基于LabVIEW的交通信號燈工作狀態智能監測系統研究

黃悅華 史振利 胡智瑩 李騰 魏業文

摘? 要： 針對傳統交通信號燈人工監測方式信息反饋較慢、監測周期較長以及自動化監測成本較高、影響原有電路等問題，設計一種基于傳感器和LabVIEW上位機開發系統的新型交通信號燈智能監測系統。該系統采用電流傳感器與光敏傳感器組成的雙重監測電路，利用“或”門進行邏輯判斷，降低了系統誤判率;通過采用霍爾元件及光敏傳感器實現了在不改變原電路的情況下可以采集到交通燈的實時工作數據，使系統的安裝使用便捷;并減少了故障從發生到解決的時間，提高了監測系統的時效性;基于LabVIEW開發了上位機信息化系統，并設計了信息化流程。經測試，對比傳統監測方式時效性差和誤報率高的缺點，該系統具有可在10 ms內報警故障的高時效性以及低至0.5%的低誤判率的特點，并實現了不改變原有電路的低成本遠程信息化智能監測，符合市場的需求。

關鍵詞： 交通信號燈; 智能監測; LabVIEW; 系統設計; 故障判斷; 系統測試

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

在飛速發展的現代化城市建設中，交通信號燈是其實施交通管制的基礎手段，交通信號燈運行的可靠性關乎城市的交通狀態及交通管理水平的優劣[1]。交通信號燈普遍安裝于開放式工作環境中，因機內電子元器件及其所構成的各功能電路模塊受極限溫濕度、異常供電電壓和電流、LED燈內器件的日常損耗以及自身壽命的影響而導致交通信號燈工作故障或設備損壞。傳統的人力監測方式信息反饋較慢、監測周期較長且成本較高[2]。文獻[3]中提到現在常見的監測技術有光反饋監測、分壓監測和電流互感監測等。文獻[4]中表示單一的光反饋監控是基于光信號和交通信號燈的狀態來確定紅綠燈的當前操作，但實際中它容易受到環境干擾，并限制了監測的穩定性。文獻[5]中講解了分壓監測是通過在被測電路中串聯分壓器并監測分壓元件上電壓的情況，來確定被測回路中的電流情況。但是它功耗偏大，不利于野外工作。文獻[6]中介紹了互感器測量電流的方法，利用其對交通燈進行監測，會對交通燈中原有電路的繞線形式造成改變，從而對交通燈的性能造成一定的影響。與此同時，針對信號燈老舊等因素而引起的光照強度降低，從而影響路人觀察等一系列問題，傳統單一的監測電流或電壓方式無法進行故障判斷并報警。

基于這些原因，本系統設計了一種基于光敏傳感器[7?8]和霍爾電流傳感器[9]的雙重監測電路，采用圖形化編程環境LabVIEW[10?14]開發該監測系統的上位機軟件，并利用LabVIEW開發測控軟件時所具有的高效直觀等特點來生成實時“時間?電流”“時間?光照強度”二維坐標監測曲線，以此來分析信號燈的故障狀態。同時，通過LabVIEW遠程信息化服務器實現遠程信息化監測與管理，該監測方式具有時效性高、誤報率低及穩定性強等特點，具有很好的發展前景[15?16]。

1? 系統總體結構

本系統主要包括電流和光照強度檢測電路、主控制電路、液晶顯示電路、4G通信模塊、上位機開發系統以及監控終端組成，其結構如圖1所示。

交通信號燈的控制電流及光照強度由系統分配的電流及光照度傳感器分別監測，采集到的信息經由采集模塊進行數據處理，通過串口傳輸給收發器。收發器將采集的數據通過網絡方式傳輸至LabVIEW上位機軟件開發系統，進行故障分析。然后通過液晶顯示電路生成實時的“時間?電流”“時間?光照強度”的二維坐標系畫圖監測曲線，這些信息都會通過4G通信模塊傳回監控中心。同時，如信號燈出現故障，會將故障信息及信號燈編號在軟件系統中輸出，并聯系維修人員進行維修。生成的監測曲線可短時間內存儲在系統當中，以供后期查看故障信息。

設計以霍爾電流傳感器和光敏傳感器為基礎的監測電路，對交通信號燈進行雙重監測，利用“或”門進行邏輯判斷，提高了監測的可靠性。通過對信號燈多個周期內的電流信號與閾值進行比較，以及光照強度的信號幅值變化兩個方面來分析信號燈的故障，相比于傳統單一的監測方式，不僅能在較短的時間內分析信號燈的故障，而且降低了監測系統的誤判率[1]。

2? 硬件電路設計

2.1? 主控制電路

根據資源需求以及成本選用STM32F103C8T6型單片機作為控制終端，其內嵌有64 KB FLASH儲存器和20 KB的RAM，通用I/O口個數為37個。64 KB的FLASH用于存放源程序以及與上位機軟件開發系統通信的ASCII碼。20 KB的RAM用于狀態儲存。37個I/O用于外接監測電路、液晶顯示電路以及藍牙模塊[17]。主控制電路的電路簡化圖如圖2所示。

