徐 陽

(遼寧省交通高等?？茖W(xué)校,遼寧 沈陽 110122)

0 引言

伴隨著我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,公路成為城市社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主動(dòng)脈,承載著經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的腳步,是城市社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要設(shè)施。 公路在使用過程中出現(xiàn)了大量的損傷,需要有專業(yè)的公路養(yǎng)護(hù)人員進(jìn)行頻繁的維修養(yǎng)護(hù)。 為了保障公路的正常使用,現(xiàn)在的公路養(yǎng)護(hù)工作基本都是在不過多影響公路通行的前提下進(jìn)行,公路養(yǎng)護(hù)人員的工作都具有很高的危險(xiǎn)性。現(xiàn)階段養(yǎng)護(hù)人員的安全防護(hù)手段較為落后,多采用被動(dòng)式防護(hù)模式,起不到主動(dòng)防護(hù)的作用。 因此,設(shè)計(jì)一種具有主動(dòng)預(yù)警的裝置,對(duì)公路養(yǎng)護(hù)人員生命財(cái)產(chǎn)安全有重要意義[1-4]。

1 系統(tǒng)構(gòu)思與總體設(shè)計(jì)

本文以基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的安全預(yù)警系統(tǒng)[5],設(shè)計(jì)了一款基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的公路養(yǎng)護(hù)人員無線預(yù)警肩燈。 該肩燈基于LoRa 無線物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì),可以與安全預(yù)警系統(tǒng)中的預(yù)警檢測(cè)裝置進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通信。 當(dāng)安全預(yù)警系統(tǒng)中的檢測(cè)裝置檢測(cè)到來往車輛處于危險(xiǎn)駕駛狀態(tài)時(shí),系統(tǒng)會(huì)通過LoRa 無線技術(shù)將預(yù)警信息發(fā)送給肩燈。 肩燈對(duì)接收到的信息進(jìn)行分析判斷,從而做出與之相對(duì)應(yīng)的燈光閃爍、肩燈振動(dòng)等預(yù)警動(dòng)作。 公路養(yǎng)護(hù)人員通過上述警示動(dòng)作及時(shí)獲得路面危險(xiǎn)車輛通行信息,進(jìn)而做出觀察、躲避、撤離等對(duì)應(yīng)手段。

肩燈的內(nèi)置預(yù)警動(dòng)模式包括燈光閃爍和振動(dòng)兩種,通過兩種模式的不同組合變化來顯示出不同的車輛危險(xiǎn)等級(jí)。 肩燈的燈光為紅藍(lán)雙色設(shè)計(jì),通過紅藍(lán)兩色燈珠的不同閃爍模式,如單色閃爍、雙色交替低速閃爍、雙色高速交替閃爍、雙色同時(shí)爆閃等實(shí)現(xiàn)不同預(yù)警狀態(tài)提示。 肩燈內(nèi)置的振動(dòng)馬達(dá),可以在閃爍的同時(shí)產(chǎn)生振動(dòng)功能。 馬達(dá)振動(dòng)強(qiáng)度可以隨著燈光閃爍模式發(fā)生變化,根據(jù)閃爍速度的增加,馬達(dá)的震動(dòng)強(qiáng)度也會(huì)大幅增加。 整體預(yù)警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)

2 硬件電路設(shè)計(jì)

硬件電路主要由主控單片機(jī)、LED 控制電路、充電電路、振動(dòng)馬達(dá)、LoRa 無線通信模塊等組成。

2.1 主控單片機(jī)

本設(shè)計(jì)中主控單片機(jī)采用LPC1114FBD48,該單片機(jī)采用ARM Cortex-M0 內(nèi)核,是低功耗32 位處理器,專為8/16 位微控應(yīng)用設(shè)計(jì)。 它提供高性能、低功耗、簡單指令集指令和簡化尋址指令。 單片機(jī)內(nèi)含32KB Flash、8KB SRAM、10 路A/D 轉(zhuǎn)換器、48 個(gè)通用I/O 接口、1 個(gè)加強(qiáng)型快速I2C 接口、1 個(gè)RS-485 UART 接口、2個(gè)具有SSP 功能的SPI 接口等豐富的片內(nèi)資源,很方便與LoRa 無線通信模塊連接,更容易進(jìn)行多功能拓展。

