張業(yè)明， 陳江雪， 王曉亮

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

智能公路警示器控制系統(tǒng)設(shè)計*

張業(yè)明， 陳江雪， 王曉亮

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

設(shè)計的智能公路警示器解決了現(xiàn)有放置和取回公路警示標(biāo)志過程中存在的安全隱患問題。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，擁有手動、自動兩種控制模式，通過設(shè)計，能夠智能識別白線糾正行進(jìn)軌跡，實時監(jiān)控反饋路況，無線遠(yuǎn)距離操控。實驗測試表明：智能公路警示器晝夜均可正常工作，適用于高速公路及各級道路上。

智能； 公路； 警示器； 單片機(jī)； 安卓

0 引 言

截至2014年年末我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，我國《中華人民共和國道路交通安全法》規(guī)定：機(jī)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150 m以外，以提醒后來車輛注意[2]。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。

為了改善和避免二次交通事故情況，本文開發(fā)了一種智能公路警示器控制系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)的控制功能設(shè)計

1.1 主要功能

1)搭載警示標(biāo)志行走至預(yù)定位置：警示標(biāo)志固定于智能公路警示器前端，智能公路警示器由兩路直流電機(jī)控制行走。2)智能識別白線，糾正行進(jìn)軌跡。智能公路警示器右側(cè)安裝有兩組灰度傳感器用于識別白線。3)實時監(jiān)測路況，使車主實時掌握后方狀況。高清攝像頭固定于智能公路警示器前端，用于監(jiān)測路況。4)擁有手動、自動兩種控制方式，自由切換，科學(xué)合理。5)可以選擇不同的前進(jìn)距離，體現(xiàn)了人性化的設(shè)計。6)一鍵收回警示器，方便快捷。

1.2 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)信號流圖如圖1所示。

1.3 控制算法設(shè)計

控制算法信號流程圖如圖2所示。

手動模式工作過程為：開啟智能公路警示器的電源開關(guān)，手機(jī)通過搜索WiFi熱點(diǎn)查找并進(jìn)行連接后，打開手機(jī)上的智能公路警示器操作軟件，選擇“手動”按鈕，通過操作手動操作界面的“前”“后”“左”“右”“?！蔽鍌€按鈕實現(xiàn)智能公路警示器運(yùn)動狀態(tài)的改變，用戶可以通過攝像頭監(jiān)控到后方路況，從而將智能公路警示器放置在預(yù)定位置，警示完畢，通過“一鍵返回”按鈕實現(xiàn)智能公路警示器的一鍵收回。

圖1 控制系統(tǒng)信號流圖Fig 1 Flow graph of control system signal

圖2 控制算法信號流程圖Fig 2 Flow chart of control algorithm signal

自動模式工作過程為：選擇“自動”按鈕，根據(jù)實際需要選擇“前進(jìn)距離”，中央處理模塊根據(jù)灰度傳感器采集的路面信息，自動糾正小車的行進(jìn)軌跡，讓小車沿著白線的方向到達(dá)預(yù)定位置，實現(xiàn)自動放置警示牌的功能，用戶可以通過攝像頭監(jiān)控到的后方路況，警示完畢，通過“一鍵返回”按鈕實現(xiàn)智能公路警示器的一鍵收回。

2 系統(tǒng)的循跡模塊開發(fā)

2.1 傳感器位置設(shè)計

兩組灰度傳感器在智能公路警示器分別位于警示器底盤右側(cè)的前后位置，每組各有兩個灰度傳感器固定于左右兩側(cè)，左右兩個灰度傳感器之間的距離為100 mm,略小于公路上的白線寬度150 mm。

2.2 循跡算法設(shè)計

本文選用的灰度傳感器型號為SEN1595—ID，具有靈敏度高，抗干擾能力強(qiáng)，發(fā)光源采用高亮白色聚光LED，普通照明燈基本對其無影響。工作時，灰度傳感器上的高亮白光發(fā)光二極管作為光源，光敏電阻作為光強(qiáng)檢測軟件，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)動狀態(tài)，自動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。

