基于LabVIEW的交通信号灯工作状态智能监测系统研究

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　　摘  要： 针对传统交通信号灯人工监测方式信息反馈较慢、监测周期较长以及自动化监测成本较高、影响原有电路等问题，设计一种基于传感器和LabVIEW上位机开发系统的新型交通信号灯智能监测系统。该系统采用电流传感器与光敏传感器组成的双重监测电路，利用“或”门进行逻辑判断，降低了系统误判率;通过采用霍尔元件及光敏传感器实现了在不改变原电路的情况下可以采集到交通灯的实时工作数据，使系统的安装使用便捷;并减少了故障从发生到解决的时间，提高了监测系统的时效性;基于LabVIEW开发了上位机信息化系统，并设计了信息化流程。经测试，对比传统监测方式时效性差和误报率高的缺点，该系统具有可在10 ms内报警故障的高时效性以及低至0.5%的低误判率的特点，并实现了不改变原有电路的低成本远程信息化智能监测，符合市场的需求。
　　关键词： 交通信号灯; 智能监测; LabVIEW; 系统设计; 故障判断; 系统测试
　　Abstract： As the traditional traffic lights manual monitoring method has slow message feedback， long monitoring period and high automation monitoring cost， which affects the original circuit， a new intelligent traffic lights monitoring system based on sensor and LabVIEW PC development system is designed. In the system， a dual monitoring circuit composed of the current sensor and the photosensitive sensor is applied， and the "or" gate is used to make logical judgments to decrease the misjudgment rate of the system. The real?time working data of traffic lights can be collected without changing the original circuit by means of the Hall element and photosensitive sensor， which makes the installation and use of the system convenient， reduces the time from failure to resolution of faults， and improves the timeliness of the monitoring system. Based on LabVIEW， the upper computer information system is developed and the information process is designed. After testing， in comparison with the shortcomings poor timeliness and high false positive rate in the traditional monitoring method， the system has the characteristics of high timeliness for faults within 10ms and low false alarm rates as low as 0.5%. It realizes the low?cost remote information intelligent monitoring without changing the original circuit， in line with the market demand.
　　Keywords： traffic lights; intelligent monitoring; LabVIEW; system design; failure predication; system testing
　　0  引  言
　　在飞速发展的现代化城市建设中，交通信号灯是其实施交通管制的基础手段，交通信号灯运行的可靠性关乎城市的交通状态及交通管理水平的优劣[1]。交通信号灯普遍安装于开放式工作环境中，因机内电子元器件及其所构成的各功能电路模块受极限温湿度、异常供电电压和电流、LED灯内器件的日常损耗以及自身寿命的影响而导致交通信号灯工作故障或设备损坏。传统的人力监测方式信息反馈较慢、监测周期较长且成本较高[2]。文献[3]中提到现在常见的监测技术有光反馈监测、分压监测和电流互感监测等。文献[4]中表示单一的光反馈监控是基于光信号和交通信号灯的状态来确定红绿灯的当前操作，但实际中它容易受到环境干扰，并限制了监测的稳定性。文献[5]中讲解了分压监测是通过在被测电路中串联分压器并监测分压元件上电压的情况，来确定被测回路中的电流情况。但是它功耗偏大，不利于野外工作。文献[6]中介绍了互感器测量电流的方法，利用其对交通灯进行监测，会对交通灯中原有电路的绕线形式造成改变，从而对交通灯的性能造成一定的影响。与此同时，针对信号灯老旧等因素而引起的光照强度降低，从而影响路人观察等一系列问题，传统单一的监测电流或电压方式无法进行故障判断并报警。