2.2 無線通信接口電路

無線數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)通信是通過LoRa 無線通信模式實(shí)現(xiàn)。 本設(shè)計(jì)采用的LoRa 模塊為E22-400T22S。 該芯片是全新一代的LoRa 無線模塊,由SEMTECH 公司SX1268 射頻芯片進(jìn)行設(shè)計(jì)。 芯片內(nèi)置無線串口模塊(UART),具有多種傳輸模式,工作頻段為410.125 ～493.125 MHz 頻段,通常默認(rèn)使用433.125 MHz,支持LoRa 擴(kuò)頻技術(shù)。 該芯片具有傳輸距離更遠(yuǎn)、速度更快、功耗更低的優(yōu)勢(shì),同時(shí)支持空中喚醒、載波監(jiān)聽、通信密鑰等功能,支持分包長度設(shè)定,可提供定制開發(fā)服務(wù)。 芯片的電路連接如圖2 所示。

圖2 LoRa 物聯(lián)網(wǎng)無線通信模塊電路

2.3 無線通信電路與充電電路

本設(shè)計(jì)中LoRa 無線通信模塊采用的是E22-400T22S。 考慮到預(yù)警肩燈設(shè)計(jì)體積應(yīng)該便于攜帶,在本設(shè)計(jì)中采用了TP4057 作為充電控制芯片,其采用PMOSFET 架構(gòu),具有放倒沖電路,無需外部檢測(cè)電阻器和隔離二極管就可工作。 同時(shí)SOT 封裝使的該芯片更具有體積優(yōu)勢(shì)。 在充電時(shí),當(dāng)電池電壓到達(dá)4.2 V時(shí),充電電流會(huì)降至57 定值的1/10 實(shí)現(xiàn)自動(dòng)終止充電。 其設(shè)計(jì)電路如圖3 所示。

圖3 TP4056 充電電路

2.4 閃爍電路和振動(dòng)馬達(dá)

振動(dòng)馬達(dá)和閃爍電路作為預(yù)警肩燈的最終預(yù)警表現(xiàn)形式,是整個(gè)設(shè)計(jì)中的重要環(huán)節(jié)。 本設(shè)計(jì)采用了紅藍(lán)兩色燈珠進(jìn)行預(yù)警顯示,通過不同顏色的閃爍模式進(jìn)行不同預(yù)警等級(jí)的警示。 部分閃爍電路如圖4 所示。 振動(dòng)馬達(dá)工作時(shí)電流通過直流電機(jī)的電刷,使之與換向器之間產(chǎn)生滑動(dòng)接觸,不同的繞組通電線圈在磁場中切割磁力線。 在直流電機(jī)上安裝一個(gè)凸輪(偏心震子),凸輪在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中重心不斷改變,可以產(chǎn)生強(qiáng)烈的振動(dòng)感。

圖4 閃爍電路

3 工作模式與功能實(shí)現(xiàn)

3.1 預(yù)警模式

本設(shè)計(jì)是基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的安全預(yù)警系統(tǒng)工作環(huán)節(jié)的最末端,負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的最終預(yù)警提示工作,其工作效果和穩(wěn)定性直接影響到整個(gè)系統(tǒng)最終的使用效果。 在肩燈工作時(shí),主控單片機(jī)負(fù)責(zé)控制LoRa 無線模塊進(jìn)行預(yù)警信息的接收與分析,同時(shí)控制閃爍和振動(dòng)電路進(jìn)行不同預(yù)警等級(jí)的預(yù)警提示。

肩燈在工作時(shí)根據(jù)接收到的預(yù)警信息進(jìn)行預(yù)警提示,其提示模式根據(jù)預(yù)警等級(jí)不同而會(huì)有不同的預(yù)警提示狀態(tài),其具體警示狀態(tài)如下。

