基于高速公路自能源的LED交通標(biāo)志

康尹 魏炯超 姜楊 陳曉斌 周雨萌

摘要??? 通過能量轉(zhuǎn)換器將高速公路中車輛行駛過程中的風(fēng)能、聲能、振動能、光能中的一種或幾種轉(zhuǎn)換成電能，利用所生產(chǎn)的電能智能控制LED交通標(biāo)志發(fā)光，在低能見度情況下以遠(yuǎn)優(yōu)于普通反光膜標(biāo)志的視認(rèn)性能實現(xiàn)遠(yuǎn)距離道路識別，本文針對此相關(guān)問題進(jìn)行了分析。

【關(guān)鍵詞】高速公路 自能源 LED交通標(biāo)志

高速公路自能源，即一種具有強耦合性、互補性、開放性，能夠?qū)崿F(xiàn)智能控制，將高速公路中不同種類能源轉(zhuǎn)換成自己所需能源，集生產(chǎn)與消費于一身的自治能源主體。基于高速公路自能源的LED交通標(biāo)志主要設(shè)置在超速道外側(cè)，它包括道路自能源轉(zhuǎn)換器、電能儲存器、智能控制模塊、LED光組。伴隨社會經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，高速公路里程會不斷發(fā)展，同時在多樣復(fù)雜的路況條件下，如何確保行車安全是道路交通行業(yè)發(fā)展需要關(guān)注的首要問題。設(shè)計和應(yīng)用自能源的LED交通標(biāo)志對于保證道路交通安全具有現(xiàn)實意義。

1 高速公路交通標(biāo)志應(yīng)用現(xiàn)狀

高速公路通過技術(shù)手段預(yù)防由于道路狀況、道路環(huán)境、道路線形、氣候等客觀因素造成的交通事故，在路邊設(shè)置反光膜標(biāo)志是常用方法，以黃光反光膜標(biāo)志為主。而根據(jù)相關(guān)部門的實地調(diào)研及數(shù)據(jù)調(diào)查統(tǒng)計，在彎道、上下坡度大的坡道等地形復(fù)雜路段，司機視野會不斷變化，雨霧天氣、夜間能見度低以及隧道等不良道路通行條件下，道路反光膜標(biāo)志的視認(rèn)性能會顯著降低，甚至不能被識別，極易引發(fā)交通事故。在夜晚、隧道內(nèi)部、包括雨霧天氣等光線暗的環(huán)境中設(shè)置更為有效的道路標(biāo)識，讓駕駛員更容易正確判斷行車方向和障礙物，可以極大地減少事故，增加交通安全性。

2 高速公路自能源的LED交通標(biāo)志設(shè)計與應(yīng)用

2.1 LED交通標(biāo)志的設(shè)計原理

以聲控開關(guān)作為車輛目標(biāo)檢測器，利用車輛行駛過程中較大的噪聲（車輛行駛過某點，聲音大概為70分貝，具體數(shù)值因具體車輛和車速以及距離而定），設(shè)置出發(fā)聲音傳感器的閾值，若聲音傳感器被觸發(fā)則說明將有車輛即將通行，輸送信號給MCU以點亮該LED光組。與此同時，該LED標(biāo)志燈樁內(nèi)的智能控制模塊通過無線模塊發(fā)送編序為0的信息，幾乎瞬時的告知下一LED標(biāo)志燈樁有車即將來臨。下一LED標(biāo)志燈樁則點亮自身的LED光組。以此類推，因此可通過算法改進(jìn)的方式，控制當(dāng)有車來臨時，同時點亮了從第1個到第N個LED標(biāo)志，即控制0到L（實例優(yōu)選為L=300m）的路段當(dāng)車經(jīng)過上一個LED標(biāo)志燈樁后，聲音傳感器到N個的電平信號會逐漸減少，上一個LED燈樁熄滅自己的LED光組的同時會發(fā)送編序為1的信息，告知車已經(jīng)經(jīng)過該點，此第N+1個LED標(biāo)志燈，以保證始終有距離車為L的范圍內(nèi)所有的LED標(biāo)志燈都點亮。

