城市交通信号控制系统实验教程

★详细讲解了城市交通信号控制系统中所涉及的嵌入式开发基础、信号控制算法、数据库应用、网络与通信协议设计等基本原理和开发技术； ★使用标准Linux C语言，带领读者在实验箱上从零开始设计； ★通过验证性实验和设计性实验，帮助读者逐步掌握相关应用开发技术； ★本书可作高等学校交通相关专业开设的城市交通信号控制类课程的配套实验指导书，也适合交通信号控制领域的初学者及开发人员阅读。

在新工科背景下，随着大数据、物联网、移动互联网、云计算、人工智能等新一代信息技术与城市交通信号控制领域的深度融合，培养实践创新能力强、技术复合度高的智能交通人才愈发紧迫；同时，交通信号控制作为智能交通系统中的核心技术之一，与自动驾驶、交通大数据、智能网联汽车等新兴领域的结合也更为紧密，对从业人员的持续学习能力和实践创新能力提出更高的要求。
然而，传统的智能交通控制类课程实践教学模式已愈发难以满足产业转型升级对人才培养的要求，对于交通信号控制技术的科学研究和实践教学而言，有些与交通现场实物条件相关的环节很难直接实现，严重阻碍实验教学的进行，主要体现在以下方面：
① 交通信号控制器作为基本的实践教学控制设备，由于市场采购成本较高，并且国内外不同型号的交通信号控制器往往系统兼容性不够好，控制理念及方法不尽相同，后期维护难度较大，存在电气安全隐患等问题，制约了交通信号控制设备的实践教学效果；
② 交通信号控制作为城市道路智能交通中的关键技术，是交通信息与控制课程的核心实验内容，然而由于交通信号控制涉及交通运行秩序和交通运行安全等问题，在实际现场通常难以进行交通控制实验，仅能开展交通调查一类的基础数据采集实验。
在此背景下，笔者所在的北方工业大学智能交通信号控制教学团队，结合多年实践教学经验，从早期的交通信号控制器工程实践教学模式，已逐步过渡到使用成本更低、安全性更高、开发更灵活的信号控制实验箱开发模式，该实验箱是专门面向高校教学和科研需求而进行深度定制的开发平台，不仅能够模拟现实的复杂交通控制应用场景，而且有完整的远程网络配置及监测功能。截至目前，使用该实验箱和本教程已经连续培养过5 届交通设备与控制工程专业的本科生，形成较为充实完善的专业实验体系。
为了广泛推动信控领域专业人才具备更强的实践开发能力和持续学习能力，笔者将多年的心得体会汇集成本教程，由浅入深地剖析了城市交通信号控制系统中所涉及的嵌入式开发基础、信号控制算法、数据库应用、网络与通信协议设计等基本原理和开发实现过程，整个系统高度开源并提供关键例程程序，通过验证性实验和设计性实验的有机结合，使读者逐步掌握相关基础应用开发技术，进而将技术能力衔接到未来5G、车路协同、区块链、深度学习等智能交通新领域进行探索，一起为智能交通信控领域的生态大厦添砖加瓦！
随着国家“十四五”新发展理念的贯彻实施和新基建浪潮的持续推进，智慧城市的建设高潮即将到来，笔者愿以本书为序，为智能交通行业的技术复合型人才培养贡献微薄力量。
由于笔者水平和经验有限，难免会存在一些疏漏，敬请读者批评指正，不吝赐教，请将勘误信息发至笔者邮箱：zhengguorong@ncut.edu.cn，不胜感激。

编 者
北方工业大学

本书由浅入深地剖析了城市交通信号控制系统中所涉及的嵌入式开发基础、信号控制算法、数据库应用、网络与通信协议设计等基本原理和开发技术。书中编程语言使用标准Linux C 语言，带领读者在实验箱上从零开始设计，通过验证性实验和设计性实验的有机结合，逐步掌握相关应用开发技术，并最终通过综合设计实验来检验读者的系统集成能力和复杂问题分析能力。
本书可作高等学校交通设备与控制工程、智慧交通、交通工程等本科专业开设的城市交通信号控制类课程的配套实验指导书，也适合交通信号控制领域的初学者及开发人员阅读。

