基于PLC和GPRS技術的交通信號燈遠程監控系統

田海，李雅妮，肖鵬

（內蒙古科技大學 信息工程學院，內蒙古 包頭 014010）

1 引言

交通信號燈的控制是城市道路和交通管理體系的一個重要組成部分。它對城市發展和經濟建設有著重要的關系。要想從根本上解決這個問題，除了要大力加大城市道路的建設，建立健全的交通管理體系等，更重要的是設計出一套對交通信號燈智能控制的系統，還要建立起監控中心站，對交通信號燈隨時隨地的遠程監控和無線通訊，對突發的事件可以及時采取措施，合理地緩解交通擁堵的問題，平衡交通流量。

近些年來，我國大多數城市都采用傳統的控制方法，它是通過對兩個方向的紅綠燈流量進行統計，再把兩個方向的延時事先設定好的方法，但是一個路口的實際車流量是隨機的、模糊的變量，不能用精確的數學模型來表達。這就需要把模糊控制的理論運用到PLC中，便于合理地解決紅綠燈延時時間不足的問題，為了更好地及時解決交通滯留及突發事件的發生，我們采用了GPRS無線通訊技術在交通指揮中心站已組態好的畫面中對交通信號燈進行遠程無線監控，必要時可以采取緊急的強制措施來滿足交通控制需求。

2 監控系統的總體方案設計

2.1 遠程監控系統的原理

交通信號燈遠程監控系統有監控終端站和監控中心主站組成，系統的結構圖如圖1所示。由于交通需求量的不確定性和隨機性，我們把模糊控制的思想運用到監控終端站的PLC中去，監控終端站將交通燈及車輛傳感器采集的信號通過自身配置的無線通訊模塊 MD720－3發送到GPRS網絡上，再通過GPRS網絡將實時數據發送到公網Internet上，Internet公網通過防火墻的設備連接到交警指揮中心的內部局域網，這時監控中心站的計算機通過安裝SINAUT MICRO SC和WINCC通訊管理軟件就可以訪問到實時數據［1］。

圖1 交通路口信號燈無線智能監控系統結構圖Fig.1 Structure block diagram of wireless and intelligentized monitoring system for traffic lights

2.2 監控終端站的設計

我國城市交通信號燈控制系統主要有兩種：一種是繼電接觸式控制系統，另一種是單片機的信號控制系統。前者采用硬件接線邏輯和機械觸點，因此靈活性和可靠性差；后者盡管功能很強大，靈活性也較強，但是不能大批量的生產，可靠性也很難保證。由于PLC的價格相對較高，所以在交通信號燈中的應用受到限制，近些年來PLC的性價比大大提高，功能強大，靈活性極強，可靠性和抗干擾能力也越發的顯現。

由于西門子公司生產的PLC在抗電磁干擾能力，聯網通訊及軟件配套能力等方面尤為突出，所以監控終端站的硬件采用西門子小型的整體式PLC［2］。選擇型號為 S7－200CPU－226，CPU－226有24個輸入16個輸出，共40個數字量I／O點及模擬量和數字量擴展模塊。在監控終端站的PLC上配置了專用于S7－200系列PLC的GRPS無線數據通訊模塊 MD 720－3，由 SINAUT MD720－3GPRS調制解調器、天線和GPRS通訊管理軟件SINAUT MICRO SC（集成OPC Server）等組成，其調制解調器可以直接通過專用的數據電纜線與PLC的串口相連。用于發送數據的天線采用的是圓鋼天線，它可以直接連到GRPS無線數據通訊模塊 MD 720－3上，并且適合戶外使用。

2.3 監控主站的設計

監控中心主站的設計是設立在交通指揮中心的監控室內，監控中心主站是一個計算機監控控制系統。需要在監控中心主站計算機上安裝SINAUT MICRO SC軟件和WinCC監控軟件，前者是具有特殊通訊功能的OPC路由軟件，可以完成SINAUT MICRO SC［3］與遠程PLC的連接和通訊任務。后者是對數據進行連接和組態等設計，操作人員可以輕松的監控、數據存儲、查詢、打印報表等，并且緊急狀況下可強制設定等功能。