2.2 能量轉(zhuǎn)換器的設(shè)計與應(yīng)用

能量轉(zhuǎn)換器是LED交通標(biāo)志應(yīng)用的關(guān)鍵。通過能量轉(zhuǎn)換器將道路上汽車行駛時產(chǎn)生的風(fēng)能、噪聲能、振動能以及燈光能中的一種或多種能源，轉(zhuǎn)換為電能儲存到電能儲存器中。本設(shè)計主要以風(fēng)能轉(zhuǎn)換為主，汽車在行車道帶來的風(fēng)使得風(fēng)葉片轉(zhuǎn)動，帶動發(fā)電機產(chǎn)生交流電，再經(jīng)過整流器使得交流變成直流，最后將電傳輸給儲電系統(tǒng)，在儲電的同時又通過放電直接將直流電提供給負(fù)載。

2.3 電能儲存器的設(shè)計與應(yīng)用

鋰離子儲電系統(tǒng)包括鋰離子電池和電池保護(hù)電路以及穩(wěn)壓電路。能量轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換得的交流電，通過整流器流出的直流進(jìn)入鋰離子儲電系統(tǒng)內(nèi)。

首先穩(wěn)壓電路將電壓降到一定的數(shù)值，然后給鋰離子電池充電，當(dāng)電池充滿后，電池保護(hù)電路自動斷開充電，將多余的電通過電線傳到地下。在負(fù)載需要用電時，電能儲存器可以及時的給負(fù)載提供電能。

2.4 其他傳感器與場景的應(yīng)用

根據(jù)自身傳感器的性質(zhì)，亮燈的方式有以下針對各類有需求的場景性進(jìn)行識別和優(yōu)化：

2.4.1 夜間啟動

LED交通標(biāo)志內(nèi)的智能控制模塊中使用DS1302時鐘芯片，DS1302為涓流供電，功耗極低。利用時鐘芯片的輸出信號，MCU可以計算出當(dāng)前的具體時間（年、月、日、時、分、秒）。為此可以做到每個季節(jié)的夜間能開啟該系統(tǒng)，而天明之后開始關(guān)閉。

2.4.2 白天的陰暗天氣

智能控制模塊采用接近人眼分光的GY30光強傳感器，利用GY30接近人眼分光的特性，可較為準(zhǔn)確的得出對人而言此時的光照能見度情況，設(shè)置閾值，針對實時天氣的光照變化，并將信息發(fā)送給控制核心—MCU，再由MCU輸出控制信息。可在陰暗天氣（陰暗天氣的可能受霧霾、雨霧的影響）情況下開啟系統(tǒng)，在能見度低下時，能夠通知MCU開啟LED標(biāo)志。在不同能見度低下的情況下，還可通過光強傳感器輸出的具體信號，以MCU輸出PWM的形式控制標(biāo)志燈的亮度，而在天氣可見光充分良好的情況下又能關(guān)閉。

2.4.3 雨霧天氣使用溫濕度傳感器

DHT11，使系統(tǒng)在能見度低的天氣下，喚醒系統(tǒng)工作。我們都知道雨天或者大霧天氣環(huán)境的濕度會上升，在大量實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測的基礎(chǔ)上通過對DHT11調(diào)整好閾值。當(dāng)超過或者等于該濕度閾值時，識別天氣為雨霧天氣，喚醒該系統(tǒng)進(jìn)行工作，保證道路的安全性。

3 結(jié)語

利用高速公路自能源驅(qū)動LED交通標(biāo)志，整個系統(tǒng)采用自能源，系統(tǒng)能源自給自足，不需要另外布線，降低布線成本和人力成本。不需要電網(wǎng)和受限于日照和安裝場地的太陽能供電，小電源各自獨立，可以避免規(guī)模集中供電情況下發(fā)生交通事故時由于觸電引發(fā)二次事故，在高速公路領(lǐng)域具有可行性與適用性。

參考文獻(xiàn)

[1]?黃小芳，賈志絢，蘇家仲.LED主動發(fā)光交通標(biāo)志的經(jīng)濟(jì)性研究[J].市政技術(shù)，2016，34（06）：43-45，52.

[2]?袁居才.高速公路信息化管理的新模式[J].交通與運輸，2016，32（01）：37-39.

[3]?彭一川，徐韜，陸鍵等.LED主動發(fā)光交通標(biāo)志應(yīng)用性能研究[J].黑龍江交通科技，2018，41（11）：175-177，179.