張業(yè)明， 陳江雪

(河南理工大學(xué) 機械與動力工程學(xué)院，河南 焦作 454000)

基于安卓和單片機的智能公路警示器*

張業(yè)明， 陳江雪

(河南理工大學(xué) 機械與動力工程學(xué)院，河南 焦作 454000)

摘要:針對目前機動車在公路上發(fā)生自身故障或交通事故時，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)志過程中存在安全隱患的問題，提出了一種基于安卓和單片機的智能公路警示器。該智能公路警示器以自動放置和收回警示標(biāo)志為主要目的，分為機械部分、單片機控制部分和安卓手機遙控部分，能夠在高速公路及各級公路上搭載警示標(biāo)志，智能識別白線，糾正行進軌跡，自動行走至預(yù)定位置，實時監(jiān)控反饋路況，一鍵收回警示器。實驗測試表明：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，完全自動化，方便快捷，車主實時掌握后方路況，十分人性化，手持終端有手動、自動兩種控制模式，自由切換，方便靈活。

關(guān)鍵詞:智能； 公路； 警示器； 單片機； 遙控

0引言

隨著中國社會的不斷發(fā)展，機動車數(shù)量越來越多，截至到2014年年末全國民用汽車保有量達(dá)到15 447萬輛，比上年末增長12.4 %，道路交通事故萬車死亡人數(shù)為2.22人[1]，由于人們?nèi)狈Φ缆肥鹿侍幚斫?jīng)驗、車速過快、救援不及時等方面原因造成二次事故頻繁發(fā)生,為了避免二次事故，歐洲等西方國家均實施在車輛后方放置三角警示牌的方法[2]，我國《中華人民共和國道路交通安全法》規(guī)定：機動車在高速公路上發(fā)生故障時，警告標(biāo)志應(yīng)當(dāng)設(shè)置在故障車來車方向150m以外，以提醒后來車輛注意[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，人在高速公路上行走也具有一定的危險性。為了改善和避免以上情況，本文設(shè)計并開發(fā)了一種基于安卓和單片機的智能公路警示器，實現(xiàn)了自動放置和收回公路警示標(biāo)志的主要目的，體現(xiàn)了“呵護生命，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械部分、警示器的單片機控制部分和警示器的手機遙控部分構(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，自動行走至預(yù)定位置。2)能夠智能識別白線，糾正行進軌跡。3)能夠?qū)崟r監(jiān)測路況，使車主實時掌握后方狀況。4)手動、自動兩種控制方式，自由切換，更加科學(xué)合理。5)用戶可以根據(jù)實際需要自由選擇不同的前進距離，體現(xiàn)了人性化的設(shè)計。6)能夠一鍵收回警示器，方便快捷。

2智能公路警示器機械部分

2.1機械部分的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖2為警示器的機械部分系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

圖2　警示器的機械部分系統(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，灰度傳感器保護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。

2.2機械部分的警示標(biāo)志

警示標(biāo)志是國家標(biāo)準(zhǔn)機動車用三角警示牌[4,5]，是由塑料反光材料做成的被動反光體，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機械部分的固定支架

固定支架是用SolidWorks軟件進行三維建模設(shè)計，然后用PLA材料通過Up軟件和3D打印技術(shù)制作而成?？ú墼O(shè)計方便了警示標(biāo)志的拆卸，勒板設(shè)計提高了固定支架的結(jié)構(gòu)強度，結(jié)構(gòu)精巧。

2.4機械部分的灰度傳感器保護罩

灰度傳感器保護罩的制作方法與固定支架相同?？紤]到傳感器對工作環(huán)境的敏感性，通過設(shè)計制造灰度傳感器保護罩保證了灰度傳感器相對穩(wěn)定的工作環(huán)境，從而實現(xiàn)警示器的全天候工作。

2.5機械部分的伸出支架和底盤

伸出支架和底盤是用CAD軟件進行繪圖設(shè)計，然后用亞克力板材料通過激光切割機制作而成，亞克力板材料抗沖擊力強、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個伸出支架的右側(cè)。

2.6機械部分的車輪

車輪是普通橡膠車輪，安裝在底盤兩側(cè)各1組，4個車輪分別連接著4個電機，通過對電機的控制從而實現(xiàn)整個警示器的前進、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)等動作。

