一种基于传感器监测的交通信号灯在线监测系统论文和设计-张星球

全文摘要

一种基于传感器监测的交通信号灯在线监测系统，它包括用于交通信号灯监测的交通信号灯监测模块，交通信号灯监测模块的输出端与信号调理和处理模块的输入端连接，信号调理和处理模块的输出端分别与报警模块、通信模块连接，通信模块与上位机连接，交通信号灯监测模块包括电流传感器模块以及光照度传感器模块，电流传感器模块用于监测交通信号灯的电流状态，光照度传感器模块用于监测交通信号灯的光线状态。本实用新型的目的是为提供一种能在不影响原有电路的运行情况下快速有效的进行信息提取，还能完成与网络软件的对接，从而实现监测人员在办公室内就能对交通信号灯的工作状态进行实时网络监测的交通信号灯在线监测系统。

主设计要求

1.一种基于传感器监测的交通信号灯在线监测系统，其特征在于：它包括用于交通信号灯监测的交通信号灯监测模块（1），交通信号灯监测模块（1）的输出端与信号调理和处理模块（2）的输入端连接，信号调理和处理模块（2）的输出端分别与报警模块（3）、通信模块（4）连接，通信模块（4）与上位机（5）连接，交通信号灯监测模块（1）包括电流传感器模块（6）以及光照度传感器模块（7），电流传感器模块（6）用于监测交通信号灯的电流状态，光照度传感器模块（7）用于监测交通信号灯的光线状态。

设计方案

2.根据权利要求1所述的一种基于传感器监测的交通信号灯在线监测系统，其特征在于：包括至少1个交通信号灯监测模块（1），若干交通信号灯监测模块（1）与采集模块（8）输入端连接，采集模块（8）包括信号调理和处理模块（2），采集模块（8）的输出端与收发器（9）输入端连接，收发器（9）的输出端与上位机（5）输入端连接。

3.根据权利要求2所述的一种基于传感器监测的交通信号灯在线监测系统，其特征在于：所述收发器（9）与采集模块（8）之间通过无线的方式连接，收发器（9）与上位机（5）之间通过无线的方式连接。

4.根据权利要求3所述的一种基于传感器监测的交通信号灯在线监测系统，其特征在于：所述信号调理和处理模块（2）包括由若干个运算放大器（10）级联组成的放大器电路，放大器电路的输入端与交通信号灯监测模块（1）的输出端连接，放大器电路的输出端与A\/D转换模块的输入端连接。

5.根据权利要求3所述的基于传感器监测的交通信号灯在线监测系统，其特征在于，所述上位机将监测信号在显示器上显示。

6.根据权利要求2所述的基于传感器监测的交通信号灯在线监测系统，其特征在于，所述信号调理和处理模块（2）将监测到的信号进行放大并将放大后的信号以无线的方式传输给收发器（9），收发器（9）再将信号以无线的方式传输给上位机。

设计说明书

技术领域

本实用新型涉及一种监测系统，具体涉及一种基于传感器监测的交通信号灯在线监测系统。

背景技术

伴随着社会进步、国家富强、经济日益增长，人们的出行也丰富多样化，交通信号灯对于人们的正常出行也越来越重要。近年来，交通信号灯极易因环境要素而导致工作故障或设备损坏，且地点远离交通的监管中心，监管人员无法实时的去得知路口交通信号灯的工作状况，继而形成车辆通行拥挤或引起交通事故。因此城市交通对快速高效、稳定性强的交通信号灯在线监测系统的需求极其迫切。

传统的交通信号灯故障监测仍然采用按期指定人员现场巡检的形式，来确定LED交通信号灯是否发生故障，其缺点是信息反馈较慢、监测周期较长、不能立即获得故障报警、实时性较差且监测成本较高。

目前，交通灯的监测也会采用通过观察交叉口中的电子摄像机的工作图形，从而提取信号灯的工作状态，以区分信号灯是否发生故障，其缺点是该方法需要通过图像进行融合，算法较为庞大、及时性较差，在现阶段，并没有在现实生活的路口中普遍应用。

现阶段，较为自动化的监测方式有升压监控、分压监测：

升压监测采用在被测电路中串联连接的升压变压器的形式，经过监测升压变压器的二级的电压情况，来确定电路中电流情况，其缺点是变压器的整体体积偏大，会对电路的布置密度产生极大的干扰。

分压监测的实现方式是通过在被测电路中串联分压器并监测分压元件上电压情况，来确定被测回路中的电流条件，其缺点是功耗偏大，无益于在高温环境下实施。

基于现阶段的对于交通信号灯的监测技术的发展，本系统提出了一种基于传感器监测并利用软硬件结合将监测信息上传至网络以实现远程在线实时监控。它既能在不影响原有电路的运行情况下快速有效的进行信息提取，还能完成与网络软件的对接，从而实现监测人员在办公室内就能对交通信号灯的工作状态进行实时网络监测。

