智能公路警示器控制系統設計*

張業明， 陳江雪， 王曉亮

(河南理工大學 機械與動力工程學院，河南 焦作 454000)

智能公路警示器控制系統設計*

張業明， 陳江雪， 王曉亮

(河南理工大學 機械與動力工程學院，河南 焦作 454000)

設計的智能公路警示器解決了現有放置和取回公路警示標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志為主要目的，擁有手動、自動兩種控制模式，通過設計，能夠智能識別白線糾正行進軌跡，實時監控反饋路況，無線遠距離操控。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； 安卓

0 引 言

截至2014年年末我國民用汽車保有量達到15 447萬輛，比上年末增長12.4 %，道路交通事故萬車死亡人數為2.22人[1]。由于人們缺乏道路事故處理經驗、車速過快、救援不及時等方面原因造成二次事故頻繁發生，為了避免二次事故，我國《中華人民共和國道路交通安全法》規定：機動車在高速公路上發生故障時，警告標志應當設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，大多數車主疏于執行，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，本文開發了一種智能公路警示器控制系統。

1 系統的控制功能設計

1.1 主要功能

1)搭載警示標志行走至預定位置：警示標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控制行走。2)智能識別白線，糾正行進軌跡。智能公路警示器右側安裝有兩組灰度傳感器用于識別白線。3)實時監測路況，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，用于監測路況。4)擁有手動、自動兩種控制方式，自由切換，科學合理。5)可以選擇不同的前進距離，體現了人性化的設計。6)一鍵收回警示器，方便快捷。

1.2 控制系統

控制系統信號流圖如圖1所示。

1.3 控制算法設計

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，手機通過搜索WiFi熱點查找并進行連接后，打開手機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”“停”五個按鈕實現智能公路警示器運動狀態的改變，用戶可以通過攝像頭監控到后方路況，從而將智能公路警示器放置在預定位置，警示完畢，通過“一鍵返回”按鈕實現智能公路警示器的一鍵收回。

圖1 控制系統信號流圖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，根據實際需要選擇“前進距離”，中央處理模塊根據灰度傳感器采集的路面信息，自動糾正小車的行進軌跡，讓小車沿著白線的方向到達預定位置，實現自動放置警示牌的功能，用戶可以通過攝像頭監控到的后方路況，警示完畢，通過“一鍵返回”按鈕實現智能公路警示器的一鍵收回。

2 系統的循跡模塊開發

2.1 傳感器位置設計

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的前后位置，每組各有兩個灰度傳感器固定于左右兩側，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，發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光二極管作為光源，光敏電阻作為光強檢測軟件，中央處理模塊利用灰度傳感器采集的路面信息，控制兩路電機的運動狀態，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。

在智能公路警示器正常前進過程中，雙路直流電機正轉，兩組灰度傳感器都檢測到白線；當A組左側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A組左側和B組左側灰度傳感器檢測不到白線而其余兩個均檢測到白線時，單片機控制右路電機減速，使得智能公路警示器右轉；當A組右側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A組右側和B組右側灰度傳感器檢測不到白線而其余兩個均檢測到白線時，單片機控制左路電機減速，使得智能公路警示器左轉。

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

2.3 循跡程序設計

根據循跡算法設計的循跡程序如下，實驗表明該程序運行流暢，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 單片機與WiFi模塊的串口通信

3.1 串口通信口令

本設計系統的數據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數據傳輸，本系統根據工作狀態所涉及的指令，將其上下位機通信口令設置為：前進==01，后退==02，左轉==03，右轉==04，停止==00，前進50 m==05，前進75 m==06，前進100 m==07，前進125 m==08，前進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)，是一個完全獨立的嵌入式無線局域網接入裝置，模塊集成了MCU，符合IEEE802.11 協議， WiFi模塊作為服務端，開放了TCP連接，端口號為2001，連到模塊的2001端口即可發送、接收數據，視頻端口為8080，請求視頻流地址為：http://IP:8080/?action=stream，默認管理地址：192.168.1.1。基于UART接口的WiFi無線網絡模塊，能夠實現用戶串口數據到無線網絡之間的交換，模塊與手機之間通信使用ASCII碼，手機將編碼變為ASCII碼進行發射，WiFi模塊接收ASCII碼并產生中斷給單片機。

該WiFi模塊具備無線路由器的功能，用于手機和智能公路警示器的遠距離無線通信，WiFi模塊通過USB數據線與單片機連接。手機通過搜索WiFi熱點查找到WiFi模塊，進行連接后，可以發送操作信號，WiFi模塊將接收到的操作信號發送給單片機，單片機進行解析后發出控制信號，調整警示器的行進狀態，實現遠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模塊發送給手機，實現實時監控路況的目的。

4 系統的手機端開發

手機端安裝有智能公路警示器安卓操作軟件，利用Eclipse軟件進行編寫開發的，Eclipse是一個開放源代碼的、基于Java的可擴展開發平臺，就其本身而言，它只是一個框架和一組服務，用于通過插件組件構建開發環境。

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”、“停”、“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”。設置不同的距離參數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，視頻顯示區位于手機顯示屏的中央，用于顯示攝像頭的監控信息[14，15]。

手機遙控部分的自動控制界面如圖3所示。

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

5 結束語

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，開發了循跡程序、單片機與WiFi模塊的通信程序以及手機端程序。通過對系統手機端和單片機端的程序調試，實現了對公路警示標志的手動和自動控制，有效解決了目前機動車在公路上發生意外事故時，車主放置和收回警示標志過程中存在安全隱患的問題。在實際應用中，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。

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[2] 全國人民代表大會常務委員會. 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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[4] 張 巖,裴曉敏,付韶彬.基于單片機的智能循跡小車設計[J].國外電子測量技術,2014,33(3):51-54.

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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務費專項資金資助項目(NSFRF140120);河南省高等學校精密制造技術與工程重點學科開放實驗室開放基金資助項目(PMTE201318A);河南理工大學博士基金資助項目(B2012—101);河南理工大學教改項目(2014JG061);河南省教育廳科技技術研究重點資助項目(14B460033)

TP 212

A

1000—9787(2016)07—0087—03

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