　　基于这些原因，本系统设计了一种基于光敏传感器[7?8]和霍尔电流传感器[9]的双重监测电路，采用图形化编程环境LabVIEW[10?14]开发该监测系统的上位机软件，并利用LabVIEW开发测控软件时所具有的高效直观等特点来生成实时“时间?电流”“时间?光照强度”二维坐标监测曲线，以此来分析信号灯的故障状态。同时，通过LabVIEW远程信息化服务器实现远程信息化监测与管理，该监测方式具有时效性高、误报率低及稳定性强等特点，具有很好的发展前景[15?16]。 　　1  系统总体结构
　　本系统主要包括电流和光照强度检测电路、主控制电路、液晶显示电路、4G通信模块、上位机开发系统以及监控终端组成，其结构如图1所示。
　　交通信号灯的控制电流及光照强度由系统分配的电流及光照度传感器分别监测，采集到的信息经由采集模块进行数据处理，通过串口传输给收发器。收发器将采集的数据通过网络方式传输至LabVIEW上位机软件开发系统，进行故障分析。然后通过液晶显示电路生成实时的“时间?电流”“时间?光照强度”的二维坐标系画图监测曲线，这些信息都会通过4G通信模块传回监控中心。同时，如信号灯出现故障，会将故障信息及信号灯编号在软件系统中输出，并联系维修人员进行维修。生成的监测曲线可短时间内存储在系统当中，以供后期查看故障信息。
　　设计以霍尔电流传感器和光敏传感器为基础的监测电路，对交通信号灯进行双重监测，利用“或”门进行逻辑判断，提高了监测的可靠性。通过对信号灯多个周期内的电流信号与阈值进行比较，以及光照强度的信号幅值变化两个方面来分析信号灯的故障，相比于传统单一的监测方式，不仅能在较短的时间内分析信号灯的故障，而且降低了监测系统的误判率[1]。
　　2  硬件电路设计
　　2.1  主控制电路
　　根据资源需求以及成本选用STM32F103C8T6型单片机作为控制终端，其内嵌有64 KB FLASH储存器和20 KB的RAM，通用I/O口个数为37个。64 KB的FLASH用于存放源程序以及与上位机软件开发系统通信的ASCII码。20 KB的RAM用于状态储存。37个I/O用于外接监测电路、液晶显示电路以及蓝牙模块[17]。主控制电路的电路简化图如图2所示。
　　系统供电电源来自电池供电，经WRE1212S?3WR2型DC/DC电源模块转换成±12 V供电流传感器用。12 V电压经过三端稳压芯片LM7805稳压输出5 V为STM32F103C8T6型单片机供电。供电部分的电路图如图3所示。
　　2.2  电流监测电路
　　电流检测电路的主要构成成分是如图4所示的霍尔电流传感器。该传感器原边电流Ip在聚磁环处所产生的磁场通过一个次级线圈电流所产生的磁场进行补偿，其补偿电流Is能精确地反映原边电流Ip，从而使霍尔器件处于检测零磁通的工作状态。被测电流Ip的任何变化都会破坏磁平衡，一旦磁场失去平衡，霍尔器件就有信号输出。经功率放大后，立即就有相应的电流流过次级绕组以对失衡的磁场进行补偿。从磁场失衡到再次平衡，所需的时间理论上不到1 μs，这是一个动态平衡的过程。因此，从宏观上看，次级的补偿电流在任何时间都与初级被测电流的大小相等。通过这种方式，可以在不改变交通灯中原有电路的情况下，对交通信号灯中流过的电流进行实时监测，然后通过与正常阈值进行比较，判断交通信号灯的工作状态[18]。
　　2.3  光照强度监测电路
　　GY?39是一款低成本的光照强度传感器模块。工作电压为3～5 V，功耗小，安装方便。其工作方式是MCU收集传感器数据，统一处理，直接输出计算后的结果。此模块有两种方式读取数据，即串口UART（TTL电平）或者I2C（2线）。串口的波特率有9 600 b/s与115 200 b/s，可配置，有连续、询问输出两种方式，可掉电保存设置。可适应不同的工作环境，与单片机及电脑连接。模块另外可以设置单独传感器芯片工作模式，作為简单传感器模块，MCU不参与数据处理工作。其测量范围为0.045～188 000 Lux，测量精度高达±3%，满足系统需求。GY?39传感器如图5所示。
　　通过这种方式，可以快速提取到交通信号灯的实时光照强度，并将其数据上传至LabVIEW上位机系统进行实时分析，通过与实地情况及用户设定的要求阈值进行比较，来判断交通信号灯的工作状态[19]。
　　3  检测算法
　　3.1  电流检测算法
　　传统的电流检测方法，在检测电流之前，为了保证测量电流的准确性都要进行整流和滤波的过程，但这些过程纷繁复杂，会大大降低检测的速度，从而难以满足故障检测的实时性。
　　基于这些问题，本系统使用STM32F103RCT6单片机结合LabVIEW上位机处理数据的方式，通过A/D采样对交通信号灯的电压数据进行采集，利用LabVIEW上位机对每采集到10次电压数据求一次平均值，通过求平均值的方式使得数据更具有代表性，并在一定程度上减小监测误差，提高系统时效性。
　　因使用12位ADC进行采样，其最大值为4 096，而电压最大值为3.3 V，所以根据公式：电压值=（采集到的电压数[据4 096]）×3.3 V，可以计算得出正确的电压值。然后根据欧姆定律求得电流值，将其输出到OLED屏上并且通过串口将数据传输到上位机。
　　通过上述公式的计算可得到电流的模拟值，电流模拟阈值通过对实际运行时，正常工作状态下的电流范围进行分析，并在设定精确度后由用户进行设定，提高系统的多样性和自主性。
