故障。同时，主机单元作为网关将信号灯状态故障信息封装成自定义的控制报文通过网线发送到本地服务器。为了节省网络资源，提高通信的可靠性，网关和本地服务器采用 MQTT 通信协议。
2）搭建了本地服务器和开发了 Web 监控平台。本地服务器上部署了代理、订阅客户端、数据库、Web 监控平台。代理接收信号灯状态故障信息并发布给 MQTT 客户端，客户端将这些信息保存到数据库中，Web 监控平台从数据库中读取这些信息并展示在交通信号灯监控管理系统中，信号灯维护人员通过浏览器访问该系统网站就可以查看信号灯实时状态信息和故障信息。
3）对嵌入式信号灯物联网系统进行了一系列的测试和结果展示，包括系统硬件测试和信号灯监控平台展示。其中，硬件测试主要是对信号灯控制检测系统进行断路和短路测试，实验结果表明该系统确实能提高信号灯供电传输环节的可靠性。监控平台的功能展示包括：信号灯实时状态信息、地图查看、故障查询、操作日志功能模块。
参考文献（略）
参考文献（略）