3智能公路警示器單片機控制部分

3.1片機控制部分的系統(tǒng)組成

圖3為警示器的單片機控制部分系統(tǒng)組成。

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

攝像頭與無線通信模塊連接，無線通信模塊、電動機驅(qū)動模塊、電源以及灰度傳感器均與中央處理模塊連接，電機驅(qū)動模塊與電機連接[6～10]。

3.2單片機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，該單片機具有32K在系統(tǒng)可編程Flash存儲器，功耗低，強抗干擾。中央處理模塊通過無線通信模塊與手機遙控部分進行數(shù)據(jù)傳輸，中央處理模塊實時處理輸入信號，并輸出控制信號給電機驅(qū)動模塊。

3.3單片機控制部分的電機驅(qū)動模塊

電機驅(qū)動模塊選用SGS公司生產(chǎn)的L298電機驅(qū)動芯片,用于放大中央處理模塊輸出的控制信號，內(nèi)置雙路全橋驅(qū)動電路,可驅(qū)動2路直流電機,也可以驅(qū)動兩相步進電機。當(dāng)電機驅(qū)動模塊接收到來自中央處理模塊的控制信號時，通過控制電機的運動狀態(tài)進而控制警示器的行進軌跡。

3.4單片機控制部分的灰度傳感器

灰度傳感器為SEN1595—ID型號，該產(chǎn)品靈敏度高，抗干擾能力強，發(fā)光源采用高亮白色聚光LED，普通照明燈基本對其無影響。中央處理模塊利用灰度傳感器采集的路面信息，控制兩路電機的運動狀態(tài)，自動糾正智能公路警示器的行進軌跡，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USB數(shù)據(jù)線與無線通信模塊進行連接。攝像頭用于監(jiān)控路況，并通過無線通信模塊將數(shù)據(jù)傳輸至手機遙控部分。

3.6單片機控制部分的無線通信模塊

無線通信模塊部分的數(shù)據(jù)傳輸圖如圖5所示。

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

無線通信模塊選用MTK7620N芯片，最高傳輸速率為150M(802.11n)，該無線通信模塊是一個完全獨立的嵌入式無線局域網(wǎng)接入裝置，模塊集成了MCU、符合802.11b/g/n協(xié)議，該無線通信模塊是一個服務(wù)端，開放了TCP連接，端口號為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，請求視頻流地址為：http:∥192.168.1.1:8080/?action=stream。該無線通信模塊具備WiFi無線路由器的功能，用于手機遙控部分和智能公路警示器的遠(yuǎn)距離無線通信，無線通信模塊通過USB數(shù)據(jù)線與中央處理模塊連接。手機遙控部分通過搜索WiFi熱點查找到該無線通信模塊，進行連接后，可以發(fā)送操作信號，無線通信模塊將接收到的操作信號發(fā)送給中央處理模塊，中央處理模塊進行解析后發(fā)出控制信號，調(diào)整警示器的行進狀態(tài)，實現(xiàn)遠(yuǎn)距離無線遙控警示器的目的，攝像頭將捕捉到的路況信息通過無線通信模塊發(fā)送給手機遙控部分，實現(xiàn)實時監(jiān)控路況的目的。

4智能公路警示器手機遙控部分

手機遙控部分安裝有智能公路警示器安卓操作軟件，在手動操作界面和自動操作界面有視頻顯示區(qū)，視頻顯示區(qū)位于手機顯示屏的中央，用于顯示攝像頭的監(jiān)控信息。該軟件的主操作界面有3個地址框，分別是“視頻地址”、“IP地址”、“TCP協(xié)議端口地址”，兩個操作按鈕，分別是“手動”“自動”。手動控制模式主要應(yīng)用于路面白線不明顯的特殊路況，在手動操作界面有7個操作按鈕，分別是“前”、“后”、“左”、“右”、“?！?、“一鍵收回”、“返回主菜單”。在自動操作界面有8個操作按鈕，分別是“放置50m”、“放置75m”、“放置100m”、“放置125m”、“放置150m”、“?！?、“一鍵收回”、“返回主菜單”，自動操作界面設(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)為手機遙控部分的主操作界面，圖6(b)為手機遙控部分的手動操作界面，圖6(c)為手機遙控部分的自動操作界面，圖7為該警示器的系統(tǒng)操作流程圖。

圖6　手機遙控操作界面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試實驗

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

由表1知，通過選配高增益天線可以提高無線通信距離，考慮到天線傳輸距離容易受到周圍物體影響，實際使用中建議選用9dBi及以上的天線來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行爬坡能力測試，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 %

以上實驗測試表明，該智能公路警示器的正常工作范圍26.8 %遠(yuǎn)大于我國公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的四級公路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道路上。

