張業(yè)明， 陳江雪

(河南理工大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，河南 焦作 454000)

基于安卓和單片機(jī)的智能公路警示器*

張業(yè)明， 陳江雪

(河南理工大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，河南 焦作 454000)

摘要:針對(duì)目前機(jī)動(dòng)車在公路上發(fā)生自身故障或交通事故時(shí)，為了避免二次事故，車主在向車輛后方放置和收回警示標(biāo)志過(guò)程中存在安全隱患的問(wèn)題，提出了一種基于安卓和單片機(jī)的智能公路警示器。該智能公路警示器以自動(dòng)放置和收回警示標(biāo)志為主要目的，分為機(jī)械部分、單片機(jī)控制部分和安卓手機(jī)遙控部分，能夠在高速公路及各級(jí)公路上搭載警示標(biāo)志，智能識(shí)別白線，糾正行進(jìn)軌跡，自動(dòng)行走至預(yù)定位置，實(shí)時(shí)監(jiān)控反饋路況，一鍵收回警示器。實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明：該智能公路警示器晝夜均可正常工作，放置和收回一鍵完成，完全自動(dòng)化，方便快捷，車主實(shí)時(shí)掌握后方路況，十分人性化，手持終端有手動(dòng)、自動(dòng)兩種控制模式，自由切換，方便靈活。

關(guān)鍵詞:智能； 公路； 警示器； 單片機(jī)； 遙控

0引言

隨著中國(guó)社會(huì)的不斷發(fā)展，機(jī)動(dòng)車數(shù)量越來(lái)越多，截至到2014年年末全國(guó)民用汽車保有量達(dá)到15 447萬(wàn)輛，比上年末增長(zhǎng)12.4 %，道路交通事故萬(wàn)車死亡人數(shù)為2.22人[1]，由于人們?nèi)狈Φ缆肥鹿侍幚斫?jīng)驗(yàn)、車速過(guò)快、救援不及時(shí)等方面原因造成二次事故頻繁發(fā)生,為了避免二次事故，歐洲等西方國(guó)家均實(shí)施在車輛后方放置三角警示牌的方法[2]，我國(guó)《中華人民共和國(guó)道路交通安全法》規(guī)定：機(jī)動(dòng)車在高速公路上發(fā)生故障時(shí)，警告標(biāo)志應(yīng)當(dāng)設(shè)置在故障車來(lái)車方向150m以外，以提醒后來(lái)車輛注意[3]。然而放置距離較遠(yuǎn)，大多數(shù)車主疏于執(zhí)行，留下了安全隱患，同時(shí)，人在高速公路上行走也具有一定的危險(xiǎn)性。為了改善和避免以上情況，本文設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)了一種基于安卓和單片機(jī)的智能公路警示器，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)放置和收回公路警示標(biāo)志的主要目的，體現(xiàn)了“呵護(hù)生命，以人為本”的安全理念。

1智能公路警示器的系統(tǒng)構(gòu)成

智能公路警示器主要由警示器的機(jī)械部分、警示器的單片機(jī)控制部分和警示器的手機(jī)遙控部分構(gòu)成。圖1為該警示器的系統(tǒng)整體三維圖。

圖1　警示器的系統(tǒng)整體三維圖Fig 1　Three-dimensional map of whole system of warning device

智能公路警示器的主要功能:1)能夠搭載警示標(biāo)志，自動(dòng)行走至預(yù)定位置。2)能夠智能識(shí)別白線，糾正行進(jìn)軌跡。3)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)路況，使車主實(shí)時(shí)掌握后方狀況。4)手動(dòng)、自動(dòng)兩種控制方式，自由切換，更加科學(xué)合理。5)用戶可以根據(jù)實(shí)際需要自由選擇不同的前進(jìn)距離，體現(xiàn)了人性化的設(shè)計(jì)。6)能夠一鍵收回警示器，方便快捷。

2智能公路警示器機(jī)械部分

2.1機(jī)械部分的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖2為警示器的機(jī)械部分系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

圖2　警示器的機(jī)械部分系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig 2　System configuration of mechanical part of warning device

警示標(biāo)志通過(guò)固定支架固定于底盤前部，車輪固定于底盤上，伸出支架固定于底盤右側(cè)，前后各一個(gè)，灰度傳感器保護(hù)罩安裝在伸出支架遠(yuǎn)離底盤的一側(cè)，共有2組，每組2個(gè)。

