基于GPS和SD卡存储的交通信号采集系统

柳长源+孔凡宁+冯晋文

摘 要：针对当前无法实现交通信号灯位置和实时状态信息的自动化管理的问题，本系统选用STC12C5A60S2为主控芯片，配合Neo5Q GPS定位模块，利用PT2262/2272无线收发芯片和便携安全的SD卡，设计了一种新型对交通灯方位及信号状态的实时信息采集解决方案。该系统可以实现对交通灯所处位置和信号灯点亮的时间进行实时确定，通过SD卡模块将数据存储到SD卡中，电路简单，在原有设施上即可实现。实验结果显示，系统实时性好，存取方便，利于数据的读取分析。该系统的实现对于交通状态信息数据的采集、分析有着重要意义。

关键词：交通灯；GPS；SD卡；单片机

DOI：10.15938/j.jhust.2017.03.005

中图分类號： TP274+.2

文献标志码： A

文章编号： 1007-2683（2017）03-0025-06

Abstract：In terms of the issues where traffic lights′ positions and traffic status information cannot be managed automatically， in this system，STC12C5A60S2 microcontroller can be used as the master chip in conjunction with the GPS position module，Neo5Q. The wireless transceiver module， PT2262/2272 and the portable installing SD card are used to design a new type of realtime information acquisition solution for positions of traffic lights and signal status. And the system can determine the traffic lights′ positions and the process of lighting in a real time. Then the data will be stored in SD card by the SD card module. Furthermore， the equipment can be implemented on existing facilities with a simple circuit. According to the result of experiments， the system contains a convenient storage， works in a real time and it is also advisable to help with the data reading and analysis. Thus， implementation of the system is of great significance to acquire and analyze the traffic status information in recent times.

Keywords：Traffic light； Global Positioning System； Secure Digital Memory Card； single chip microcomputer

0 引 言

随着我国私家车数量日益增多，导致了交通拥堵情况也越发严重。目前的主要解决方案是加宽道路和车辆出行限制，这样做不仅会浪费很多人力物力，还形成了我国汽车工业未来发展的障碍[1]。本文所提出的方案是利用GPS（global positioning system）对交通信号灯定位和授时[2]，将数据采集到SD卡中，达到分析数据并合理调度交通信号的目的，并且要求在晴朗天气60m及阴雨天气50m的距离下可稳定使用。

目前我国大多数交通灯状态时间都是固定的，即使可以改变灯的读秒时间也做不到分析数据，调整信号灯状态的时候没有数据参照，调度就是盲目的，同时造成了交通信息的不可查和人力资源的浪费。

本系统针对的问题主要是交通信息数据的产生与采集。目前市场上已有相当多基于全球定位系统（GPS）接收机的衍生物，比如出现了手持式全球定位系统用户机和车载导航定位系统等产品，但价钱较贵，也不易普及和推广[3-5]。因此本文选取STC12C5A60S2单片机结合GPS模块实现GPS的授时定位功能，从而获取交通实时状况信息，并将有用的数据收集存储到SD卡（Secure Digital Memory Card）当中。这样一来，既方便了相关人员对GPS产生的有用数据进行查看与分析，又做到了合理配置交通信号的目的。

1 系统结构设计

本交通信号采集系统主要有两部分组成：无线发送端和GPS无线接收端。无线发送端主要由STC89C52单片机、独立按键以及DF无线发射模块构成[6]；GPS接收端主要由STC12C5A60S2单片机、DF无线接收模块、信号灯模拟和GPS接收模块构成，系统框图如图1和图2所示。

该信息采集平台系统的设计应用于十字交叉路口交通信号灯的实时信号数据的采集，每一条数据都包括：信号灯的地理位置、信号灯倒计时的修改时刻、东西南北四路信号灯绿灯的倒计时转换时间。实现过程：GPS模块获取位置和授时，无线接收端接收来自发射端按键信号，修改信号灯的状态，并记录该信号灯的地理位置、发送修改命令信号的时刻和修改后信号灯的读秒倒计时时间。