實驗測試表明，該警示器能夠完成自動放置和收回公路警示標(biāo)志的設(shè)計目的，可進行全天候工作，警示效果明顯。

表1　不同功率天線的室外傳輸距離測試數(shù)據(jù)

圖8　警示器測試實拍圖Fig 8　Test real shot chart of warning device

6結(jié)束語

智能公路警示器基于安卓手機遙控和單片機控制，通過對系統(tǒng)硬件和軟件進行綜合調(diào)試，能夠完成自動放置和收回公路警示標(biāo)志的主要目的，體現(xiàn)了“呵護生命，以人為本”的安全理念。解決了目前機動車在公路上發(fā)生自身故障或交通事故時，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)志過程中存在安全隱患的問題。該智能公路警示器放置和回收一鍵完成，完全自動化，方便快捷，實時監(jiān)控路況，自動糾正軌跡，手動控制和自動控制兩種模式，十分人性化，整體結(jié)構(gòu)緊湊，制造成本低，功能明確可靠。

參考文獻(xiàn):

[1]國家統(tǒng)計局. 2014年國民經(jīng)濟和社會發(fā)展統(tǒng)計公報[EB/OL].2015—02—26.http:∥www.stats.gov.cn/tjsj/zxfb/201502/t20150226_685799.html.

[2]歐洲標(biāo)準(zhǔn).ECER27關(guān)于三角警示牌認(rèn)證的統(tǒng)一規(guī)定[S].1999.

[3]全國人民代表大會常務(wù)委員會. 中華人民共和國道路交通安全法[EB/OL]. 2011—04—22.http:∥www.npc.gov.cn/npc/xinwen/2011—04/23/content_1653570.htm.

[4]中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.GB19151—2003機動車用三角警告牌[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2004.

[5]李玲.三角警示牌[J].汽車技術(shù),2001(5):42-43.

[6]張巖,裴曉敏,付韶彬.基于單片機的智能循跡小車設(shè)計[J].國外電子測量技術(shù),2014,33(3):51-54.

[7]葉鄭凱，朱建鴻，李琳，等.基于單片機的無線遙控智能小車的設(shè)計與實現(xiàn)[J].計算機與現(xiàn)代化,2012 (10):65-67.

[8]韻卓，陳龍冬，劉富.基于飛思卡爾單片機的智能電動小車設(shè)計[J].吉林大學(xué)學(xué)報:信息科學(xué)版,2013,31(3):272-278.

[9]朱思敏.自循跡智能小車控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[D].杭州：浙江工業(yè)大學(xué)，2013.

[10] 馬丹萍，李勇，梁勤歐.無線遙控智能小車的運動模擬及軌跡繪制[J].浙江師范大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2015,38(1):116-120.

[11] 陳宏興，周風(fēng)余，吳國鵬，等.移動機器人的安卓智能手機遙控軟件系統(tǒng)[J].可編程控制器與工廠自動化,2014(6):91-94.

[12] 王宇陽，楊奕，韓志.基于Android設(shè)備的WiFi智能監(jiān)控機器人設(shè)計[J].計算機與數(shù)字工程,2014,42(12):2410-2414.

[13] 楊玲，朱江，程勇，等.基于安卓的無線體征信息監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J].電子測量技術(shù),2015,38(9):121-124.

[14] 孟禹.基于WIFI網(wǎng)絡(luò)的智能監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[D].廣州：廣東工業(yè)大學(xué)，2015.

[15] 中華人民共和國交通運輸部.JTGB01—2014中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)：公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[S].北京：人民交通出版社,2014.

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

*基金項目：河南省高校基本科研業(yè)務(wù)費專項資金資助項目(NSFRF140120)；河南省高等學(xué)校精密制造技術(shù)與工程重點學(xué)科開放實驗室基金資助項目(PMTE201318A)；河南省教育廳科學(xué)技術(shù)研究重點資助項目(14B460033)；河南理工大學(xué)博士基金資助項目(B2012—101)；河南理工大學(xué)教育教學(xué)改革研究項目(2014JG061)

中圖分類號:TP 391

文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

文章編號:1000—9787(2016)04—0093—04

作者簡介:

張業(yè)明(1979-),男，山東肥城人，博士，副教授，中國機械工程學(xué)會高級會員(G16150551)，研究方向為生產(chǎn)過程自動化技術(shù)、氣動節(jié)能技術(shù)、氣動伺服控制技術(shù)、氣動系統(tǒng)的儲能換熱和系統(tǒng)仿真技術(shù)。