2.2機(jī)械部分的警示標(biāo)志

警示標(biāo)志是國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)機(jī)動(dòng)車用三角警示牌[4,5]，是由塑料反光材料做成的被動(dòng)反光體，駕駛員在路上遇到突發(fā)故障停車檢修或者是發(fā)生意外事故的時(shí)候，利用三角警示牌的回復(fù)反光性能，可以提醒其它車輛注意避讓，以免發(fā)生二次事故。

2.3機(jī)械部分的固定支架

固定支架是用SolidWorks軟件進(jìn)行三維建模設(shè)計(jì)，然后用PLA材料通過(guò)Up軟件和3D打印技術(shù)制作而成。卡槽設(shè)計(jì)方便了警示標(biāo)志的拆卸，勒板設(shè)計(jì)提高了固定支架的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，結(jié)構(gòu)精巧。

2.4機(jī)械部分的灰度傳感器保護(hù)罩

灰度傳感器保護(hù)罩的制作方法與固定支架相同?？紤]到傳感器對(duì)工作環(huán)境的敏感性，通過(guò)設(shè)計(jì)制造灰度傳感器保護(hù)罩保證了灰度傳感器相對(duì)穩(wěn)定的工作環(huán)境，從而實(shí)現(xiàn)警示器的全天候工作。

2.5機(jī)械部分的伸出支架和底盤

伸出支架和底盤是用CAD軟件進(jìn)行繪圖設(shè)計(jì)，然后用亞克力板材料通過(guò)激光切割機(jī)制作而成，亞克力板材料抗沖擊力強(qiáng)、自重輕、硬度高，保證了其結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，2組灰度傳感器安裝在2個(gè)伸出支架的右側(cè)。

2.6機(jī)械部分的車輪

車輪是普通橡膠車輪，安裝在底盤兩側(cè)各1組，4個(gè)車輪分別連接著4個(gè)電機(jī)，通過(guò)對(duì)電機(jī)的控制從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)警示器的前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)等動(dòng)作。

3智能公路警示器單片機(jī)控制部分

3.1片機(jī)控制部分的系統(tǒng)組成

圖3為警示器的單片機(jī)控制部分系統(tǒng)組成。

圖3　警示器的單片機(jī)控制部分系統(tǒng)組成Fig 3　System constitution of SCM control part of warning device

攝像頭與無(wú)線通信模塊連接，無(wú)線通信模塊、電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、電源以及灰度傳感器均與中央處理模塊連接，電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊與電機(jī)連接[6～10]。

3.2單片機(jī)控制部分的中央處理模塊

中央處理模塊選用宏晶科技有限公司生產(chǎn)的STC11F32XE單片機(jī)，該單片機(jī)具有32K在系統(tǒng)可編程Flash存儲(chǔ)器，功耗低，強(qiáng)抗干擾。中央處理模塊通過(guò)無(wú)線通信模塊與手機(jī)遙控部分進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，中央處理模塊實(shí)時(shí)處理輸入信號(hào)，并輸出控制信號(hào)給電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊。

3.3單片機(jī)控制部分的電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊選用SGS公司生產(chǎn)的L298電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片,用于放大中央處理模塊輸出的控制信號(hào)，內(nèi)置雙路全橋驅(qū)動(dòng)電路,可驅(qū)動(dòng)2路直流電機(jī),也可以驅(qū)動(dòng)兩相步進(jìn)電機(jī)。當(dāng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊接收到來(lái)自中央處理模塊的控制信號(hào)時(shí)，通過(guò)控制電機(jī)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)而控制警示器的行進(jìn)軌跡。

3.4單片機(jī)控制部分的灰度傳感器

灰度傳感器為SEN1595—ID型號(hào)，該產(chǎn)品靈敏度高，抗干擾能力強(qiáng)，發(fā)光源采用高亮白色聚光LED，普通照明燈基本對(duì)其無(wú)影響。中央處理模塊利用灰度傳感器采集的路面信息，控制兩路電機(jī)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，自動(dòng)糾正智能公路警示器的行進(jìn)軌跡，避免智能公路警示器越入正常車道。其原理圖如圖4所示。

