基于wife信号的交通灯信号控制方法及系统

摘 要：随着我国的电子设计与计算机技术迅速发展，交通灯信号控制器作为交通部门管理交通的重要工具，也正朝着智能化的方向发展。自从交通灯的诞生以来，交通灯的设计方法及其内部的电路控制系统就在不断地被改进，被更新。于是一种基于wife信号的交通灯信号控制方法及系统便横空出世，为交通管理技术上来发了一片新天地。通过该交通信号控制系统，可借助于无线网络进行双向通信，从而使监控中心可以遥控和监控交通灯的运行，同时可以达到远程开发和修改运行方案的目标，为城市交通系统做出重要的贡献。本文主要从目前的交通信号控制器在设计上出现的主要问题出发，阐述了基于单片机、PLC、VHDL的交通灯信号控制器设计方式优缺点，从而引出基于wife信号的交通灯信号控制方法及系统，详细描述了该交通灯信号控制系统的具体实施方式以及步骤，从而为今后改进交通灯信号控制器产生积极的意义。

关键词：wife信号；交通灯信号控制；实施方式

中图分类号：U491 文献标识码：A 文章编号：1674-7712 （2013） 20-0000-02

在发展愈来愈迅速的21世纪，城市的车流量增加速度也越来越快，给人们出行及城市交通造成了很大的困扰。尤其是在十字路口的交通上，车辆拥堵严重，交通事故频频发生，严重威胁到人们的日常生活以及生命安全，间接阻碍了城市的经济发展。交通信号控制系统虽说已经在我国发展了几十年，可是作为一种交通控制系统，在疏导车辆、提高道路导通能力方面却总是会出现这样或那样的问题，就像现今的交通灯信号控制器不够智能化，控制不了日益增长的车流量，又或者是交通灯信号控制器的功能太少，无法获得全面的车流量、拥挤程度等实时信息。因此，最为重要的事情是正确选择交通信号只会控制系统，加快提高交通灯信号控制器的智能化程度，为改善城市交通拥挤、违章超速等现象做出一份贡献。

基于wife信号的交通灯信号控制方法及系统主要包括监控中心计算机和交通灯控制器。所谓的监控中心计算机，是用于在该计算机上安装交通灯运行方案开发软件和交通灯监控空软件[1]。所谓的交通灯控制器，就是能够根据交通路口现场情况对路灯进行详细部署，并采用图形化界面形式对交通灯运行方案进行有效开发且仿真运行；同时还能将开发的交通灯运行方案转化为交通灯控制器可识别的数据文件。

一、交通灯信号控制器设计的主要问题

（一）交通灯信号控制器的功能不足

如今人们的生活节奏越来越快，这直接促使了城市的交通量会时常在某个高峰期陡然增加，人们在上下班的时候，节假日出去旅游的时候，城市交通是必然会出现严重的拥堵现象的。在这种时候，交通灯就形同虚设，起不了任何作用。只能依靠交警与大众进行人为的疏导沟通，可毕竟人力有限，因此交通事故还是难以避免。通常情况下，交通灯都具有计时功能、动态扫描以及现场状态切换等几种基本功能，表面上看似完成了控制和疏导道路交通的功能，实则我们却发现，在设计交通灯信号控制器的过程中，设计人员并没有考虑到在出现交通拥堵或者是交通事故的情况下，如何让交通灯实现利用交通灯的信号控制器来达到治拥治堵的目的[2]。同时，许多的交通灯信号控制器是无法与其他计算机设计进行连接，实现数据的传输与复制的，只因为控制器的通信传输数据功能较差。

（二）交通灯信号控制器缺乏统一的设计标准

长久以来，交通灯信号控制器一直缺乏统一的设计标准。这是因为交通灯信号控制器的电路设计方式以及信号控制器的硬件结构描述方式多种多样，其中电路设计方式包括随机电路、异步电路和同步电路等，而硬件结构的描述方式只包括结构描述、行为描述和寄存器传输描述这三种。如此丰富多样的设计方式与描述方式虽说会给交通信号控制设计带来一定的方便与简易性，但是依然避免不了不同的设计程序和描述语言难以进行互通的局面，使得交通灯信号控制器的设计标准摇摆不定，难以覆盖全面，这是十分不利于交通灯信号控制器的长远发展的。

