基于物联网技术的无线警示肩灯设计——以公路养护人员为对象

徐 阳

(辽宁省交通高等专科学校,辽宁 沈阳 110122)

0 引言

伴随着我国社会经济的快速发展,公路成为城市社会经济发展的主动脉,承载着经济快速发展的脚步,是城市社会经济发展的重要设施。 公路在使用过程中出现了大量的损伤,需要有专业的公路养护人员进行频繁的维修养护。 为了保障公路的正常使用,现在的公路养护工作基本都是在不过多影响公路通行的前提下进行,公路养护人员的工作都具有很高的危险性。现阶段养护人员的安全防护手段较为落后,多采用被动式防护模式,起不到主动防护的作用。 因此,设计一种具有主动预警的装置,对公路养护人员生命财产安全有重要意义[1-4]。

1 系统构思与总体设计

本文以基于物联网技术的安全预警系统[5],设计了一款基于物联网技术的公路养护人员无线预警肩灯。 该肩灯基于LoRa 无线物联网技术进行设计,可以与安全预警系统中的预警检测装置进行实时数据通信。 当安全预警系统中的检测装置检测到来往车辆处于危险驾驶状态时,系统会通过LoRa 无线技术将预警信息发送给肩灯。 肩灯对接收到的信息进行分析判断,从而做出与之相对应的灯光闪烁、肩灯振动等预警动作。 公路养护人员通过上述警示动作及时获得路面危险车辆通行信息,进而做出观察、躲避、撤离等对应手段。

肩灯的内置预警动模式包括灯光闪烁和振动两种,通过两种模式的不同组合变化来显示出不同的车辆危险等级。 肩灯的灯光为红蓝双色设计,通过红蓝两色灯珠的不同闪烁模式,如单色闪烁、双色交替低速闪烁、双色高速交替闪烁、双色同时爆闪等实现不同预警状态提示。 肩灯内置的振动马达,可以在闪烁的同时产生振动功能。 马达振动强度可以随着灯光闪烁模式发生变化,根据闪烁速度的增加,马达的震动强度也会大幅增加。 整体预警系统结构如图1所示。

图1 系统组成结构

2 硬件电路设计

硬件电路主要由主控单片机、LED 控制电路、充电电路、振动马达、LoRa 无线通信模块等组成。

2.1 主控单片机

本设计中主控单片机采用LPC1114FBD48,该单片机采用ARM Cortex-M0 内核,是低功耗32 位处理器,专为8/16 位微控应用设计。 它提供高性能、低功耗、简单指令集指令和简化寻址指令。 单片机内含32KB Flash、8KB SRAM、10 路A/D 转换器、48 个通用I/O 接口、1 个加强型快速I2C 接口、1 个RS-485 UART 接口、2个具有SSP 功能的SPI 接口等丰富的片内资源,很方便与LoRa 无线通信模块连接,更容易进行多功能拓展。

2.2 无线通信接口电路

无线数据数据通信是通过LoRa 无线通信模式实现。 本设计采用的LoRa 模块为E22-400T22S。 该芯片是全新一代的LoRa 无线模块,由SEMTECH 公司SX1268 射频芯片进行设计。 芯片内置无线串口模块(UART),具有多种传输模式,工作频段为410.125 ～493.125 MHz 频段,通常默认使用433.125 MHz,支持LoRa 扩频技术。 该芯片具有传输距离更远、速度更快、功耗更低的优势,同时支持空中唤醒、载波监听、通信密钥等功能,支持分包长度设定,可提供定制开发服务。 芯片的电路连接如图2 所示。

图2 LoRa 物联网无线通信模块电路

2.3 无线通信电路与充电电路

本设计中LoRa 无线通信模块采用的是E22-400T22S。 考虑到预警肩灯设计体积应该便于携带,在本设计中采用了TP4057 作为充电控制芯片,其采用PMOSFET 架构,具有放倒冲电路,无需外部检测电阻器和隔离二极管就可工作。 同时SOT 封装使的该芯片更具有体积优势。 在充电时,当电池电压到达4.2 V时,充电电流会降至57 定值的1/10 实现自动终止充电。 其设计电路如图3 所示。

图3 TP4056 充电电路

2.4 闪烁电路和振动马达

振动马达和闪烁电路作为预警肩灯的最终预警表现形式,是整个设计中的重要环节。 本设计采用了红蓝两色灯珠进行预警显示,通过不同颜色的闪烁模式进行不同预警等级的警示。 部分闪烁电路如图4 所示。 振动马达工作时电流通过直流电机的电刷,使之与换向器之间产生滑动接触,不同的绕组通电线圈在磁场中切割磁力线。 在直流电机上安装一个凸轮(偏心震子),凸轮在转动过程中重心不断改变,可以产生强烈的振动感。

图4 闪烁电路

3 工作模式与功能实现

3.1 预警模式

本设计是基于物联网技术的安全预警系统工作环节的最末端,负责整个系统的最终预警提示工作,其工作效果和稳定性直接影响到整个系统最终的使用效果。 在肩灯工作时,主控单片机负责控制LoRa 无线模块进行预警信息的接收与分析,同时控制闪烁和振动电路进行不同预警等级的预警提示。

