智慧交通中的物联网开关与电路设计研究

张明存

（六安职业技术学院，安徽 六安）

引言

随着我国经济的快速发展和城市化水平的持续提高，在城市里的汽车数量也在快速增加，由此造成的交通拥挤也日益严峻，交通拥堵已经成为制约城市可持续发展的重要问题之一。在智能交通系统中，大数据的应用是基于前端传感器进行数据采集，这就需要有大量的服务器和前端设备[1]，包括信号控制、交通流量采集、卡口、交通诱导、电子警察等系统[2]。同时，为了确保整个体系的运行，数据中心也必须竭尽全力地工作[3]。随着系统规模的持续增大，前端设备点位的增加，设备故障点也随之增加[4]。在城市路网中，交通拥堵的情况最多发生在交叉路口，所以，开发了智能交通控制系统[5]，能够有效地提升道路通行能力、缓解拥堵问题[6]。本研究以智慧交通系统为基础，设计了一种具有电路基本保护功能物联网开关，能适用于智慧的交通系统，有助于平安城市、智慧城市的建设，具有重要的工程意义。

1 物联网开关

1.1 物联网开关的角色

物联网开关是融合了现代电力电子技术、网络技术和自动控制技术的新一代智慧用电产品，在无人值守的用电现场，如卡口系统、视频监控、通信基站、数据中心等。通过云计算预设，对用电现场进行智能管理，实现过电压、欠电压、过载、短路、漏电等异常用电事件的实时监控、分析、处理及上报[7]。物联网开关将重合闸装置、断路器、电表、通信设备和漏电保护器等多种设备的功能相结合，可减少由于设备突然故障导致的停电。

1.2 物联网开关特性

局域网与远域网的通信特性：局域网开关通过RS485, ZigBee 等接口，使局域网内的网络信息能够及时的传输到系统中。用户既可以查看现有电力线路的电力消耗情况，又可以进行局部或远距离的电力配置。信息显示：在智能终端的控制板上安装了一块LED 显示屏，可以查看和设置有关的参数，还可以阅读用电记录和故障记录。温敏性能作用：在该开关中设有一个跟踪电路，通过模拟和数字的方式对所获得的电压信号进行检测，从而实现对电线的温度监控。局域、遥距控制：局域、遥距开关均可配置，可实现人工、自动两种方式的切换，便于使用者在局域、背景下进行切换。一般用电安全保护：物联网开关拥有一般的过载、短路、漏电、雷击等故障，无论是瞬间的故障，或者是长期的故障，当用电回路出现这种异常状况时，就会根据预先设定的程序做出反应，并执行相应的动作。重合功能：能够在故障发生后进行实时监测，并能够在故障发生后进行重新启动，并且能够承受长期电压故障和频率故障的重合。

2 物联网开关功能体系结构

物联网开关，由测量模块和MCU 的主控单元，采样模块，显示模块，主回路，通信信号模块等组成，图1为物流联开关功能架构。

图1 物流联开关功能架构

工作原理如下，当回路出现过载、短路、过欠压、漏电、雷击等用电不正常现象时，MCU 就会根据预先设定的程序，向其发送命令，并使其关闭，而系统对其进行监控；如果故障消除，满足了合闸的要求，那么就会给出一个命令，让它在预定的时间内重新合闸。物联网的开关分为人工断开与自动断开两种，人工断开与自动断开，便于维修人员进行现场维修。单片机在对参量进行处理时，没有设定门限，但门限可以设定，以便于对系统进行维护。针对物联网切换器的特点：既能实现电流型故障，又能实现长期电压型和频率型故障的重合。在主控单元中，主要包含了两个部分：其中包括测量单元和单片机两部分。该计量模组采用高精密的单相多功能计量晶片，可测定、计算有功、无功、视在功率，并可进行有功功率的脉动输出，并可进行远距离调时，可完成分时的电力计量，MCU 设置了通信接口，并提供了RS485, ZigBee 等通信方式，并能把监控数据，故障，用电日志等信息传送到显示器上，使用者只需在本地按下按钮就能进行查询和设定。而单片机则把监控得到的各种信息及时地传送到后台，使用者还可以远程地对其进行查看和操作。采集系统由变压器，电流采集电路，电压采集电路组成。重合闸部分又分为驱动部分和执行部分。单片机对有关参数进行监控、计算和处理，并通过控制信号发送给控制系统，使其实现模式驰行- 闭锁。

2.1 交通控制机结构设计

在此基础上，提出了一种面向物联网的ITS 系统的方案。其中，在CC2530 单片机的基础上，完成了ZigBee 三类节点的电路设计，分别是：协调器节点、路由器节点和终端节点；在此基础上，结合STM32F407ZGT6 单片机，完成了交叉控制器的硬件电路的设计。在智慧交通信号控制机的架构上，可以将其划分成采集层、传输层和管理者三个部分。图2 是一个以物联网为基础的智慧交通信号控制机的结构框图。

图2 基于物联网的智能交通信号控制机结构框图

在收集层中，将终端节点、路由器节点和协调节点进行了设计，这三种类型的ZigBee 节点分别是ZigBee的基础单元和对应的功能模块，其中终端节点主要是为了收集交通流，它包括了ZigBee 的基础单元和一个传感器模块；其中，路由器的结点主要是用来传送资料，因此，它仅由一个ZigBee 组成；协作结点由ZigBee组成，并由其内部的串行接口模块组成。在传送层，十字路口控制机主要是对收集层中的信息进行接收，然后经由以太网将其传送到管理者那里，同时也对十字路口的红绿灯进行控制，相当于一个ZigBee- Ethernet网，所以在十字路口控制机的主处理器（包括处理器，晶振电路，复位电路，电源电路）下，分别对协调器节点进行通讯，并对以太网络进行远距离通讯。另外，在该系统中还设计了JTAG/SWD 调试模块，外部扩展SDRAM模块，SD 卡存储模块，RS485 接口模块，液晶显示器等外部硬件。其中，管理人员主要完成对交叉口控制器数据处理和数据显示、存储和查询，同时也完成了对交叉口控制器的设计。管理者是软件设计，本研究以VistualStutio2015 开发平台为基础，采用C#语言，设计可运行于计算机系统上位机监测软件。

