智能公路警示器控制系统设计*

张业明， 陈江雪， 王晓亮

(河南理工大学 机械与动力工程学院，河南 焦作 454000)

智能公路警示器控制系统设计*

张业明， 陈江雪， 王晓亮

(河南理工大学 机械与动力工程学院，河南 焦作 454000)

设计的智能公路警示器解决了现有放置和取回公路警示标志过程中存在的安全隐患问题。该智能公路警示器以自动放置和收回警示标志为主要目的，拥有手动、自动两种控制模式，通过设计，能够智能识别白线纠正行进轨迹，实时监控反馈路况，无线远距离操控。实验测试表明：智能公路警示器昼夜均可正常工作，适用于高速公路及各级道路上。

智能； 公路； 警示器； 单片机； 安卓

0 引 言

截至2014年年末我国民用汽车保有量达到15 447万辆，比上年末增长12.4 %，道路交通事故万车死亡人数为2.22人[1]。由于人们缺乏道路事故处理经验、车速过快、救援不及时等方面原因造成二次事故频繁发生，为了避免二次事故，我国《中华人民共和国道路交通安全法》规定：机动车在高速公路上发生故障时，警告标志应当设置在故障车来车方向150 m以外，以提醒后来车辆注意[2]。然而放置距离较远，大多数车主疏于执行，留下了安全隐患，同时，人在高速公路上行走也具有一定的危险性。

为了改善和避免二次交通事故情况，本文开发了一种智能公路警示器控制系统。

1 系统的控制功能设计

1.1 主要功能

1)搭载警示标志行走至预定位置：警示标志固定于智能公路警示器前端，智能公路警示器由两路直流电机控制行走。2)智能识别白线，纠正行进轨迹。智能公路警示器右侧安装有两组灰度传感器用于识别白线。3)实时监测路况，使车主实时掌握后方状况。高清摄像头固定于智能公路警示器前端，用于监测路况。4)拥有手动、自动两种控制方式，自由切换，科学合理。5)可以选择不同的前进距离，体现了人性化的设计。6)一键收回警示器，方便快捷。

1.2 控制系统

控制系统信号流图如图1所示。

1.3 控制算法设计

控制算法信号流程图如图2所示。

手动模式工作过程为：开启智能公路警示器的电源开关，手机通过搜索WiFi热点查找并进行连接后，打开手机上的智能公路警示器操作软件，选择“手动”按钮，通过操作手动操作界面的“前”“后”“左”“右”“停”五个按钮实现智能公路警示器运动状态的改变，用户可以通过摄像头监控到后方路况，从而将智能公路警示器放置在预定位置，警示完毕，通过“一键返回”按钮实现智能公路警示器的一键收回。

图1 控制系统信号流图Fig 1 Flow graph of control system signal

图2 控制算法信号流程图Fig 2 Flow chart of control algorithm signal

自动模式工作过程为：选择“自动”按钮，根据实际需要选择“前进距离”，中央处理模块根据灰度传感器采集的路面信息，自动纠正小车的行进轨迹，让小车沿着白线的方向到达预定位置，实现自动放置警示牌的功能，用户可以通过摄像头监控到的后方路况，警示完毕，通过“一键返回”按钮实现智能公路警示器的一键收回。

2 系统的循迹模块开发

2.1 传感器位置设计

两组灰度传感器在智能公路警示器分别位于警示器底盘右侧的前后位置，每组各有两个灰度传感器固定于左右两侧，左右两个灰度传感器之间的距离为100 mm,略小于公路上的白线宽度150 mm。

2.2 循迹算法设计

本文选用的灰度传感器型号为SEN1595—ID，具有灵敏度高，抗干扰能力强，发光源采用高亮白色聚光LED，普通照明灯基本对其无影响。工作时，灰度传感器上的高亮白光发光二极管作为光源，光敏电阻作为光强检测软件，中央处理模块利用灰度传感器采集的路面信息，控制两路电机的运动状态，自动纠正智能公路警示器的行进轨迹，避免智能公路警示器越入正常车道。

在智能公路警示器正常前进过程中，双路直流电机正转，两组灰度传感器都检测到白线；当A组左侧灰度传感器检测不到白线而其余三个均检测到白线时，或者当A组左侧和B组左侧灰度传感器检测不到白线而其余两个均检测到白线时，单片机控制右路电机减速，使得智能公路警示器右转；当A组右侧灰度传感器检测不到白线而其余三个均检测到白线时，或者当A组右侧和B组右侧灰度传感器检测不到白线而其余两个均检测到白线时，单片机控制左路电机减速，使得智能公路警示器左转。