肩灯在工作时根据接收到的预警信息进行预警提示,其提示模式根据预警等级不同而会有不同的预警提示状态,其具体警示状态如下。

(1)预警状态三级:该等级属于高度危险等级。 该等级表明来向车辆经检测分析被认为处于危险驾驶状态,而处于该状态的车辆对公路养护人员具有极高的安全威胁,公路养护人员需要及时撤离工作现场以保证人身安全。 在该预警等级时,肩灯上红蓝两色灯爆闪,振动马达高速运转,振动强烈。

(2)预警状态二级:该等级属于中等危险等级。 该等级表明来向车辆经检测分析被认为有危险驾驶趋势,但尚未达到危险驾驶级别。 公路养护人员在接收到预警提示时需要及时瞭望,观察路面车辆状况,从而判断是否需要进行撤离或闪避等动作。 在该预警等级时,肩灯上红蓝两色灯交替闪烁,振动马达中低速运转,有明显震感。

(3)预警状态一级:该等级属于低危险等级。 该等级表明来向车辆经检测分析被认为属于正常驾驶状态,基本不会对养护人员造成人身威胁。 养护人员只需适时瞭望观察路面状况,无需做出特别的反应。 在该预警等级时,肩灯蓝色灯缓速闪烁,振动马达无振动。

根据预警肩灯的不同提示状态,公路养护人员可以对来向车辆的车速状态进行分析预估,从而通过瞭望、躲避、撤离等手段来应对可能发生的交通危险,从而尽可能避免公路养护人员人身财产受到损害。

3.2 功能实现

本设计的目标是使公路养护人员在公路施工时提高自身安全保障,通过肩灯的预警状态变换,能够较好地对工作人员进行预警提示。 在实际测试中,本设计已经实现了以下功能:

(1)能够由LoRa 无线通信模块进行预警数据接收,并将双色灯闪烁和振动状态预警状态提示;

(2)能够根据预警等级不同,实现肩灯在不同预警状态的闪烁状态控制;

(3)能够根据预警等级不同,实现振动马达强弱效果变化;

(4)肩灯使用5V 充电,充电磁吸接口,充电便利。

4 实用性与可拓展性

4.1 实用性

本设计改变了公路养护人员只能依赖被动防护装置对自身安全进行保护的现状,增加了公路养护人员安全保障新手段。

(1)提高主动安全防护性。 通过本设计,增加了公路养护人员在道路养护施工时的主动防护手段,减少了相关人员在工作时受到的安全威胁,提高了公路养护人员人身安全性,实现了公路养护人员的主动安全防护性。

(2)携带方便,使用简单。 本设计具有很高的便携性和实用性。 肩灯设计小巧,携带方便,而且在使用时不会影响养护人员工作时对各种设备的操作使用。 同时本设备采用了低功耗设计,在满电状态下可以实现连续20 小时以上待机工作,非常适合户外连续施工操作时使用。

(3)设计合理,提示明显。 本设计充分考虑使用者的便利性,在设计时简化了预警提示时双色灯和振动马达的组合模式,便于公路养护人员在使用时更加容易分辨预警状态等级。 肩灯内置可充电锂电池并采用磁吸接口,在免去使用者频繁更换电池的同时,磁吸充电接口能够让使用者在充电时轻易找到正确连接位置,免去插拔的麻烦。 肩灯提供低电量提示,每次开机会根据双色灯珠同时闪烁数量进行电量提示,在电量低时,会进行间隔性闪烁提示。

4.2 可拓展性

本设计针对公路养护人员所面临的实际问题进行解决处理。 在设计时考虑了产品的体积、功耗和便携性等问题,并对上述问题进行了逐一解决。 在进行开发和测试过程中,LoRa 无线通信设备的拓展功能给开发者更多启发,预计可以进行以下功能拓展。

(1)拓展LoRa 无线通信模块的定位功能。 LoRa可以不依靠GPS 技术而实现网关定位。 因此,可以在施工人员进行野外施工时,对佩戴该预警肩灯的工作人员进行定位管理,既能确定施工人员是否施工位置正确,又能监督施工者是否在工作岗位上。

(2)拓展肩灯的主动求救功能。 很多公路施工工作可能是在野外等复杂地段进行,一旦出现危险情况可能会存在无法呼救等情况。 因此,可以在本肩灯上拓展一键求救功能,通过LoRa 无线定位技术可以实现对人员位置的确定,同时,当求救按钮按下后,远程服务器端会收到求救信号,这样就可以根据定位地点进行合理施救。

5 结语

我国正处于经济高速发展过程中,其中仅高速公路总里程就已经超过了15 万公里。 公路已经是我国经济发展的主动脉,公路养护工作也成为维护动脉安全,保障经济血脉顺利流动的重要工作。 努力保护公路畅通,有效保护公路养护人员人身安全是本设计的主要目的。 本设计通过电子化、科技化的手段提高了公路安全预警的准确性,增加了公路养护人员的主动防护手段,结合智慧交通、智能交通概念,推动了公路安全预警技术的深入研究和发展。