基于物联网太阳能辅助供电智能交通系统设计*

牛宇强,丁 聪,李林川

(佳木斯大学,黑龙江 佳木斯 154007)

1 智能交通系统的研究

太阳能交通灯是将传统的市电供应改为由太阳能供电，由于太阳能并不是24 h供应，于是配备蓄电池为交通灯储存能量，蓄电池将收集到的电能转化为化学能存储起来，再通过控制器和逆变器就构成了一套简单的太阳能供电系统。目前交通系统主要由监控系统拍摄到的交通信息传回到交通指挥大厅，然后将信息处理，再进行指挥调度。这种半智能的体系效率相对较低，无法快速进行现场控制，为解决这样的问题，我们将物联网技术应用到交通系统当中，配合传感器传回来的实时数据，按照设计好的规则进行处理，快速准确地进行科学调度，将现有的交通资源实现效率最大化。例如在拥挤的上下班高峰，东西方向车流量明显多于南北方向的车流量，而交通灯时间是固定的，无论如何都不会改变，这就使得有一方的路口变得更加拥挤。为解决这一难题，在每个路口设置多组传感器计数器，将各个路口数据进行采集，传送到处理终端上，再通过预设置好的智能算法，进行处理，使交通灯时间处在一个动态变化的过程，根据现场情况进行实时，准确，高效的调控，极大地提高了交通灯的智能化程度。

2 硬件系统设计

以太阳能为系统的供电来源，通过稳压对各个模块进行供电，核心控制器为AT89C51，具有良好的控制能力，将采集到的信息传送给控制器，再通过模糊算法进行处理，并进行智能控制，系统总框图如图1所示。

2.1 感光控制模块[1]

白天交通灯因它的高亮度和遮光板的作用下，在强光作用下也可以让驾驶员清楚地看到，到了晚上交通灯仍以白天的那种光的强度进行工作，便造成了大量的能源的浪费。针对于这种现象，在交通灯系统中增加感光装置，在白天时正常工作，到了晚上感光装置启动，检测外部环境，根据外界的光线条件将数据传给单片机，单片机进行数据处理后，传送指令，进行调控。在保证正常使用的前提下，最大限度地降低能源的消耗，达到节能的目的。部分电路如图2所示。

图2 部分感光电路

2.2 太阳能模块

该模块由太阳能板，蓄电池，控制器，逆变器所组成的简易太阳能供电系统[2]。系统采用太阳能供电，当正常供电线路一旦因不可抗力或其他外界因素导致故障，无法提供能量，太阳能供电系统由APD控制下接入，提供所需能量，保证交通灯的正常工作。由于蓄电池在技术上没有突破，寿命一直是制约电池发展的最大阻碍，于是采用单片机智能控制电池充放电过程，以达到最有效的方式对蓄电池进行能量的管理，实现电池效率最大化，延长电池的使用寿命，降低成本。采用型号DVNY-6M-100太阳能板，最大输出功率可达100W开路电压为21V，短路电流为6.08A；最佳工作电压为17.4V，最佳工作电流为5.7A；工作温度范围-40 ℃～80 ℃。

2.3 自动投入备用电源模块

在重要的工业设施中都会配备自动投入备用电源的装置，它的主要作用是在主供电线路失去正常工作电压后迅速作出反应，将开关闭合在辅助供电的备用电源线路中，使系统恢复正常的工作状态。在正常的工作状况下，在电路中自动投入备用电源的装置只工作一次，这是为了避免将系统一直处于故障状态而进行不断的闭合开关，造成对系统更大的损害，并且能够保持较高的开关速度，减少系统的反应时间和缩短系统处在真空的时间，用自动投入备用电源的装置，能够大幅提升系统供电的可靠性。

2.4 基于物联网的检测模块

物联网技术简单来说就是在物与物之间，物与人之间进行信息的传递。采用射频识别技术对交通信息进行采样和识别，需要在车辆终端上安装射频卡，射频卡相当于身份证一样，对车辆的信息数据进行存储。当带有射频卡的车辆通过路口时，就会被路口的传感器所检测到，传感器将所检测到的实时信息进行传送。控制中心将信息进行处理。nRF2401是由Nordic公司出品的单芯片无线接收芯片，工作频率为2.4 GHz，芯片内置有地址解码器，解调处理器，时钟控制器，低噪声放大器，功率放大器等一些必要的处理模块。不需要再添加大量的外围电路，因此使用起来很方便。连接电路图如图3。

图3 射频模块与AT89C51的连接电路

3 软件系统设计

3.1 软件设计

不同时刻的车辆流通情况是十分复杂的，是高度非线性、随机性的，还可能受人为因素的影响和制约。采用定时控制法经常会造成道口的时间浪费；出现绿灯方向车辆行驶完，红灯方向车辆进行积压。目前的解决方法是采用人工控制，交通警察不断地观察着十字路口两个方向的车流辆密度和流速等信息，并由此决定切换通行方向，以保证正常的道路控制状态。十字路口的动态模型是很难用数字进行表达出来的，交通警察的判断决策过程也难用程序进行实现，所以我们采用模糊控制法来解决红绿灯的最佳控制问题。

3.2 模糊算法[3]

模糊控制算法简单来说就是将输入的信息量按照预先设定好的规则去执行，由于大多数输入的参数是随机的并且有着高度的差异性，所以采用模糊算法，对数据进行处理，将数据的差异性和随机性进行不断的缩小，通过所设定的数据表把数据进行规则化，最终将不确定的参数变为确定的参数。在得到一系列的车流量信息后，接下来就是设计软件的检索变量，概括了信息的综合特征，数据处理时将检索变量和待查询信息的数据库进行分析对比，快速计算得出与目标相似度最高的一组数据，调用相应的处理程序进行处理。模糊控制系统结构如图4。

图4 模糊控制系统结构图

4 结语

本文基于AT89C51单片机设计的智能交通系统，采用太阳能供电方式，并且配备感光控制模块，能够大幅减少在夜间的能量的损耗；应用物联网技术具有较好的前瞻性，各模块之间协调工作，满足了智能交通系统的要求。以模糊算法为核心的控制程序，根据道路上采集到不同的数据，针对道路上的交通信息，能够执行最高效的方案，有效地提升了系统执行的速度和精度，并且系统具有较高的抗干扰能力。