系統供電電源來自電池供電，經WRE1212S?3WR2型DC/DC電源模塊轉換成±12 V供電流傳感器用。12 V電壓經過三端穩壓芯片LM7805穩壓輸出5 V為STM32F103C8T6型單片機供電。供電部分的電路圖如圖3所示。

2.2? 電流監測電路

電流檢測電路的主要構成成分是如圖4所示的霍爾電流傳感器。該傳感器原邊電流Ip在聚磁環處所產生的磁場通過一個次級線圈電流所產生的磁場進行補償，其補償電流Is能精確地反映原邊電流Ip，從而使霍爾器件處于檢測零磁通的工作狀態。被測電流Ip的任何變化都會破壞磁平衡，一旦磁場失去平衡，霍爾器件就有信號輸出。經功率放大后，立即就有相應的電流流過次級繞組以對失衡的磁場進行補償。從磁場失衡到再次平衡，所需的時間理論上不到1 μs，這是一個動態平衡的過程。因此，從宏觀上看，次級的補償電流在任何時間都與初級被測電流的大小相等。通過這種方式，可以在不改變交通燈中原有電路的情況下，對交通信號燈中流過的電流進行實時監測，然后通過與正常閾值進行比較，判斷交通信號燈的工作狀態[18]。

2.3? 光照強度監測電路

GY?39是一款低成本的光照強度傳感器模塊。工作電壓為3～5 V，功耗小，安裝方便。其工作方式是MCU收集傳感器數據，統一處理，直接輸出計算后的結果。此模塊有兩種方式讀取數據，即串口UART（TTL電平）或者I2C（2線）。串口的波特率有9 600 b/s與115 200 b/s，可配置，有連續、詢問輸出兩種方式，可掉電保存設置。可適應不同的工作環境，與單片機及電腦連接。模塊另外可以設置單獨傳感器芯片工作模式，作為簡單傳感器模塊，MCU不參與數據處理工作。其測量范圍為0.045～188 000 Lux，測量精度高達±3%，滿足系統需求。GY?39傳感器如圖5所示。

通過這種方式，可以快速提取到交通信號燈的實時光照強度，并將其數據上傳至LabVIEW上位機系統進行實時分析，通過與實地情況及用戶設定的要求閾值進行比較，來判斷交通信號燈的工作狀態[19]。

3? 檢測算法

3.1? 電流檢測算法

傳統的電流檢測方法，在檢測電流之前，為了保證測量電流的準確性都要進行整流和濾波的過程，但這些過程紛繁復雜，會大大降低檢測的速度，從而難以滿足故障檢測的實時性。

基于這些問題，本系統使用STM32F103RCT6單片機結合LabVIEW上位機處理數據的方式，通過A/D采樣對交通信號燈的電壓數據進行采集，利用LabVIEW上位機對每采集到10次電壓數據求一次平均值，通過求平均值的方式使得數據更具有代表性，并在一定程度上減小監測誤差，提高系統時效性。

因使用12位ADC進行采樣，其最大值為4 096，而電壓最大值為3.3 V，所以根據公式：電壓值=（采集到的電壓數[據4 096]）×3.3 V，可以計算得出正確的電壓值。然后根據歐姆定律求得電流值，將其輸出到OLED屏上并且通過串口將數據傳輸到上位機。

通過上述公式的計算可得到電流的模擬值，電流模擬閾值通過對實際運行時，正常工作狀態下的電流范圍進行分析，并在設定精確度后由用戶進行設定，提高系統的多樣性和自主性。

然后通過獲得的電流模擬值與電流模擬閾值進行比較，檢測出交通燈中的電流值是否正常。這種通過上位機軟件編程的電流檢測算法不僅操作簡便，而且檢測速度快，即時性強。

3.2? 光照強度檢測算法

系統使用的是GY?39傳感器模塊對光照強度進行采集，并通過串口將采集到的數據發送至單片機。根據模塊輸出數據幀格式的定義，可以計算出其監測的光照強度數據（Byte4～Byte7）。

在光照強度數據的獲取中，由于有環境等因素的影響，導致獲取到的數據可能會出現很大的偏差，因此，系統采用了中位值濾波算法[20?21]對數據進行處理，處理后的數據再經過串口發送的上位機，可以實現上位機的數據基本穩定。其與光照強度模擬閾值的比較過程與電流檢測相似，在此不做贅述。

4? 系統軟件設計

4.1? 上位機軟件監測程序設計

本系統是基于LabVIEW編程來開發上位機監測系統，其編程可視化強，畫面簡潔。上位機系統的具體工作流程如圖6所示，可以實現實時接收、監測、處理及儲存數據，達到交通信號燈實時故障監測的目的。