1.1 无线发送端

无线发送端采用数据编码芯片、控制芯片以及DF数据发射模块。数据编码芯片利用6通道点控PT2262，控制芯片采用STC89C52单片机，数据发射模块为开关三极管控制的315MHz三极管振荡器，实现了由编码芯片控制的2ASK二进制振幅键控调制，信号调制完成后，最后通过四分之一波长的天线向外发射[6]。

在信号调制时，采用的是2ASK二进制振幅键控调制方式。振幅键控ASK是根据正弦载波的幅度随数字基带信号改变的数字调制方式，当数字基带信号是二进制时，则调制方式为二进制振幅键控调制[7]。在信号发射时，载波在数字信号1的作用下接通，有工作电流产生；在信号停止发射时，载波在数字信号0的作用下关闭，此时工作电流降到0，因此，这种调制方式在不发射信号时能有效地降低无线发射端的功耗。无线发射端的程序流程如图3所示。

无线发射端的程序主要有扫描按键、按键功能定义和对编码芯片PT2262的操作。当有按键按下时，先利用单片机处理按键的功能，再通过PT2262编码，最后通过DF发送模块发送信号。

1.2 无线接收端

无线接收端是本系统的核心部分，主要包括无线接收模块、GPS定位授时模块、主控单片机STC12C5A60S2、电平转换模块、SD卡数据存储模块和十字交叉路口交通灯模拟部分。

1.2.1 GPS模块

GPS模块的核心是GPSOEM信息接收单元，此单元内部通常包含GPS信息接收和解算单元，可以接收GPS卫星发送的数据信号，并以数据帧的形式传送到串口。通过微单片机对此单元的输出数据进行提取[8]。通过电平匹配使得GPSOEM单元和单片机串口通信，其接收框图如图3所示。

GPS模块工作时可以和单片机完成通信，对信息实时扫描，只要模块处于工作状态，GPS接收模块便会接收GPS数据信息，经过处理后，依靠NEO5Q单元的接收协议—NEMA 0183 ASCII协议将数据以数据帧的形式不间断地通过串口输出给外部设备[9-10]。用户可以根据需要提取和利用，如果需要显示，可通过单片机驱动12864液晶屏来观察GPS接收到的卫星定位与授时，在实际路口中液晶显示可以略去。液晶屏显示如图5所示

而实际上，在数据分析时SD卡采集到的数据会通过FAT32（FileAllocationTable32）文件系统在PC（personal computer）机上显示，方便有关部门的查看和分析。GPS模块硬件接口电路如图6所示。

1.2.2 SD卡数据存储模块

目前存储设备发展的十分迅速，种类丰富，我们所熟知的SD卡体积小、存储量大且利用并行引脚使得传输速度大幅提升，对于数据的存储和读取对环境要求不高；防震抗潮、工作温度范围大、有效数据保存永久的优点，除此之外自带加密功能，可以保证数据资料的安全[11]；SD存储卡的技术现在很成熟，目前电子市场上SD卡读写模块运用广泛，价格低廉。这些优点非常适合在交通控制平台使用，即使是在恶劣天气下也可正常工作。单片机与SD卡的连接方式和SD卡模块硬件接口如图7和图8所示。

对SD卡的操作模式包括两种，其一是SD模式，其二是SPI模式。SD模式通过四条数据线完成数据的相互传输，相对于SPI模式来说有更高的数据传输速度，但实现过程有更为复杂的协议[12]。由于SPI模式便于实现，速度也可以达到本系统的要求。本文在单片机和SD卡读写操作时采用软件模拟SPI模式。