（三）交通灯信号控制器的智能化程度不够

在现今的红绿灯交通信号系统中，为防止交通过于拥挤，信号控制器需要交通警察去手动控制，以配合交通高峰时段运输能力的需要。而在这种时刻，路况的信号是复杂多变的，信号控制器得对交通灯的运行状况实行24小时监控，并且让交通警察通过操作开关，实现外部输入，以达到对交通灯信号系统的正常运行的全程控制。可显而易见，这种人为的手动操作的效率是十分低下的，一旦出现了道路交通事故、严重堵车，甚至是120、119紧急车辆需通行的情况，只怕手动操作是对正常的道路交通运输起不了任何作用，甚至会忙中出错。另一方面，24小时的交通灯监控是要耗费大量的人力成本的。不仅如此，交通灯信号控制器还不能及时更改已有信号控制程序。并且，绝大部分的交通信号控制器不能实现数据的快速传输与复制，这也是交通灯信号控制系统智能化程度不够的一种体现。

二、基于单片机、PLC、VHDL的交通灯信号控制器设计方式优缺点

（一）基于单片机的交通灯信号控制器设计的优缺点

利用单片机进行交通灯信号控制器的设计可以通过众多的嵌入式控制，应用控制系统实现对交通灯信号控制器设计功能的要求。例如能在单机片上设计相应的串口电路和通讯接口电路。通过在单机片上设计串口电路可以实现向控制中心发送交通灯的故障信号的要求，从而对交通灯进行故障检测。另一方面，单机片的体积非常小，价格也比较低。同时能迅速进行数据处理运算，性价比较高。为完成对交通灯亮灭时间以及运行状态的一些操作，只要通过的程序方式设计来控制各种不同的输入输出信号就可达到目的。最后，单片机有着低耗能的优点。单片机在控制定时器运行时，能通过定时器终端的方式来向CPU及时发送有效信息，从而快速地降低系统的能耗，因此单片机可以实现在低电压的环境中运行。总之，单片机的系统结构简易不复杂，设计快捷方便，还能实现模块化操作[3]。

但是利用单片机设计交通灯信号控制器也存在着许多问题，要想实现基于单片机的交通灯信号控制器的功能设计，就得将大量的I/O接口电路以及其它的硬件设施接入交通灯，从而不断增加整个信号控制器的系统电气接线以及开关接点的数量，这对交通灯信号系统的故障检修和日常维护是十分不利的。另一方面，基于单片机的交通灯信号控制系统难以承受较为复杂的控制环境，在抗干扰能力上具有一定的局限性。

（二）基于PLC的交通灯信号控制器设计的优缺点

利用PLC进行交通灯信号控制器的设计最大的缺点就是成本太高，很难在社会上大面积的推广应用。但是在接线逻辑上，PLC一改前风，用存储逻辑替代了单片机的接线逻辑，很大程度上控制了信号控制器外部设备的接线，直接将编写好的程序存储到PLC当中，接着利用其内部存储的信息系统来完成逻辑运算、计数以及定时等操作执行。另一方面，PLC本身就具有通讯互联网功能。可以在运用局限网的基础上，根据监测各个路口之间的距离、车流量及车速得来的数据，对各个路口信号灯的时差来进行准确合理的调节；并且还可以同时对同一条通道上的所有交通灯进行调度管理，这样可以缩短车辆通行等候所耗费的时间。再者，PLC的内部安有实时时钟，当通行道路上无人管理时，也可通过编程控制来管理交通灯，从而更进一步地提高了交通控制系统的运作效率。总之，基于PLC的交通灯信号控制器设计很容易进行改造，系统的设计建造工作量又小，因而在系统维护方面比较便捷。

（三）基于VHDL的交通灯信号控制器设计的优缺点

利用VHDL进行交通灯信号控制器的设计最主要的缺点就是设计工程师需要确切的VHDL建模的控制综合结果与VHDL之间的准确关系，并根据不同的设计要求来设计外部电路，最终确定综合算法，以便交通信号控制器的正常运作。这显然比较偏激，然而基于VHDL的交通灯信号控制器设计却可以整合信号控制器的各个模块的电路设计，并且支持多种硬件描述语言，多层次运行交通灯信号控制系统的状态运作模块、倒计时模块等，同时进行大规模的分解以及再次运用。由于VHDL能支持多种描述语言，且它的源代码也可以被不同的程序工具所支持，因此可以完全移植设计出来的编码，以便成果为大家复用与共享。在开始对交通灯信号控制器设计时，可以利用VHDL丰富的仿真语句和函数库检查与测验设计系统的可行性，在很大程度上提高了设计成功率。

三、基于wife信号的交通灯信号控制方法及系统

目前存在的联网通信的交通灯控制系统，大部分或以有线为主，或以无线信号为主，但是采用有线方式的会存在铺设线路的系统实施难题，采用无线的又存在着一个信号覆盖多大面积的问题。利用wife信号进行交通灯信号控制器的设计是在避免上述现有技术的不足之处的实际基础上，而提出的一种采用专用无线网络，用于交通灯联网控制的信号控制方法与系统。它主要包括交通灯的运行方案设计、下发和运行，能随时掌握交通灯的运行方案和实时运行状态。