圖4　灰度傳感器原理圖Fig 4　Principle digram of gray sensor

3.5單片機(jī)控制部分的攝像頭

攝像頭選用普通高清攝像頭，攝像頭通過(guò)USB數(shù)據(jù)線與無(wú)線通信模塊進(jìn)行連接。攝像頭用于監(jiān)控路況，并通過(guò)無(wú)線通信模塊將數(shù)據(jù)傳輸至手機(jī)遙控部分。

3.6單片機(jī)控制部分的無(wú)線通信模塊

無(wú)線通信模塊部分的數(shù)據(jù)傳輸圖如圖5所示。

圖5　無(wú)線通信模塊部分的數(shù)據(jù)傳輸圖Fig 5　Data transmission diagram of wireless communication module

無(wú)線通信模塊選用MTK7620N芯片，最高傳輸速率為150M(802.11n)，該無(wú)線通信模塊是一個(gè)完全獨(dú)立的嵌入式無(wú)線局域網(wǎng)接入裝置，模塊集成了MCU、符合802.11b/g/n協(xié)議，該無(wú)線通信模塊是一個(gè)服務(wù)端，開(kāi)放了TCP連接，端口號(hào)為2001，連到模塊的2001端口即可發(fā)送、接收數(shù)據(jù)，視頻端口為8080，請(qǐng)求視頻流地址為：http:∥192.168.1.1:8080/?action=stream。該無(wú)線通信模塊具備WiFi無(wú)線路由器的功能，用于手機(jī)遙控部分和智能公路警示器的遠(yuǎn)距離無(wú)線通信，無(wú)線通信模塊通過(guò)USB數(shù)據(jù)線與中央處理模塊連接。手機(jī)遙控部分通過(guò)搜索WiFi熱點(diǎn)查找到該無(wú)線通信模塊，進(jìn)行連接后，可以發(fā)送操作信號(hào)，無(wú)線通信模塊將接收到的操作信號(hào)發(fā)送給中央處理模塊，中央處理模塊進(jìn)行解析后發(fā)出控制信號(hào)，調(diào)整警示器的行進(jìn)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離無(wú)線遙控警示器的目的，攝像頭將捕捉到的路況信息通過(guò)無(wú)線通信模塊發(fā)送給手機(jī)遙控部分，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控路況的目的。

4智能公路警示器手機(jī)遙控部分

手機(jī)遙控部分安裝有智能公路警示器安卓操作軟件，在手動(dòng)操作界面和自動(dòng)操作界面有視頻顯示區(qū)，視頻顯示區(qū)位于手機(jī)顯示屏的中央，用于顯示攝像頭的監(jiān)控信息。該軟件的主操作界面有3個(gè)地址框，分別是“視頻地址”、“IP地址”、“TCP協(xié)議端口地址”，兩個(gè)操作按鈕，分別是“手動(dòng)”“自動(dòng)”。手動(dòng)控制模式主要應(yīng)用于路面白線不明顯的特殊路況，在手動(dòng)操作界面有7個(gè)操作按鈕，分別是“前”、“后”、“左”、“右”、“?！?、“一鍵收回”、“返回主菜單”。在自動(dòng)操作界面有8個(gè)操作按鈕，分別是“放置50m”、“放置75m”、“放置100m”、“放置125m”、“放置150m”、“停”、“一鍵收回”、“返回主菜單”，自動(dòng)操作界面設(shè)置不同的距離參數(shù)滿足不同路況放置不同距離的需求[11～14]。

圖6(a)為手機(jī)遙控部分的主操作界面，圖6(b)為手機(jī)遙控部分的手動(dòng)操作界面，圖6(c)為手機(jī)遙控部分的自動(dòng)操作界面，圖7為該警示器的系統(tǒng)操作流程圖。

圖6　手機(jī)遙控操作界面Fig 6　Remote control operation interface of cell phone

圖7　警示器的系統(tǒng)操作流程圖Fig 7　System operation flow chart of warning device

5智能公路警示器的測(cè)試實(shí)驗(yàn)

表1為不同功率天線的室外傳輸距離測(cè)試數(shù)據(jù)，圖8(a)為警示器的夜晚工作測(cè)試實(shí)拍圖，圖8(b)警示器的白天工作測(cè)試實(shí)拍圖,圖8(c)警示器的爬坡測(cè)試實(shí)拍圖。