在智能公路警示器正常前進(jìn)過程中，雙路直流電機(jī)正轉(zhuǎn)，兩組灰度傳感器都檢測到白線；當(dāng)A組左側(cè)灰度傳感器檢測不到白線而其余三個均檢測到白線時，或者當(dāng)A組左側(cè)和B組左側(cè)灰度傳感器檢測不到白線而其余兩個均檢測到白線時，單片機(jī)控制右路電機(jī)減速，使得智能公路警示器右轉(zhuǎn)；當(dāng)A組右側(cè)灰度傳感器檢測不到白線而其余三個均檢測到白線時，或者當(dāng)A組右側(cè)和B組右側(cè)灰度傳感器檢測不到白線而其余兩個均檢測到白線時，單片機(jī)控制左路電機(jī)減速，使得智能公路警示器左轉(zhuǎn)。

在智能公路警示器正常后退過程中，雙路直流電機(jī)反轉(zhuǎn)，兩組灰度傳感器都檢測到白線；當(dāng)B組左側(cè)灰度傳感器檢測不到白線而其余三個均檢測到白線時，或者當(dāng)B組左側(cè)和A組左側(cè)灰度傳感器檢測不到白線而其余兩個均檢測到白線時，單片機(jī)控制右路電機(jī)減速，使得智能公路警示器左轉(zhuǎn)；當(dāng)B組右側(cè)灰度傳感器檢測不到白線而其余三個均檢測到白線時或者當(dāng)B組右側(cè)和A組右側(cè)灰度傳感器檢測不到白線而其余兩個均檢測到白線時，單片機(jī)控制左路電機(jī)減速，使得智能公路警示器右轉(zhuǎn)[3～10]。

2.3 循跡程序設(shè)計

根據(jù)循跡算法設(shè)計的循跡程序如下，實驗表明該程序運(yùn)行流暢，工作可靠。循跡主程序如下：

void xunji()

{ switch(YunXingZhuangTai)

{ case FORWARD:

while(Azuo==1&& Ayou==0&&

Bzuo==0&& Byou==0|| Azuo==1&&

Bzuo====1&&Ayou==0&& Byou==0)

{

Youzhuan_qianjin();

}

while(Azuo==0&& Ayou==1&&

Bzuo==0&& Byou==0|| Azuo==0&&

Bzuo====0&&Ayou==1&& Byou==1)

{

Zuozhuan_qianjin();

}

break;

case BACK:

while(Azuo==0&& Ayou==0&&

Bzuo==1&& Byou==0|| Azuo==1&&

Bzuo====1&&Ayou==0&& Byou==0)

{

Zuozhuan_houtui();

}

while(Azuo==0&& Ayou==0&&

Bzuo==0&& Byou==1|| Azuo==0&&

Bzuo====0&&Ayou==1&& Byou==1)

{

Youzhuan_houtui();

}

break;

}

}

3 單片機(jī)與WiFi模塊的串口通信

3.1 串口通信口令

本設(shè)計系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸方式采用串口通信，而STC11F32XE芯片帶有UART，可以直接利用它實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，本系統(tǒng)根據(jù)工作狀態(tài)所涉及的指令，將其上下位機(jī)通信口令設(shè)置為：前進(jìn)==01，后退==02，左轉(zhuǎn)==03，右轉(zhuǎn)==04，停止==00，前進(jìn)50 m==05，前進(jìn)75 m==06，前進(jìn)100 m==07，前進(jìn)125 m==08，前進(jìn)150 m==09。其編程如下：

void Communication_Decode(void)

{

if(buffer[0]==0x00)

{

switch(buffer[1])

{

case 0x01:YunXingZhuangTai=FORWARD;return;

case 0x02:YunXingZhuangTai=BACK;return;

……

case 0x05:YunXingZhuangTai=FORWARD;

QianJinMiShu=FORWARD_50;return;

case 0x06:YunXingZhuangTai=FORWARD;

QianJinMiShu=FORWARD_75;

return;