（一）基于wife信号的交通灯信号控制系统的具体实施方式

该交通灯信号控制系统包括一个监控中心计算机，用于安装交通灯运行方案的开发软件和交通灯监控软件；安装交通灯运行方案开发软件，用于交通灯运行方案的开发、校验、仿真、部署和运作；安装交通灯监控软件，用于对各个路口的交通灯运行方案进行查询与监控，并接收交通灯的故障警铃；在每个交通灯路口都安装交通灯控制器，每个控制器包括一个核心控制板，用于运行交通灯方案；一wife模块，用于将交通灯控制器与internet有效连接，进一步与监控中心的计算机进行实时数据通信；一数据检测电路，在通过wife模块而接收到信息后，用于对信息进行判断与分析；一交通灯控制电路，用于开启交通灯的使用并同时检测交通灯的存在故障；人机界面，用于显示交通灯运行方案并加以调试[4]。

（1）在每个交通路口都设置相应的交通灯控制器，每个控制器都含有一个wife模块，通过这个 wife模块，使得交通灯控制器和监控衷心的计算机网络组成局域网络，并进行数据通信。

（2）每个交通灯控制器包括：核心控制板、wife模块、数据检测电路、控制电路以及人机界面。核心控制板的主核心控制器是ARM7处理器，负责程序的运行；wife模块负责连接internet；人机界面，主要由触摸显示屏和按键构成。触摸显示屏是由能够显示出红、率、黄灯的彩色液晶屏组成，为工作人员调试提供了极大的方便。

（3）在wife模块与核心控制板之间，采用串口进行连接，在核心控制板处理交通灯运行方案数据以及故障信息之后，通过串口发送到wife通信模块。Wife通信模块有个固定的IP地址，并通过局域网，把运行方案数据和故障信息返回监控中心。

（4）数据检测电路包括：地址的设定单元，用于交通灯控制器的地址值设定；地址值比较单元，用于判断判断地址数据是否与设定的一致；指令分析单元，用于对接收到的指令进行分析，以便及时切换运行方案；运行方案存储单元，用于存储计算机下发的运行方案信息。

（二）基于wife信号的交通灯信号控制方法步骤

在该交通灯信号控制系统中，是将设置在各个交通灯路口的交通灯控制器通过wife模块和监控中心而建立起双向通信连接，以进行数据交换，从而控制交通灯信号[5]。该交通灯信号控制方法的具体步骤主要包括：

（1）交通灯控制器设定并存储地址信号与密码。

（2）监控中心将现场监控所获得信息向交通灯传递，交通灯控制器便可接收到监控中心所开发并仿真运行的全新交通灯运行方案，以及交通灯控制器的地址信号和密码等信息。

（3）在收到接收信号后，交通灯控制器可对监控中心开发并经其仿真运行的全新交通运行方案进行判断，选择是否远程接收。

（4）当交通灯控制器从监控中心接收的地址信号和密码与交通灯控制器先前所存储的地址信号和密码是相同的，则会对监控中心下发的全新交通灯运行方案进行立即接收；若不一致，则会拒绝接收下发的运行方案。

（5）在交通灯控制器对监控中心下发的运行指令接收完毕后，根据所接收的指令即刻运行指定的交通灯运行方案。

（6）交通灯控制器执行完指令后，会将交通灯的实时运行状况信息发送给监控中心，同时检测交通灯是否存有故障，如若存在故障，则立即向监控中心发送紧急信息。

四、结语

在如今城市化生活的日益推进，交通问题得到广大群众的高度关注，因此对交通灯信号控制器的设计要求也就越来越高。基于wife信号的交通灯信号控制方法及系统是属于无线交通信号的远程控制系统，能根据周边不同的路况信息进行实时记录及查询，智能化水平较高，能有效地降低交通拥堵情况的发生，改善社会交通状况，值得进一步推广与应用。

参考文献：

[1]秦大伟，刘伟强.基于wife的交通灯顺序控制系统的程序设计与实现[D].长安大学，2012（2）：70-71.

[2]禹理翔，王丽萍.城市交叉路通灯控制系统的设计研究[D].长安大学，2011（2）：60-62.

[3]徐万明，黄鹏日.交通灯信号控制器以及控制系统的设计深入研究[J].硅谷，2013（2）：80-81.

[4]董红召，凌非越，张语珏.主辅灯信号系统的辅灯信号控制方法的研究[J].科技通报，2012，28（7）：90-94.

[5]常晓洁，江肖强.基于WIFI无线区域定位的精确度影响因子研究[J].通信技术，2013（6）：62-65.

[作者简介]张任翔，西安外事学院，研究方向：电子信息工程。