由表1知，通過(guò)選配高增益天線可以提高無(wú)線通信距離，考慮到天線傳輸距離容易受到周圍物體影響，實(shí)際使用中建議選用9dBi及以上的天線來(lái)配備該智能公路警示器，以滿足最大放置150m距離的需求。

選取表面粗糙度與瀝青路面公路相近的石板進(jìn)行爬坡能力測(cè)試，該智能公路警示器正常工作的最大傾角為15°。

坡度= 高程差/水平距離,即

tan15°=26.8 %

以上實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明，該智能公路警示器的正常工作范圍26.8 %遠(yuǎn)大于我國(guó)公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的四級(jí)公路10 %的坡度[15]，所以,該智能公路警示器主要應(yīng)用于高速公路及各級(jí)道路上。

實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明，該警示器能夠完成自動(dòng)放置和收回公路警示標(biāo)志的設(shè)計(jì)目的，可進(jìn)行全天候工作，警示效果明顯。

表1　不同功率天線的室外傳輸距離測(cè)試數(shù)據(jù)

圖8　警示器測(cè)試實(shí)拍圖Fig 8　Test real shot chart of warning device

6結(jié)束語(yǔ)

智能公路警示器基于安卓手機(jī)遙控和單片機(jī)控制，通過(guò)對(duì)系統(tǒng)硬件和軟件進(jìn)行綜合調(diào)試，能夠完成自動(dòng)放置和收回公路警示標(biāo)志的主要目的，體現(xiàn)了“呵護(hù)生命，以人為本”的安全理念。解決了目前機(jī)動(dòng)車在公路上發(fā)生自身故障或交通事故時(shí)，為了避免二次事故，車主在向車輛后方放置和收回警示標(biāo)志過(guò)程中存在安全隱患的問(wèn)題。該智能公路警示器放置和回收一鍵完成，完全自動(dòng)化，方便快捷，實(shí)時(shí)監(jiān)控路況，自動(dòng)糾正軌跡，手動(dòng)控制和自動(dòng)控制兩種模式，十分人性化，整體結(jié)構(gòu)緊湊，制造成本低，功能明確可靠。

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IntelligenthighwaywarningdevicebasedonAndroidandSCM*

ZHANGYe-ming，CHENJiang-xue

(SchoolofMechanicalandPowerEngineering,HenanPolytechnicUniversity,Jiaozuo454000,China)

Abstract:In view of current motor vehicle on a road of their own failure or accidents, in order to avoid secondary accidents, there are security risks in the process when owners place and take back warning signs in rear of vehicle, SmartWay warning device is proposed based on Android and SCM. Primary purpose of intelligent highway warning device is to automatically place and take back warning signs, it is divided into mechanical parts, single-chip control section, and Android remote part, it can carry warning signs, identify white lines on highway and at all levels of road, correct traveling track, automatically walk to predetermined position, real-time monitor and feedback road condition, take back warning device by one key. Experimental tests show that the intelligent highway warning device can work day and night, placement and taking back can be completed by a button, fully automated, fast and convenient, the owner can real-time master rear roads, very user-friendly, hand-held terminal has manual and automatic control modes, free switch, convenient and flexible.

Key words:intelligent; highway; warning device; single chip micyoco(SCM); remote control

DOI:10.13873/J.1000—9787(2016)04—0093—04

收稿日期：2016—03—07

*基金項(xiàng)目：河南省高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(NSFRF140120)；河南省高等學(xué)校精密制造技術(shù)與工程重點(diǎn)學(xué)科開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室基金資助項(xiàng)目(PMTE201318A)；河南省教育廳科學(xué)技術(shù)研究重點(diǎn)資助項(xiàng)目(14B460033)；河南理工大學(xué)博士基金資助項(xiàng)目(B2012—101)；河南理工大學(xué)教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目(2014JG061)

中圖分類號(hào):TP 391

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1000—9787(2016)04—0093—04

作者簡(jiǎn)介:

張業(yè)明(1979-),男，山東肥城人，博士，副教授，中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)高級(jí)會(huì)員(G16150551)，研究方向?yàn)樯a(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化技術(shù)、氣動(dòng)節(jié)能技術(shù)、氣動(dòng)伺服控制技術(shù)、氣動(dòng)系統(tǒng)的儲(chǔ)能換熱和系統(tǒng)仿真技術(shù)。