在智能公路警示器正常后退过程中，双路直流电机反转，两组灰度传感器都检测到白线；当B组左侧灰度传感器检测不到白线而其余三个均检测到白线时，或者当B组左侧和A组左侧灰度传感器检测不到白线而其余两个均检测到白线时，单片机控制右路电机减速，使得智能公路警示器左转；当B组右侧灰度传感器检测不到白线而其余三个均检测到白线时或者当B组右侧和A组右侧灰度传感器检测不到白线而其余两个均检测到白线时，单片机控制左路电机减速，使得智能公路警示器右转[3～10]。

2.3 循迹程序设计

根据循迹算法设计的循迹程序如下，实验表明该程序运行流畅，工作可靠。循迹主程序如下：

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 单片机与WiFi模块的串口通信

3.1 串口通信口令

本设计系统的数据传输方式采用串口通信，而STC11F32XE芯片带有UART，可以直接利用它实现数据传输，本系统根据工作状态所涉及的指令，将其上下位机通信口令设置为：前进==01，后退==02，左转==03，右转==04，停止==00，前进50 m==05，前进75 m==06，前进100 m==07，前进125 m==08，前进150 m==09。其编程如下：

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 系统的WiFi模块

WiFi模块选用MTK7620N芯片，最高传输速率为150M(802.11n)，是一个完全独立的嵌入式无线局域网接入装置，模块集成了MCU，符合IEEE802.11 协议， WiFi模块作为服务端，开放了TCP连接，端口号为2001，连到模块的2001端口即可发送、接收数据，视频端口为8080，请求视频流地址为：http://IP:8080/?action=stream，默认管理地址：192.168.1.1。基于UART接口的WiFi无线网络模块，能够实现用户串口数据到无线网络之间的交换，模块与手机之间通信使用ASCII码，手机将编码变为ASCII码进行发射，WiFi模块接收ASCII码并产生中断给单片机。

该WiFi模块具备无线路由器的功能，用于手机和智能公路警示器的远距离无线通信，WiFi模块通过USB数据线与单片机连接。手机通过搜索WiFi热点查找到WiFi模块，进行连接后，可以发送操作信号，WiFi模块将接收到的操作信号发送给单片机，单片机进行解析后发出控制信号，调整警示器的行进状态，实现远距离无线遥控警示器的目的，摄像头将捕捉到的路况信息通过WiFi模块发送给手机，实现实时监控路况的目的。

4 系统的手机端开发

手机端安装有智能公路警示器安卓操作软件，利用Eclipse软件进行编写开发的，Eclipse是一个开放源代码的、基于Java的可扩展开发平台，就其本身而言，它只是一个框架和一组服务，用于通过插件组件构建开发环境。

该软件的主操作界面有三个地址框，分别是“视频地址”、“IP地址”、“TCP/IP协议端口地址”。两个操作按钮，分别是“手动”、“自动”。手动控制模式主要应用于路面白线不明显的特殊路况。在手动操作界面有7个操作按钮，分别是“前”、“后”、“左”、“右”、“停”、“一键收回”、“返回主菜单”，在自动操作界面有8个操作按钮，分别是“放置50 m”、“放置75 m”、“放置100 m”、“放置125 m”、“放置150 m”、“停”、“一键收回”、“返回主菜单”。设置不同的距离参数是为了满足不同路况放置不同距离的需求，在手动操作界面和自动操作界面有视频显示区，视频显示区位于手机显示屏的中央，用于显示摄像头的监控信息[14，15]。

手机遥控部分的自动控制界面如图3所示。

图3 手机遥控部分的自动控制界面Fig 3 Automatic control interface of mobile phone remote control part

5 结束语

本文提出了智能公路警示器的控制算法、循迹算法、串口通信口令，开发了循迹程序、单片机与WiFi模块的通信程序以及手机端程序。通过对系统手机端和单片机端的程序调试，实现了对公路警示标志的手动和自动控制，有效解决了目前机动车在公路上发生意外事故时，车主放置和收回警示标志过程中存在安全隐患的问题。在实际应用中，使用方便快捷，警示效果非常明显，适用于高速公路及各级道路上。

[1] 国家统计局.2014年国民经济和社会发展统计公报[EB/OL].[2015—02—26].http:∥www.stats.gov.cn/tjsj/zxfb/201502/t20150226_685799.html.

[2] 全国人民代表大会常务委员会. 中华人民共和国道路交通安全法[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业务费专项资金资助项目(NSFRF140120);河南省高等学校精密制造技术与工程重点学科开放实验室开放基金资助项目(PMTE201318A);河南理工大学博士基金资助项目(B2012—101);河南理工大学教改项目(2014JG061);河南省教育厅科技技术研究重点资助项目(14B460033)

TP 212

A

1000—9787(2016)07—0087—03

张业明(1979 -),男，山东肥城人，博士，副教授，中国机械工程学会高级会员(G16150551)，研究方向为生产过程自动化技术、气动节能技术、气动伺服控制技术、气动系统的储能换热和系统仿真技术。