3 無線通訊網絡的設計

本系統采用GPRS無線網絡通訊方式，具體模塊采用西門子公司的無線通訊模塊SINAUT MD720－3來實現WinCC與100多個S7－200PLC的遠程通信。

3.1 GPRS技術簡介

通用分組無線業務（GPRS）是在現有GSM系統基礎上發展出來的一種新的網絡業務。GPRS采用分組交換技術，每個用戶可同時占用多個無線信道，同一個無線信道又可以由多個用戶共享，實現資源有效的利用，從而實現高速率數據傳輸。GPRS支持基于標準數據通信協議的應用，可以實現與IP網、X.25網互聯互通。GPRS具有全雙工運作，間隙收發，永遠在線，只有在收發數據時才占用系統資源，計費方式以數據傳輸量為準等特點，由于GPRS的核心層采用IP技術，底層可使用多種傳輸技術，這使得它較易實現端到端及廣域的無線IP連接，以實現某種特定功能。

3.2 對比其他無線通訊方式

目前還有兩種比較普遍的通訊方式。

1）無線以太網技術，它是當前最為廣泛的計算機網絡技術，通訊速率高，有廣泛的技術支持，但是由于它的無線網絡有效范圍小于1km，網絡規模小，硬件的成本比例高，不適合本系統采用。

2）數傳電臺技術，它具有實時性好，專用數據傳輸通道，組網靈活，適合于惡劣環境，穩定性好。不足是對于同一頻點上，同時只能有一個設備發送數據，網絡覆蓋面積小，容量有限，而且對于城市建設的網絡后期的運營成本很高［4］。

對比以上兩種方案，GPRS通訊方式是利用公網實現的無線通訊方式，具有通訊速率快、有效范圍較大、持久在線強、費用低、延時小等優點，更適合PLC控制系統與高層信息管理系統的通訊。所以綜合以上方案，本系統選擇了GPRS無線通訊網絡的通訊方式。

4 監控系統的具體實現

4.1 二維模糊控制器的設計

二維Fuzzy控制器的構造是整個無線監控系統的核心工作，其中模糊語言變量的選擇是否合理對最終系統性能的優劣起到至關重要的作用。為了便于描述，對于交通十字路口的交通方向規定為東西和南北4個方向。通過長期觀測某中型十字路口的交通流量情況，發現在各時段的正常交通情況下，無論是東西方向還是南北方向通行時，都存在著一個基礎的交通需求流量，在每次通行的基礎流量之外再施加模糊控制，對于控制的準確性和實時性就更為合理。固定延時時間到時，測量到的綠燈方向的交通需求量X和紅燈方向（此時為南北方向）的交通需求量Y作為二維Fuzzy控制器的兩個輸入模糊變量。

對于綠燈方向的交通需求量X是指亮綠燈的兩個方向（此時為東西方向）在延時時間到時，尚未通過路口的車輛數（不計算已通過的車輛數）中的最大值。對于紅燈方向的交通需求量Y是指亮紅燈的兩個方向（此時為南北方向）在延時時間到時，檢測的未通過路口的車輛數中的最大值?？刂破鬏敵瞿：兞縕為延時時間到時，綠燈方向（此時為東西方向）的綠燈追加延時時間。南北方向的通行時亦然。在實際控制中，在固定延時時間到時，4個方向的未通過車輛數是通過安裝在每個路口方向的近端和遠端的車輛檢測器，測量到的每個路口停車線以外的車輛排隊長度，按5m1臺車輛計算出來的。

結合實際情況，綠燈方向交通需求量X的論域選擇（0～15臺），選取5個模糊子集﹛很少，少，中等，多，很多｝，隸屬度函數的設計如圖2所示。紅燈方向交通需求量Y的論域選擇（0～20臺），選取5個模糊子集｛很少，少，中等，多，很多｝，隸屬度函數的設計如圖3所示。輸出模糊變量Z的論域選擇（0～30s），選取5個模糊子集｛很短，短，適中，長，很長｝，隸屬度函數的設計如圖4所示。

圖2 變量X的隸屬度函數曲線Fig.2 Membership function curves of variable X

圖3 變量Y的隸屬度函數曲線Fig.3 Membership function curves of variable Y

圖4 變量Z的隸屬度函數曲線Fig.4 Membership function curves of variable Z

監控系統智能水平的高低是通過模糊控制規則的好壞來體現的，模糊控制規則是模糊控制器的靈魂，它包含著豐富的、模糊的人的智能判斷。通過大量的實地觀測，再結合現場指揮交警的豐富經驗，最終設計的模糊控制規則25條，模糊輸出Z如表1所示。