……

}

3.2 系統(tǒng)的WiFi模塊

WiFi模塊選用MTK7620N芯片，最高傳輸速率為150M(802.11n)，是一個完全獨(dú)立的嵌入式無線局域網(wǎng)接入裝置，模塊集成了MCU，符合IEEE802.11 協(xié)議， WiFi模塊作為服務(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://IP:8080/?action=stream，默認(rèn)管理地址：192.168.1.1?；赨ART接口的WiFi無線網(wǎng)絡(luò)模塊，能夠?qū)崿F(xiàn)用戶串口數(shù)據(jù)到無線網(wǎng)絡(luò)之間的交換，模塊與手機(jī)之間通信使用ASCII碼，手機(jī)將編碼變?yōu)锳SCII碼進(jìn)行發(fā)射，WiFi模塊接收ASCII碼并產(chǎn)生中斷給單片機(jī)。

該WiFi模塊具備無線路由器的功能，用于手機(jī)和智能公路警示器的遠(yuǎn)距離無線通信，WiFi模塊通過USB數(shù)據(jù)線與單片機(jī)連接。手機(jī)通過搜索WiFi熱點(diǎn)查找到WiFi模塊，進(jìn)行連接后，可以發(fā)送操作信號，WiFi模塊將接收到的操作信號發(fā)送給單片機(jī)，單片機(jī)進(jìn)行解析后發(fā)出控制信號，調(diào)整警示器的行進(jìn)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WiFi模塊發(fā)送給手機(jī)，實現(xiàn)實時監(jiān)控路況的目的。

4 系統(tǒng)的手機(jī)端開發(fā)

手機(jī)端安裝有智能公路警示器安卓操作軟件，利用Eclipse軟件進(jìn)行編寫開發(fā)的，Eclipse是一個開放源代碼的、基于Java的可擴(kuò)展開發(fā)平臺，就其本身而言，它只是一個框架和一組服務(wù)，用于通過插件組件構(gòu)建開發(fā)環(huán)境。

該軟件的主操作界面有三個地址框，分別是“視頻地址”、“IP地址”、“TCP/IP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50 m”、“放置75 m”、“放置100 m”、“放置125 m”、“放置150 m”、“停”、“一鍵收回”、“返回主菜單”。設(shè)置不同的距離參數(shù)是為了滿足不同路況放置不同距離的需求，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(jī)顯示屏的中央，用于顯示攝像頭的監(jiān)控信息[14，15]。

手機(jī)遙控部分的自動控制界面如圖3所示。

圖3 手機(jī)遙控部分的自動控制界面Fig 3 Automatic control interface of mobile phone remote control part

5 結(jié)束語

本文提出了智能公路警示器的控制算法、循跡算法、串口通信口令，開發(fā)了循跡程序、單片機(jī)與WiFi模塊的通信程序以及手機(jī)端程序。通過對系統(tǒng)手機(jī)端和單片機(jī)端的程序調(diào)試，實現(xiàn)了對公路警示標(biāo)志的手動和自動控制，有效解決了目前機(jī)動車在公路上發(fā)生意外事故時，車主放置和收回警示標(biāo)志過程中存在安全隱患的問題。在實際應(yīng)用中，使用方便快捷，警示效果非常明顯，適用于高速公路及各級道路上。

[1] 國家統(tǒng)計局.2014年國民經(jīng)濟(jì)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] 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.

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Design of intelligent highway warning device control system*

ZHANG Ye-ming, CHEN Jiang-xue, WANG Xiao-liang

(School of Mechanical and Power Engineering,Henan Polytechnic University,Jiaozuo 454000,China)

The designed intelligent highway warning devices solves existing safety problems during placement and retrieval of warning road signs primary purpose of intelligent highway warning device is to automatically place and recover warning signs,it has manual and automatic control modes,the intelligent highway warning device control system is designed to intelligently identify the white lines and correct travel path,real-time monitoring and feedback traffic,wireless remote control.The experiment shows that the intelligent highway warning device can work day and night,suitable for all levels of road and highway.

intelligent; highways; warning device; SCM; Android

10.13873/J.1000—9787(2016)07—0087—03

2016—05—03

河南省高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)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(diǎn)學(xué)科開放實驗室開放基金資助項目(PMTE201318A);河南理工大學(xué)博士基金資助項目(B2012—101);河南理工大學(xué)教改項目(2014JG061);河南省教育廳科技技術(shù)研究重點(diǎn)資助項目(14B460033)

TP 212

A

1000—9787(2016)07—0087—03

張業(yè)明(1979 -),男，山東肥城人，博士，副教授，中國機(jī)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)。