SPI总线主要通过三根线进行数据传输，包括同步时钟线SCK、主机输入和从机输出数据线MISO、主机输出和从机输入数据线 MOSI，还有从机片选线CS（低电平有效），主机提供片选信号和同步时钟脉冲。SPI总线模式的数据传输是对于字节而言的，主机与SD卡的通信控制都通过主机完成[13]。由于单片机没有集成好的SPI接口，所以采用软件来模拟SPI总线，具体实现方法是：将SCK的初始状态置0，允许接收后（CS置0）将SCK 置1，这样单片机就可以由SDI线输出1位数据到SD卡；接着再将SCK置 0，单片机由SDO线从 SD卡读1位数据。因此， 1位数据的输入和输出完成。此后将SCK置1，按序循环8次，完成SPI总线1字节数据的输入输出[14]。对SD卡的操作有四个复位、初始化、读操作和写操作，复位和初始化是对SD卡驱动，读写操作时，由于SD卡存储的数据是二进制数据并且以数据块读写方式传输的且每个数据块数据长度为512KB，选用STC12C5A60S2单片机能够做到对SD卡单次读写操作。

此外，为了数据能被计算机所识别，SD卡文件系统必须与计算机一致。当前Windows操作系统中比较常用的文件系统有FAT16、FAT32及NTFS（New Technology File System）等。交通信號采集数据量虽然单一，但存储量较大，且记录时间较长，所以本文利用FAT32文件系统作为SD卡的文件系统，FAT32最大支持单个文件4GB容量，满足交通信号采集要求[15]。所以在数据分析时，可在PC机上读取SD卡即可直观的看到GPS端所产生的有用数据。PC机读SD卡的文本显示如下图9所示。

文本显示中，E和N代表东经与北纬、中间部分代表当前时间、最后面部分代表东南西北四路交通灯的绿灯时间，交通模拟绿灯初值均设定为10秒，秒数增量设置为3秒，通过加、减、复位、恢复读秒不同按键的作用，记录了上图数据。数据清晰明了，通过对绿灯时间的分配，可对某一方向的车流量进行有效控制。

1.2.3 无线接收模块

无线接收模块主要由STC12C5A60S2单片机、解码芯片PT2272、DF超再生数据接收模块以及抗干扰的外围电路组成。解码芯片在接收到命令编码后，通过专用的电压比较器LM339芯片将单片机相应管脚拉低，发射端按键松开后，单片机相应管脚立即恢复高电平，模拟了独立按键的功能[6]。通过独立按键不仅改变了交通信号灯的状态，还向SD卡提供写操作指令的信号。根据单片机对不同按键的是否按下扫描，完成了对信号灯状态数据的更改和存储。

无线接收端对无线发射端信号的解调时，采用超再生检波电路，该检波电路主要是一个受间歇震荡控制的高频振荡器，该震荡器采用电容三点式，其振荡频率和发射器的发射频率保持一致，间歇震荡源自高频振荡，同时它也控制着高频振荡器的振荡与间歇，振荡频率通过电路参数进行选择。超再生检波电路增益比较高，若没有信号接收，会出现超噪声，经过滤波和放大后输出一定的噪声电压；当有信号接收时，电路产生谐振，选出接收频率并抑制超噪声，高频振荡器振荡输出接收到的信号，解码芯片进行解码并发送至单片机。

1.2.4 单片机主控芯片及程序流程

STC12C5A60S2单片机是宏晶科技生产的单时钟/机器周期（1T）的单片机，是的新一代8051单片机，具有高速、强抗干扰、低功耗，指令代码完全兼容传统的8051单片机的优点，而且速度增加了8-12倍。该单片机还在内部集成了MAX810专用复位电路，八路高速10位A/D转换（250K/S），两路PWM，主要针对强干扰的场合。无线接收端利用其控制GPS模块和SD卡模块的程序主要流程如图10所示。

无线接收端主要程序包括三个：GPS数据接收子程序、SD卡驱动及读写子程序、交通灯控制模拟主程序。系统初始化包含以上三个主要程序的初始化，GPS模块通过卫星进行定位和授时，SD进入读写准备，然后进入交通灯控制模拟的主程序，进行正常的交通模拟读秒，无数据改变和记录。当无线发射端有按键按下时（发送端独立按键功能包括紧急全红灯，增加或者减少读秒绿灯时间，恢复读秒计时，复位最初读秒设定等，可通过编程可随意设定），无线接收端应答独立按键命令，交通灯暂停读秒并根据按键的指令定义修改信号灯的状态，与此同时向准备好的SD卡扇区中写入改变后的信号灯状态数据，一旦无线发射端的恢复读秒键按下时，接收端便恢复读秒，交通灯恢复正常工作。