(1)預(yù)警狀態(tài)三級(jí):該等級(jí)屬于高度危險(xiǎn)等級(jí)。 該等級(jí)表明來向車輛經(jīng)檢測(cè)分析被認(rèn)為處于危險(xiǎn)駕駛狀態(tài),而處于該狀態(tài)的車輛對(duì)公路養(yǎng)護(hù)人員具有極高的安全威脅,公路養(yǎng)護(hù)人員需要及時(shí)撤離工作現(xiàn)場以保證人身安全。 在該預(yù)警等級(jí)時(shí),肩燈上紅藍(lán)兩色燈爆閃,振動(dòng)馬達(dá)高速運(yùn)轉(zhuǎn),振動(dòng)強(qiáng)烈。

(2)預(yù)警狀態(tài)二級(jí):該等級(jí)屬于中等危險(xiǎn)等級(jí)。 該等級(jí)表明來向車輛經(jīng)檢測(cè)分析被認(rèn)為有危險(xiǎn)駕駛趨勢(shì),但尚未達(dá)到危險(xiǎn)駕駛級(jí)別。 公路養(yǎng)護(hù)人員在接收到預(yù)警提示時(shí)需要及時(shí)瞭望,觀察路面車輛狀況,從而判斷是否需要進(jìn)行撤離或閃避等動(dòng)作。 在該預(yù)警等級(jí)時(shí),肩燈上紅藍(lán)兩色燈交替閃爍,振動(dòng)馬達(dá)中低速運(yùn)轉(zhuǎn),有明顯震感。

(3)預(yù)警狀態(tài)一級(jí):該等級(jí)屬于低危險(xiǎn)等級(jí)。 該等級(jí)表明來向車輛經(jīng)檢測(cè)分析被認(rèn)為屬于正常駕駛狀態(tài),基本不會(huì)對(duì)養(yǎng)護(hù)人員造成人身威脅。 養(yǎng)護(hù)人員只需適時(shí)瞭望觀察路面狀況,無需做出特別的反應(yīng)。 在該預(yù)警等級(jí)時(shí),肩燈藍(lán)色燈緩速閃爍,振動(dòng)馬達(dá)無振動(dòng)。

根據(jù)預(yù)警肩燈的不同提示狀態(tài),公路養(yǎng)護(hù)人員可以對(duì)來向車輛的車速狀態(tài)進(jìn)行分析預(yù)估,從而通過瞭望、躲避、撤離等手段來應(yīng)對(duì)可能發(fā)生的交通危險(xiǎn),從而盡可能避免公路養(yǎng)護(hù)人員人身財(cái)產(chǎn)受到損害。

3.2 功能實(shí)現(xiàn)

本設(shè)計(jì)的目標(biāo)是使公路養(yǎng)護(hù)人員在公路施工時(shí)提高自身安全保障,通過肩燈的預(yù)警狀態(tài)變換,能夠較好地對(duì)工作人員進(jìn)行預(yù)警提示。 在實(shí)際測(cè)試中,本設(shè)計(jì)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了以下功能:

(1)能夠由LoRa 無線通信模塊進(jìn)行預(yù)警數(shù)據(jù)接收,并將雙色燈閃爍和振動(dòng)狀態(tài)預(yù)警狀態(tài)提示;

(2)能夠根據(jù)預(yù)警等級(jí)不同,實(shí)現(xiàn)肩燈在不同預(yù)警狀態(tài)的閃爍狀態(tài)控制;

(3)能夠根據(jù)預(yù)警等級(jí)不同,實(shí)現(xiàn)振動(dòng)馬達(dá)強(qiáng)弱效果變化;

(4)肩燈使用5V 充電,充電磁吸接口,充電便利。

4 實(shí)用性與可拓展性

4.1 實(shí)用性

本設(shè)計(jì)改變了公路養(yǎng)護(hù)人員只能依賴被動(dòng)防護(hù)裝置對(duì)自身安全進(jìn)行保護(hù)的現(xiàn)狀,增加了公路養(yǎng)護(hù)人員安全保障新手段。

(1)提高主動(dòng)安全防護(hù)性。 通過本設(shè)計(jì),增加了公路養(yǎng)護(hù)人員在道路養(yǎng)護(hù)施工時(shí)的主動(dòng)防護(hù)手段,減少了相關(guān)人員在工作時(shí)受到的安全威脅,提高了公路養(yǎng)護(hù)人員人身安全性,實(shí)現(xiàn)了公路養(yǎng)護(hù)人員的主動(dòng)安全防護(hù)性。