第1 章 城市交通信号控制系统基础开发环境 1
1.1 交通信号控制实验箱硬件说明1
1.2 嵌入式Linux 基础开发环境搭建实验（2 学时）4
1.2.1 嵌入式Linux 基本命令及编译环境说明 4
1.2.2 验证性实验：实验箱硬件驱动接口函数及其使用示例16
1.2.3 设计性实验：交通信号跑马灯控制实验20
1.3 LinuxC 语言基础语法实验（2 学时） 21
1.3.1 Linux C 语言基础语法回顾21
1.3.2 验证性实验：Linux C 的代码调试示例32
1.3.3 设计性实验：固定参数信号控制实验36

第2 章 交通信号控制算法实验 37
2.1 固定配时控制算法实验（2 学时） 37
2.1.1 验证性实验：固定配时算法示例38
2.1.2 设计性实验：参数可调整的固定配时实验39
2.2 全灯态倒计时器控制实验（2 学时） 40
设计性实验：全灯态绿灯倒计时器控制实验40
2.3 程序结构优化控制实验（2 学时） 41
2.3.1 验证性实验：程序结构优化控制示例41
2.3.2 设计性实验：程序结构优化控制实验43
2.4 检测器多线程处理实验（2 学时） 44
2.4.1 验证性实验：检测器数据采样示例45
2.4.2 设计性实验：检测器与倒计时器联动控制实验48
2.5 全感应控制算法实验（2 学时） 49
设计性实验：全感应控制算法实验 49

第3 章 交通信号控制数据库技术实验50
3.1 数据库基础SQL 语法实验（2 学时） 50
3.1.1 数据库基础SQL 语法 51
3.1.2 数据库管理软件基本操作 58
3.2 数据库表结构设计及C 语言接口实现（2 学时） 63
3.2.1 验证性实验：C 语言操作数据库接口示例 64
3.2.2 设计性实验：数据库表结构设计及增/删/查/改实验 67
3.3 基于相位配时方案表的信号控制实验（2 学时） 68
设计性实验：基于相位配时方案表的信号控制实验 68
3.4 基于时间/日期调度表的信号控制实验（2 学时） 68
3.4.1 验证性实验：系统时间/日期实时采集实验 68
3.4.2 设计性实验：基于时间调度表的信号控制实验 70

第4 章 交通信号控制网络与通信技术实验 71
4.1 SOCKET 网络通信基础实验（2 学时） 76
4.1.1 验证性实验：基于UDP 发送网络数据包的通信示例 76
4.1.2 验证性实验：基于TCP 发送网络数据包的通信示例 79
4.1.3 验证性实验：基于UDP 接收网络数据包的通信示例 82
4.1.4 验证性实验：基于TCP 接收网络数据包的通信示例 85
4.2 基于信号控制协议解析的状态上传实验（2 学时） 88
4.2.1 验证性实验：检测器状态信息传输协议示例 88
4.2.2 设计性实验：灯态信息和实时控制方案信息传输协议实验 91
4.3 基于信号控制协议解析的控制指令下发实验（2 学时） 92
4.3.1 验证性实验：配置时间表协议解析示例 92
4.3.2 设计性实验：配置方案表协议解析实验 98

第5 章 交通信号控制系统综合设计实验99
5.1 上位机基础开发环境实验（2 学时） 100
5.1.1 上位机开发编程环境基础介绍101
5.1.2 验证性实验：上位机界面基本控件操作示例101
5.2 城市交通信号控制系统综合设计实验（2 学时） 105
5.2.1 综合设计实验内容105
5.2.2 综合设计实验要求106
5.2.3 综合设计实验步骤107

参考文献113