2 系统实测分析

本系统针对交通网络中某些易拥堵的十字路口交通信号灯数据的采集，区别于传统的固定式交通信息采集方式，无需破坏原交通网络，仅在原信号灯基础上加装即可，采集方式和信息固定，数据统一[16-18]。采集到的有用数据包括当前时刻的经纬度位置和交通灯绿灯状态的时间，经纬度位置和当前授时由GPS模块提供，交通信号状态由发射端对交通信号的改变来提供，完成对车混合交通流的控制[19]。一天内交警利用发射端对某路口的交通灯进行实时动态信号的更改，在该路口优化的同时，其相邻路口的交警相应的也会作出调整，将“拥堵点”的车流量分流至多條道路，减缓该路口的交通压力。同时根据更改交通信号配时的多少，也完成了对高峰期和低谷期车流量的正确判断。数据的采集终端为SD卡，交通信号的改变数据存入SD卡，SD卡经交通部门有关人员更换后，利用PC机对某段时间该地点数据整合，可通过连续一周或者一个月的数据的分析来对交通灯各时段的读秒合理分配，规划出新的配置方案，实现对该路口交通状态的优化。

3 信号灯遥控器通信实验

通常情况下，交警距离信号灯的通信距离不会超过50m，而且不会有遮挡。为了验证系统的可靠性，本系统在不同距离无遮挡下，对3个不同位置不同条件下的交通灯分别做了100次信号收发通信实验，从实验数据中计算出通信的成功次数以准确率来直观的表现系统的稳定性，如表1所示。

试验结果表明，最终系统总体的稳定性满足设计需要，在不同十字路口（东经126.6183北纬45.7212、东经126.6281北纬45.7220、东经126.689北纬45.7181）50m以下不同天气条件下均可实现100%的通信准确性，在100m的通信距离无降水的户外条件下系统通信的准确性达到79%；MCU工作稳定，在测试中未出现死机情况。与预期所提的晴朗天气60m及阴雨天气50m的距离可稳定使用的要求已经达到。

4 系统技术指标

完成实验的同时，进行了技术指标的测量与对照：

4.1 遥控器有效范围

经测试和实验结果得出在天气晴朗情况下60m及阴雨情况下50m范围内都能够有效地对信号灯进行控制。

4.2 设备温使用范围

通过对单片机主芯片及各芯片和模块使用技术指标的查询和平均测试，工业级芯片温度使用范围能够达到-40℃～+85℃，能够满足天气气温的要求。

4.3 设备发射功率、信号响应时间及接收灵敏度

通过对DF无线模块资料的查询和测试，发射功率≤500mW信号接收响应时间约为50ms，接收模块在5V工作电压下，静态电流4mA，超再生接收电路接收灵敏度为-105dbm。

4.4 设备主控电路使用寿命

主电路使用寿命受到继电器控制端的影响，目前市场上的24V的5脚继电器机械耐久性能可达到1×107次，在正常使用的情况下，即使平均一天切换3000次，该设备也可以维持9年左右。

5 结 语

现代交通系统高速发展的今天，交警的人力指挥耗费人力巨大，效率也不高，更无法得到交通状态的实时信息。车流量是交通管理的重要信息[20]，本系统通过GPS模块与单片机相结合，经过实际调试，能够实现对交通灯的准确授时和定位的基本功能；利用单片机对SD卡驱动，配合FAT32文件系统及发射接收部分，实现了对交通灯状态数据的存储和读取，而且成本较低，从实验看出有很好的实用性。本信息采集系统不仅可以为相关人员对数据采集时提供便利的条件，还能缓解交通高峰期某区域的交通压力。

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（编辑：王 萍）