　　然后通过获得的电流模拟值与电流模拟阈值进行比较，检测出交通灯中的电流值是否正常。这种通过上位机软件编程的电流检测算法不仅操作简便，而且检测速度快，即时性强。
　　3.2  光照强度检测算法
　　系统使用的是GY?39传感器模块对光照强度进行采集，并通过串口将采集到的数据发送至单片机。根据模块输出数据帧格式的定义，可以计算出其监测的光照强度数据（Byte4～Byte7）。
　　在光照强度数据的获取中，由于有环境等因素的影响，导致获取到的数据可能会出现很大的偏差，因此，系统采用了中位值滤波算法[20?21]对数据进行处理，处理后的数据再经过串口发送的上位机，可以实现上位机的数据基本稳定。其与光照强度模拟阈值的比较过程与电流检测相似，在此不做赘述。 　　4  系统软件设计
　　4.1  上位机软件监测程序设计
　　本系统是基于LabVIEW编程来开发上位机监测系统，其编程可视化强，画面简洁。上位机系统的具体工作流程如图6所示，可以实现实时接收、监测、处理及储存数据，达到交通信号灯实时故障监测的目的。
　　其次LabVIEW的编程可分为5大模块，分别为获取数据模块、读取数据模块、处理数据模块、显示数据并报警模块、存储数据模块。
　　1） 获取数据程序设计：系统在PC上安装VISA驱动使之与电脑的通信接口产生联系，调用程序语句配置串口参数来获取串口数据，之后将接收到的串口数据的数值传递到下一级函数。
　　2） 读取数据程序：将上一级获取的数据放在VISA读取函数的缓冲区内，每5 ms读取一次缓冲区中的字符串数据。将字符串数据转化为十进制动态数据，传递到下一级程序。
　　3） 处理数据程序设计：通过两个判断语句把上一级传递过来的数据按它们的类别分为4组，且4组数据处理方式完全相同。将传递的函数还原为实际值并分两路运行：一路强制类型转换为字符串数据，通过字符串的拼接把数据的值显示在前面板的数据栏中;另一路则直接传递给下一级程序。
　　4） 显示数据并报警程序设计：将傳递的数据与当前时间构成一对函数关系并将其送入到波形图中，进行显示。利用此方法将数据和正常上下限值显示在波形图中并利用“或”门进行故障的逻辑判断及分析比较，根据布尔型数据的数值来判断此时目标红绿灯是否出现故障，如果出现故障，则会对产生的故障进行报警提示。
　　5） 存储数据程序设计：将传递的数据变为动态数据后输入到Excel中以便将实时数据进行保存。为了方便观察数据，将数据转化为字符串数据并将其合并成数组后输出到表格中，使其显示于前面板后台上。
　　4.2  系统显示界面
　　如图7所示为监测系统界面显示，有三种观测模式，分别为实时波形变化见图7a），实时数据统计表见图7b），故障分析参考表见图7c）。
　　在实时波形变化图7a）中，可以直接观测到两种参数的变化情况，但不方便观测具体数值。在实时数据统计表图7b）中，可以清晰地查看任意时刻信号灯中电流和光照强度的具体历史或实时数据，既可以直观地查看实时数据又保障了数据的备份，方便日后进行回顾。在故障分析参考表图7c）中，可以直接有效地观测到何时何处发生了何种故障，省去了观察实时数据的步骤，方便工作人员直接了解到故障情况。
　　5  模拟试验测试
　　5.1  模拟显示测试
　　本系统是依据电流传感器和光照度传感器以及上位机所组成的监测系统对交通信号灯的实时工作状态进行故障判断。为了验证设计系统的合理性和可行性，首先对整个系统进行了实际搭建与测试。本上位机开发系统是通过LabVIEW的编程来实现的，运行已搭建完成的监测系统，得到上位机系统中显示的双重检测实时波形图如图8所示。该波形包含光照强度波形和电流波形两个部分，其中绿色的波形为绿灯工作时的光照强度和电流实时波形，而红色的波形为红灯工作时的光照强度和电流实时波形。通过将两种颜色灯的工作光照强度幅值和电流幅值分别与其正常的光照强度阈值和电流阈值进行实时比较，并利用“或”门进行逻辑分析，从而判断两种颜色的信号灯是否正常工作。
　　5.2  模拟故障测试
　　为了验证监测系统的报警可行性与误报率低的特点，在实验室中进行了模拟故障测试试验，分别采用随机增大或减小0.15 A范围内的电流200次来模拟电流故障情况，并以100 Lux的改变量级为标准范围随机调节。分别采用遮盖信号灯以减小信号灯光照强度200次及增大输出功率来增大信号灯光照强度200次的方式来模拟光照强度故障情形，并通过上位机模拟计时器的方式进行报警时间计算。该系统经过模拟测试分析，搭建的系统能够稳定正确地输出光照强度和电流信号，当改变交通信号灯工作电路的电流或信号灯的光照强度时，主面板上的波形会发生明显的动态变化。故障分析情况如表1所示。
　　由表1可知，电流及光照强度故障分别设置400次，电流故障误判率可低至0.25%，光照强度故障误判率低至为0.5%，其低误判率满足市场需求。同时，在故障实验时对系统的报警反应时间进行测试，其报警平均时间均保持在10 ms内，保证其反应时效性。
　　6  结  语
　　本文提出的基于LabVIEW的交通信号灯新型监测系统在技术性、智能化和性价比方面有很大的提高，一方面是因为传统的监测更多的是人工监测不够智能化;另一方面现有的智能监测系统单一的监测方式使系统稳定性差、误报率高，而本方案设计了基于一种双重传感器的监测方式以及LabVIEW开发上位机信息化系统的三种观测模式。经模拟实验的测试结果表明，在硬件设计不影响原有电路的优势下，该监测系统具有时效性强、可靠性高、误判率低等特点，可为正在兴起的智慧城市建设提供良好的公共设施建设借鉴基础。
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