表1 模糊控制規則表Tab.1 Fuzzy control rules table

從模糊控制規則表中得到的結果仍然是模糊量，還要通過模糊推理和反模糊算法才能得到精確量的輸出。本系統采用較為實用和經典的簡易模糊推理算法。對于一個確定X和Y的輸入，運用Min的模糊策略，求出每條激活規則的從屬強度，然后采用重心法［5］（加權平均數法）解模糊，得到綠燈方向的精確追加延時時間（精確到s）。

4.2 監控系統的PLC實現

為增強監控系統的可靠性并降低開發成本，具體設計時，在不增加額外的硬件和軟件開銷的情況下，模糊控制器直接通過監控終端站的S7－200PLC來實現；同時，為增加系統控制的實時性，盡量減小PLC用于模糊控制算法的計算和編程量，利用Matlab軟件提供的模糊邏輯控制工具箱進行模糊控制器的軟件輔助設計，直接獲得模糊控制器在各種可能輸入條件下的輸出結果（模糊控制查詢表），事先將模糊控制查詢表存儲在S7－200CPU226的變量存儲器V內［6］。在實際控制中，在每次固定延時時間到時，PLC根據實時的綠燈方向的交通需求量X和紅燈方向的交通需求量Y的值，通過讀取簡單的查表子程序就可以在模糊控制查詢中直接獲取追加延時時間的輸出值。

由于交通路口的特殊性，為了盡量縮短現場調試的時間，可以通過S7－200CPU226自身的硬件配置對模糊控制器進行仿真實驗。借助S7－200CPU226本機攜帶的兩個旋轉電位器SMB28、SMB29（數據占用一個字節，變化范圍0～255）直接模擬綠燈方向的交通需求量X和紅燈方向的交通需求量Y，通過簡單的轉換程序，先將兩個電位器的模擬量輸入值分別轉換為相應基本論域范圍的對應值，再通過取正指令ROUND將其變為X和Y內所對應的具體車輛臺數，最后通過查表程序找到對應的追加延時時間；用PLC內的定時器T37來設定固定延時時間，并用定時器T37定時到時的狀態位控制兩個模擬電位器的采樣開始時刻；用S7－200CPU226開關量輸出點上自帶LED指示燈模擬相應的交通信號燈，觀察4個方向紅燈和綠燈模糊輸出的變化情況。4個方向的黃燈、左、右轉彎燈及人行燈與相應的綠燈追加延時時間都有固定的時序關系，編制相應的邏輯控制程序即可實現。

4.3 遠程無線通訊的實現

4.3.1 控制中心站的設計

首先要在監控中心主站的計算機上安裝SINAUT MICRO SC通信路由軟件和WinCC監控組態軟件。主站計算機必須擁有一個動態域名或公網的固定IP地址，聯網的方式一般有3種：通過Modem直接撥號連接Internet、通過ADSL Modem撥號連接Internet及通過路由器連接Internet。前兩種方法相當于將計算機直接連接到Internet網上，容易受到網絡攻擊，而通過路由器連接Internet一般都具有防火墻的保護功能，可以增強數據網絡傳輸的安全性。通過路由器聯網，相當于把監控中心主站計算機設在內網的一臺計算機上，該計算機擁有的是內網IP地址，而在路由器上獲得的是公網IP地址。在路由器上進行端口映射，在接收數據時，把指定端口的數據轉發到內網指定IP地址的計算機上；而具有內網IP地址的主站計算機往外發送數據信息時，通過路由器把其內網IP地址替換成公網的IP地址后，再將數據打包發向Internet公網［7］。

4.3.2 控制終端站的設計

監控終端站的S7－200CPU226PLC及擴展模塊、無線通訊模塊SINAUT MD 720－3及專用圓鋼天線配置連接好后，還必須在SINAUT MD 720－3模塊內插入在移動公司辦理已開通GPRS服務的SIM卡，并且要知道該SIM卡的PIN碼。PC／PPI通訊電纜（適配器）的撥碼開關位置設置為：1，2，3，6，7開關撥到 ON 位，4，5，8開關撥到OFF位。