其次LabVIEW的編程可分為5大模塊，分別為獲取數據模塊、讀取數據模塊、處理數據模塊、顯示數據并報警模塊、存儲數據模塊。

1） 獲取數據程序設計：系統在PC上安裝VISA驅動使之與電腦的通信接口產生聯系，調用程序語句配置串口參數來獲取串口數據，之后將接收到的串口數據的數值傳遞到下一級函數。

2） 讀取數據程序：將上一級獲取的數據放在VISA讀取函數的緩沖區內，每5 ms讀取一次緩沖區中的字符串數據。將字符串數據轉化為十進制動態數據，傳遞到下一級程序。

3） 處理數據程序設計：通過兩個判斷語句把上一級傳遞過來的數據按它們的類別分為4組，且4組數據處理方式完全相同。將傳遞的函數還原為實際值并分兩路運行：一路強制類型轉換為字符串數據，通過字符串的拼接把數據的值顯示在前面板的數據欄中;另一路則直接傳遞給下一級程序。

4） 顯示數據并報警程序設計：將傳遞的數據與當前時間構成一對函數關系并將其送入到波形圖中，進行顯示。利用此方法將數據和正常上下限值顯示在波形圖中并利用“或”門進行故障的邏輯判斷及分析比較，根據布爾型數據的數值來判斷此時目標紅綠燈是否出現故障，如果出現故障，則會對產生的故障進行報警提示。

5） 存儲數據程序設計：將傳遞的數據變為動態數據后輸入到Excel中以便將實時數據進行保存。為了方便觀察數據，將數據轉化為字符串數據并將其合并成數組后輸出到表格中，使其顯示于前面板后臺上。

4.2? 系統顯示界面

如圖7所示為監測系統界面顯示，有三種觀測模式，分別為實時波形變化見圖7a），實時數據統計表見圖7b），故障分析參考表見圖7c）。

在實時波形變化圖7a）中，可以直接觀測到兩種參數的變化情況，但不方便觀測具體數值。在實時數據統計表圖7b）中，可以清晰地查看任意時刻信號燈中電流和光照強度的具體歷史或實時數據，既可以直觀地查看實時數據又保障了數據的備份，方便日后進行回顧。在故障分析參考表圖7c）中，可以直接有效地觀測到何時何處發生了何種故障，省去了觀察實時數據的步驟，方便工作人員直接了解到故障情況。

5? 模擬試驗測試

5.1? 模擬顯示測試

本系統是依據電流傳感器和光照度傳感器以及上位機所組成的監測系統對交通信號燈的實時工作狀態進行故障判斷。為了驗證設計系統的合理性和可行性，首先對整個系統進行了實際搭建與測試。本上位機開發系統是通過LabVIEW的編程來實現的，運行已搭建完成的監測系統，得到上位機系統中顯示的雙重檢測實時波形圖如圖8所示。該波形包含光照強度波形和電流波形兩個部分，其中綠色的波形為綠燈工作時的光照強度和電流實時波形，而紅色的波形為紅燈工作時的光照強度和電流實時波形。通過將兩種顏色燈的工作光照強度幅值和電流幅值分別與其正常的光照強度閾值和電流閾值進行實時比較，并利用“或”門進行邏輯分析，從而判斷兩種顏色的信號燈是否正常工作。

5.2? 模擬故障測試

為了驗證監測系統的報警可行性與誤報率低的特點，在實驗室中進行了模擬故障測試試驗，分別采用隨機增大或減小0.15 A范圍內的電流200次來模擬電流故障情況，并以100 Lux的改變量級為標準范圍隨機調節。分別采用遮蓋信號燈以減小信號燈光照強度200次及增大輸出功率來增大信號燈光照強度200次的方式來模擬光照強度故障情形，并通過上位機模擬計時器的方式進行報警時間計算。該系統經過模擬測試分析，搭建的系統能夠穩定正確地輸出光照強度和電流信號，當改變交通信號燈工作電路的電流或信號燈的光照強度時，主面板上的波形會發生明顯的動態變化。故障分析情況如表1所示。

由表1可知，電流及光照強度故障分別設置400次，電流故障誤判率可低至0.25%，光照強度故障誤判率低至為0.5%，其低誤判率滿足市場需求。同時，在故障實驗時對系統的報警反應時間進行測試，其報警平均時間均保持在10 ms內，保證其反應時效性。

6? 結? 語

本文提出的基于LabVIEW的交通信號燈新型監測系統在技術性、智能化和性價比方面有很大的提高，一方面是因為傳統的監測更多的是人工監測不夠智能化;另一方面現有的智能監測系統單一的監測方式使系統穩定性差、誤報率高，而本方案設計了基于一種雙重傳感器的監測方式以及LabVIEW開發上位機信息化系統的三種觀測模式。經模擬實驗的測試結果表明，在硬件設計不影響原有電路的優勢下，該監測系統具有時效性強、可靠性高、誤判率低等特點，可為正在興起的智慧城市建設提供良好的公共設施建設借鑒基礎。

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