基于物联网的智能交通信号控制机设计

摘要

随着经济的快速发展和城市化水平的提高，城市车辆数量急剧增加，从而导致交通拥堵越来越严重，进而引发了交通事故、能源消耗、环境污染等诸多问题，交通拥堵已经成为制约城市可持续发展的重要因素。交通拥堵主要发生在城市路网的交叉路口，发展智能交通控制系统，通过对交通信号灯进行智能控制来指挥交叉路口的交通流通行可以有效提高道路通行能力、缓解拥堵问题。
　　本文结合物联网相关技术研究设计了智能交通信号控制机，该控制机采用数据采集层、数据传输层和数据管理层组成的三级架构。其中，数据采集层负责采集交叉路口的车流量数据;数据传输层负责把数据远程发送给交通管理中心;数据管理层负责对数据进行显示、保存和查询等操作，还可以向交叉路口信号灯发送远程控制指令。根据各层结构的相关功能，论文对交通信号控制机进行了如下设计。
　　数据采集层中选用磁阻检测技术采集交通流数据并通过ZigBee无线传感网络上传给传输层。在采集层的硬件方面设计了协调器节点、路由器节点和终端节点三种ZigBee节点电路;在软件方面，基于Z-Stack协议栈开发了ZigBee节点的应用程序。
　　数据传输层中选用以太网作为通信网络，通过以太网把数据传入互联网。传输层中主要是路口控制机的软硬件设计;在硬件方面，选用STM32F407ZGT6芯片作为路口控制机的处理器并设计了处理器的最小系统电路，选用LAN8720以太网芯片设计了以太网模块电路;此外，还设计了路口控制机的JTAG/SWD调试模块、SDRAM模块、SD卡存储模块、LCD显示模块等外围电路;在软件方面，以太网采用TCP/IP协议，基于μC/OS-Ⅲ操作系统和LwIP协议栈开发了以太网通信程序。
　　数据管理层中基于Visual Studio2015开发平台、采用C＃语言设计了上位机监控软件，通过监控软件可以远程获得交叉路口的交通状况，并能对路口交通信号灯进行远程控制，包括改变信号灯控制方式、设定路口相位和重新制定配时方案;此外还使用SQLServer2008建立了数据库以实现对交通流数据的保存和查询。
　　本文结合物联网技术设计的智能交通信号控制机集成了数据采集、数据传输和数据管理三种功能，可以实时采集车流量数据并传送给交通管理中心，能够指挥交叉路口的各向交通流合理有序地通行，有效缓解交通拥堵，使交通管理模式变得更加智能、高效。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题背景与研究意义

1．2 交通信号控制系统发展现状

1．3 物联网在智能交通中的应用

1．4 论文主要研究内容和结构安排

2 智能交通相关技术研究与总体方案设计

2．1 城市交通控制基本理论

2．1．1 交通信号控制基本参数

2．1．2 交通信号控制基本方式

2．2 车辆信息采集技术

2．2．1 波频检测方式

2．2．2 视频检测方式

2．2．3 磁频检测方式

2．3 ZigBee无线传感网络概述

2．3．1 短程无线通信方式选择

2．3．2 ZigBee无线通信的特点

2．3．3 ZigBee协议体系结构

2．4 以太网技术概述

2．4．1 远程传输方式选择

2．4．2 以太网通信特点

2．4．3 TCP／IP协议及其协议栈

2．5 智能交通信号控制机的网络架构设计

2．6 本章小结

3 基于物联网的智能交通信号控制机硬件设计

3．1 交通控制机结构设计

3．2 ZigBee节点硬件设计

3．2．1 ZigBee基本单元

3．2．2 传感器模块

3．2．3 串口通信模块

3．3 路口控制机最小系统设计

3．4 路口控制机以太网模块设计

3．5 路口控制机外围电路设计

3．5．1 JTAG／SWD调试模块

3．5．2 外扩SDRAM模块

3．5．3 SD卡存储模块

3．5．4 LCD显示模块

3．6 本章小结

4 基于物联网的智能交通信号控制机软件设计

4．1 ZigBee节点软件设计

4．1．1 Z-Stack协议栈

4．1．2 终端节点软件设计

4．1．3 路由器节点软件设计

4．1．4 协调器节点软件设计

4．2 μC／OS-Ⅲ相关程序设计

4．2．2 μC／OS-Ⅲ启动和初始化

4．3 以太网通信相关程序设计

4．3．1 以太网编程接口选择

4．3．2 传输层协议与客户端模式

4．3．3 以太网芯片驱动程序

4．3．4 静态IP与动态IP设置

4．3．5 以太网数据发送程序

4．3．6 以太网数据接收程序

4．4 本章小结

5．1 上位机监控软件设计

5．1．1 上位机软件登录界面设计

5．1．2 上位机软件主控界面设计

5．1．3 上位机数据库设计

5．2 系统通信功能测试

5．2．1 实验目的

5．2．2 系统搭建与测试方法

5．2．3 测试结果分析

5．3 本章小结

总结与展望

致谢

参考文献

附录

攻读学位期间的研究成果