硬件設置完成后，在SINAUT MICRO SC軟件的光盤上找到庫文件，添加GPRS通信的庫程序，對監控終端站進行初始化軟件設置。該庫文件包含4個子程序模塊，其中，WDC－INIT模塊需要設置的參數主要包含中心主站獲得的公網IP地址、在中心主站中定義的終端站的端口號、Modem名、Modem密碼、SIM卡的PIN碼及移動網絡的無線接入點等；WDC－SEND模塊需要設置的參數主要包含發送觸發條件、發送目的站地址、發送緩沖區起始地址、長度等；WDC－RECEIVE模塊需要設置的參數主要包含接收緩沖區起始地址、長度等。WDC－CONTROL模塊需要設置的參數主要包含自由口與GPRS模式切換條件、延時時間等。初始設置完成后，根據要傳送數據編寫用戶的通訊程序，該程序基本就是順序的調用以上4個功能模塊。對于這4個通訊模塊，只有WDC－SEND模塊可以控制發送條件，其余3個就是賦值相應參數且在每個PLC掃描周期調用即可。

4.3.3 實時數據的傳輸

實時數據的雙向無線傳輸是一個較為復雜的過程，現以從監控終端站向監控中心主站傳送一個8s的追加延時時間為例說明其主要過程：首先S7－200將模糊控制器輸出的8s時間傳送到其內部的變量寄存器V（在 WDC－SEND中已定義的發送緩沖區）中；在用戶通訊程序中調用WDCSEND模塊將該數據發到Modem上；Modem將數據8s轉化為GPRS的數據包格式，通過GPRS服務轉發到移動服務供應商；移動網絡服務供應商提供了與Internet的接入點，將數據8s轉發到Internet公網上；Internet通過路由方式把數據8 s轉發到Internet網絡服務供應商的中心站，通過端口映射和防火墻將該數據轉發到SINAUT MICRO SC；SINAUT MICRO SC將數據8s作為外部變量提供給WinCC軟件進行組態連接的同時，會發一個確認信息給遠程監控終端站；遠程的Modem接收到確認信息后，將其轉發給S7－200CPU226，PLC的CPU 通過 WDC－RECEIVE模塊接收確認信息，緊接著又通過 WDC－SEND模塊發送一個發送完成的確認信息給用戶程序［8］。

5 結論

本文針對城市交通路口交通流量的隨機性和不確定性的特點，將模糊控制策略引入到交通路口的控制系統中，有效地解決了傳統控制系統中固定定時方法的不足，合理動態地分配了交通流量的通行時間，提高了交通資源的利用率。在充分調研現有交通路口控制系統的基礎上，在監控終端站的硬件構成上，采用了可靠性高、抗干擾效果好、通訊聯網能力強的西門子S7－2 0 0 PLC。

在模糊控制器的構造方法上，直接利用現有的PLC硬件資源，提高了系統的可靠性和性價比；在模糊控制器的軟件設計時，利用Matlab軟件進行輔助設計，加強了控制的實時性。借助S7－200的硬件配置進行模糊控制的仿真實驗，可以方便模糊控制器性能的修正，大大地縮短了現場調試的時間。通過對比幾種PLC無線通訊方式特點的基礎上，在采取了有效的數據安全性措施后，選擇了GPRS通訊方式，結合本系統設計，其顯著的優點是可以在公網覆蓋的范圍內隨時進行持久在線通訊，充分利用已有的網絡資源，設備傳輸功率要求小、性價比高，通訊系統的擴容性和傳輸容量較大。

城市十字交通路口信號燈智能無線監控系統是整個城市智能交通系統乃至城市數字化、網絡化、智能化管理系統的一個組成部分。本系統首先選擇一個交通十字路口進行實驗性投入，自投入運行1a來，監控系統運行穩定、效果良好，達到了設計要求。SINAUT MICRO SC是S7－200PLC用于遠程無線通訊的一個用途極為廣泛的軟件包，OPC服務器可以通過GPRS最多連接256個遠程的S7－200監控站到中心監控主站。若一個區域內多個路口（監控終端站）之間可以動態的交互數據，由監控終端主站進行統一的協調，必將進一步提高城市交通的綜合控制技術和管理水平。

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