实用新型内容

本实用新型的目的是为提供一种能在不影响原有电路的运行情况下快速有效的进行信息提取，还能完成与网络软件的对接，从而实现监测人员在办公室内就能对交通信号灯的工作状态进行实时网络监测的交通信号灯在线监测系统。

实用新型的目的是这样实现的：

包括至少1个交通信号灯监测模块，若干交通信号灯监测模块与采集模块输入端连接，采集模块包括信号调理和处理模块，采集模块的输出端与收发器输入端连接，收发器的输出端与上位机输入端连接。

上述收发器与采集模块之间通过无线的方式连接，收发器与上位机之间通过无线的方式连接。

上述信号调理和处理模块包括由若干个运算放大器级联组成的放大器电路，放大器电路的输入端与交通信号灯监测模块的输出端连接，放大器电路的输出端与A\/D转换模块的输入端连接。

上述上位机将监测信号在显示器上显示。

信号调理和处理模块将监测到的信号进行放大并将放大后的信号以无线的方式传输给收发器，收发器再将信号以无线的方式传输给上位机。

采用上述技术方案，能带来以下技术效果：

本系统提出了一种基于传感器监测并利用软硬件结合将监测`信息上传至网络以实现远程在线实时监控。它既能在不影响原有电路的运行情况下快速有效的进行信息提取，还能完成与网络软件的对接，从而实现监测人员在办公室内就能对交通信号灯的工作状态进行实时网络监测。

附图说明

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明：

图1是本实用新型的整体结构框图；

图2是图1中增加收发器后的结构框图；

图3是本实用新型中电流传感器监测原理图；

图4是本实用新型中信号调理监测电路图；

图5是本实用新型中ADC输入电路连接原理图；

图6是本实用新型中采样数据处理流程图；

图7是本实用新型中报警模块的电路图；

图8是本实用新型中RS-485转3G通信模块原理图。

具体实施方式

如图1至图8所示，一种基于传感器监测的交通信号灯在线监测系统，它包括用于交通信号灯监测的交通信号灯监测模块1，交通信号灯监测模块1的输出端与信号调理和处理模块2的输入端连接，信号调理和处理模块2的输出端分别与报警模块3、通信模块4 连接，通信模块4与上位机5连接，交通信号灯监测模块1包括电流传感器模块6以及光照度传感器模块7，电流传感器模块6用于监测交通信号灯的电流状态，光照度传感器模块7用于监测交通信号灯的光线状态。

具体的，包括至少1个交通信号灯监测模块1，若干交通信号灯监测模块1与采集模块8输入端连接，采集模块8包括信号调理和处理模块2，采集模块8的输出端与收发器 9输入端连接，收发器9的输出端与上位机5输入端连接。

作为改进的，所述收发器9与采集模块8之间通过无线的方式连接，收发器9与上位机5之间通过无线的方式连接。

所述信号调理和处理模块2包括由若干个运算放大器10级联组成的放大器电路，放大器电路的输入端与交通信号灯监测模块1的输出端连接，放大器电路的输出端与A\/D转换模块的输入端连接。

在工作时，包括以下步骤：

1)通过每个交通信号灯上设置的电流传感器模块6对交通信号灯进行电流状态的监测，通过光照度传感器模块7对交通信号灯进行光照度的监测；

2)在监测出电流异常或光照度异常时，信号调理和处理模块2将监测到的信号进行放大并将放大后的信号传输给A\/D转换模块；

3)A\/D转换模块将转换后的数字信号传输给上位机。

所述上位机将监测信号在显示器上显示。

在步骤2)中，信号调理和处理模块2将监测到的信号进行放大并将放大后的信号以无线的方式传输给收发器9，收发器9再将信号以无线的方式传输给上位机。

具体的，因LED交通信号灯普遍为直流状态工作，驱动电路中的交流电需经ADC整流为直流电，故此利用电流传感器对交通信号灯驱动回路进行监测。

交通信号灯电路的一次侧电流经过电流感器能够将转换为具有一定逻辑关系的二次侧电流，依据这种逻辑关系，二次侧采集的电流信号便可以在一定程度上反映出一次侧电流的情况，从而判断一次侧系统是否正常运行。其工作原理如图3所示。

当K1闭合时，驱动电路中的电流I1经电流传感器，在次级感应出电流I2，系统的输出电压为：

式中，常数N为交流传感器的匝数比(即变比)。匝数不同，则交流传感器的变比不同，通常，变比越大的变压器体积越小。故此，应选择合适的电流互感器来调节输出电阻Rf，以此来达到系统的整体要求。电流测量准确是该电路的特性，其运算放大电路具有很好的抗干扰能力。V0与回路电流I1具有良好的线性关系。它不仅可以监测电路中的电流，还可以确定电流的具体值。