(2)攜帶方便,使用簡單。 本設(shè)計(jì)具有很高的便攜性和實(shí)用性。 肩燈設(shè)計(jì)小巧,攜帶方便,而且在使用時(shí)不會(huì)影響?zhàn)B護(hù)人員工作時(shí)對(duì)各種設(shè)備的操作使用。 同時(shí)本設(shè)備采用了低功耗設(shè)計(jì),在滿電狀態(tài)下可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)20 小時(shí)以上待機(jī)工作,非常適合戶外連續(xù)施工操作時(shí)使用。

(3)設(shè)計(jì)合理,提示明顯。 本設(shè)計(jì)充分考慮使用者的便利性,在設(shè)計(jì)時(shí)簡化了預(yù)警提示時(shí)雙色燈和振動(dòng)馬達(dá)的組合模式,便于公路養(yǎng)護(hù)人員在使用時(shí)更加容易分辨預(yù)警狀態(tài)等級(jí)。 肩燈內(nèi)置可充電鋰電池并采用磁吸接口,在免去使用者頻繁更換電池的同時(shí),磁吸充電接口能夠讓使用者在充電時(shí)輕易找到正確連接位置,免去插拔的麻煩。 肩燈提供低電量提示,每次開機(jī)會(huì)根據(jù)雙色燈珠同時(shí)閃爍數(shù)量進(jìn)行電量提示,在電量低時(shí),會(huì)進(jìn)行間隔性閃爍提示。

4.2 可拓展性

本設(shè)計(jì)針對(duì)公路養(yǎng)護(hù)人員所面臨的實(shí)際問題進(jìn)行解決處理。 在設(shè)計(jì)時(shí)考慮了產(chǎn)品的體積、功耗和便攜性等問題,并對(duì)上述問題進(jìn)行了逐一解決。 在進(jìn)行開發(fā)和測(cè)試過程中,LoRa 無線通信設(shè)備的拓展功能給開發(fā)者更多啟發(fā),預(yù)計(jì)可以進(jìn)行以下功能拓展。

(1)拓展LoRa 無線通信模塊的定位功能。 LoRa可以不依靠GPS 技術(shù)而實(shí)現(xiàn)網(wǎng)關(guān)定位。 因此,可以在施工人員進(jìn)行野外施工時(shí),對(duì)佩戴該預(yù)警肩燈的工作人員進(jìn)行定位管理,既能確定施工人員是否施工位置正確,又能監(jiān)督施工者是否在工作崗位上。

(2)拓展肩燈的主動(dòng)求救功能。 很多公路施工工作可能是在野外等復(fù)雜地段進(jìn)行,一旦出現(xiàn)危險(xiǎn)情況可能會(huì)存在無法呼救等情況。 因此,可以在本肩燈上拓展一鍵求救功能,通過LoRa 無線定位技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)人員位置的確定,同時(shí),當(dāng)求救按鈕按下后,遠(yuǎn)程服務(wù)器端會(huì)收到求救信號(hào),這樣就可以根據(jù)定位地點(diǎn)進(jìn)行合理施救。

5 結(jié)語

我國正處于經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展過程中,其中僅高速公路總里程就已經(jīng)超過了15 萬公里。 公路已經(jīng)是我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主動(dòng)脈,公路養(yǎng)護(hù)工作也成為維護(hù)動(dòng)脈安全,保障經(jīng)濟(jì)血脈順利流動(dòng)的重要工作。 努力保護(hù)公路暢通,有效保護(hù)公路養(yǎng)護(hù)人員人身安全是本設(shè)計(jì)的主要目的。 本設(shè)計(jì)通過電子化、科技化的手段提高了公路安全預(yù)警的準(zhǔn)確性,增加了公路養(yǎng)護(hù)人員的主動(dòng)防護(hù)手段,結(jié)合智慧交通、智能交通概念,推動(dòng)了公路安全預(yù)警技術(shù)的深入研究和發(fā)展。