本系统通过光照度传感器对交通信号灯的光照度信号进行采集，来判断LED交通信号灯的光照状态，从而预测其老化情况等其它可预测的故障状态。

从工作原理上讲，光照度传感器是一种采用热电效应原理，最主要是使用了对弱光性有较高反应的探测部件，这些感应原件其实就像相机的感光矩阵一样，内部有绕线电镀式多接点热电堆，其表面涂有高吸收率的黑色涂层，热接点在感应面上，而冷结点则位于机体内，冷热接点产生温差电势。在线性范围内，输出信号与光照度成正比。透过滤光片的可见光照射到进口光敏二极管，光敏二极管根据可见光照度大小转换成电信号，然后电信号会进入传感器的处理器系统，从而输出需要得到的二进制信号。

在信号调理及处理模块中，系统利用信号调理和处理模块对采集到的信号进行处理，工作电路图如图4。

信号调理监测模块是整个方案中实现信号初次处理和传输的的关键环节，即将从主电路中采集的电流信号进行初次处理及传输。为了可以准确的为上位机模块提供可靠电信号，需要将通过变比1000:1的磁传感器采集整流处理后微弱的电流信号进行可靠的滤波、放大，因此可以在电流信号经高精度的采集电阻采集到电压信号之后，接入0.1μF的电容及LM358集成运放，组成采集、滤波、放大的信号调理电路，来取得良好的信号，再将其输入接下来的模块中。

在实践中，集成的运算放大器极易遭到环境等影响，从而导致温度漂移，并且放大后信号严重失真。因此，信号调理和监测电路使用前文中所述的具有良好温度系数的LM358集成运算放大器。能够非常有用的提高系统的抗干扰能力；其具有的良好的温度系数，可以提高交通信号灯在线监测系统的鲁棒性。

信号调理模块由两级运放组成，放大倍数为50倍，使用的方式为反向输入，既能够达到目的，同时可以抑制高频噪声的干扰。对整流电路输出的信号进行检波处理后，通过调整各个参数，便可以得到较好的直流信号。为了消除电源电阻引发的低频自激震荡，在正负电源和地线电路中间分别加上0.01μF的电容进行滤波。考虑到现今对这类信号处理技术的研究已经非常成熟，因此本文不再对每个模块内部太过细节的电路进行详细解释及分析。

AD转换模块采用MSP430F149单片机中的ADC转换模块即可，其原理图如图5。该模块是对整体信号的一个处理模块。在实际应用中，传输函数的斜率的实际值与理想值之间存在差值，此为增益误差；同时失调误差也可能会由于信号处理电路，ADC内部传输电路和电源电压等因素而产生；

故此尽管LM358集成运算放大器极大的提高了系统的监测精度，但是由于其硬件的不可控因素，还是会存在一些增益与偏置误差，为了弥补运放硬件上存在的缺点，本系统将利用自校正算法来补偿系统中存在的两种误差，尽最大的可能来完善集成运算放大器自身的缺点。

系统中，采样的精度也受到AD采样数据波动的影响，利用中位值平均滤波算法可以提升其精度。该算法相当于算术平均滤波法和中位值滤波法的结合，所以拥有它们的优势，能够去除因偶然的脉冲干扰所带来的数据波动差值。系统在20ms内，不间断的进行取样20个信号，去掉最大值以及最小值，然后得出18个数据的算术平均值。经过数据转化后，获得实际电压值。经过实际测试，监测精密度可以达到0.5％以上，完成了交通灯驱动电路电流实时状况的监测。且它能够抑制周期性的干扰，且平滑度高，其采样数据处理流程图如图6所示。

在报警模块中，系统利用现场报警模块来提醒现场的路人使其安全通行，使用蜂鸣器进行报警，当交通信号灯的驱动回路电流超出允许的范围时，系统进行报警。

蜂鸣器的发声控制原理与发光二极管的发声控制原理相似，经过在相应的控制端口输入“0”或“1”来实现。然而，其是使用PNP三极管的导通与断开来完成对蜂鸣器的控制，并且发光二极管经过设计作为了一个指示灯。最后，BELL经过跳线帽衔接到IO口。连接原理图如图7所示。

在通信模块中，系统采用网络通信模块来实现对采集信号的上网传输，将经过整合处理的信号数据通过串口传输给收发器，收发器将采集数据通过3G或4G网络方式传输至上位机软件开发系统，从而进行判断处理。

收发器将采用RS485转3G模块进行通信，RS-485通讯将MAX485作为接口的芯片，MAX485的功能和特征都满足本设计方案的需求，且其内部集成了驱动器与接收器，具有高性能的半双工485通讯接口芯片，其协议符合RS-485通讯标准。且最多同时支持32个器件在总线上进行工作，可使用485总线来执行Mod-bus总线功能，如图8所示。

对于本领域技术人员而言，显然本实用新型不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本实用新型的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本实用新型。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本实用新型的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本实用新型内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

设计图

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