2.2 ZigBee Node 的硬件实现

ZigBee 节点硬件设计主要包含了ZigBee 基本单元和相应的功能模块的设计，三种ZigBee 节点的ZigBee 基本单元硬件结构是一样的，而功能模块是终端节点的传感器模块、协调器节点的串口通信模块。

2.2.1 换能器组件 传感器模块是为了终端节点而进行的，在本研究中，我们选择了HMC5883L 三轴磁阻传感器模块，它是以磁阻效应原理为基础，利用各向异性磁阻技术，可以测量出地面磁场的方向和大小，工作电压范围为2.16 V～3.6 V，拥有100 uA 的超低功耗，它十分适用于ZigBee 终端节点这种靠电池供电的系统中。HMC5883L 为I2C 总线，CC2530 能用它来设置和读出传感器组件，其I2C 接口上的时钟管脚SCL、数据管脚SDA 分别与CC2530 的P1_2、P1_3 管脚相连。图3 为传感器模块电路。

图3 传感器模块电路

2.2.2 串口通讯模块 串口通讯模组是为协调器结点而设计的，协调器结点经由此模组与十字架控制器的主机通讯，其电路结构见图4。

图4 串口模块电路

2.3 路口控制机最小系统设计

在发送层，选择了STM32F407ZGT6 单片机为主要处理单元。STM32F407ZGT6 是意法半导体公司生产的一款基于Cortex-M4 内核的处理器，相对于之前该公司推出的、市面上比较流行的STM32F1 系列的微处理器，STM32F407ZGT6 芯片拥有更为优异的性能和高端的配置，其配备有5 个时钟源，能够满足很多种外部装置对不同时钟频率的需求，并具有6 个串口，一个10/100 M以太网MAC，一个灵活的静止可变存储控制器FSMC,112 个通用I/O 管脚。其中，112 个通用接口被分成7 个组别，即GPIOA～GPIOG，每个组别16 个，这7 个管脚可以利用再映射的方式来完成管脚的复用，从而对芯片资源进行更多的扩充。STM32 芯片的引脚与一个32768 KHz 的、用于提供在处理器内的实时时钟信号的一个较低的、外置的晶体振荡电路相连。在图5中显示一个低转速的外置晶体振荡电路。

图5 低速外部晶振电路

2.4 SD 卡存储模块

本研究中所设计的交通控制机能够将车流量数据进行远程传送到交通管理中心的电脑系统，然而，在各个路口控制机都需要有一个大容量的存储装置来对本路口的车流量进行存储。现在，最常见的大容量存储器有U 盘、Flash 芯片和SD 卡等。研究选择了SD 卡，SD卡不但体积可以很小，而且存储空间也可以很大，这种特性很适用于在嵌入式系统中使用。STM32F4 内置的SDIO 驱动程序，能支持各种类型的存储卡，如多媒体卡，SD 记忆卡等。该SDIO 控制装置包括两个部件，一个是与STM32F4 的中断及DMA 请求相连的APB2 总线接口，另一个是与诸如APB2 总线之类的内部资源相连的SDIO 适配组件，该SDIO 控制装置的总体架构见图6。

图6 SDIO 控制器结构框图

在SD 卡存储模块的电路设计中，只需要对SDIO适配器模块与SD 卡的连接电路进行设计就可以了。从上面可以看出，两者之间有三种信号连接线：SDIO_CK,SDIO_CMD 和SDIO_D。SDIO_CK 是一个由适配器模块为外部的SD 卡所提供的卡时钟，它的每一个循环都会在指令线或数据线上传送一位指令或数据；SDIO_CMD 是用来传送从SDIO 发出的全部指令和回应的指令管脚。SDIO_D 是一条连接着适配器模块与外部存储装置的8 条数据线，SD 卡中使用了一条SDIO_D0，在SDIO 控制器复位之后，仅有SDIO_D0 引脚可以被用来进行数据传输，在初始化结束之后，主机可以利用SDIO_CMD 引脚发出控制命令，来决定是使用SDIO_D0 还是SDIO_D，在这篇文章中，采用SDIO_D 四条数据线，图7 是SD 卡的电路。

图7 SD 卡电路

在图7 中，SDIO_D 是4 根数据线，其中SDIO_SCK 为SD 卡的运行时钟，SDIO 中的指令及反应均经由SDIO_CMD 管脚进行传递。

2.5 LCD 显示模块

LCD 的显示模组，是用来展示交叉控制器的工作状况和调试资料的，在这个设计中，它使用了TFTLCD的LCD，而它的LCD 的16 位数据总线SMC_D 则与STM32F4ZGT6 芯片相连，这里要说明的是，这个模组与之前SDRAM模组中的IS62WV51216 芯片16 位的数据线到主处理器的插头是一样的，但是，TFTLCDs 的片选引脚是FSMC_NE4，而SDRAM的片选引脚则是FSMC_NE3，利用STM32F4ZG6 的FSMC，可以对LCD和SRAM进行读取和写入。图8 是LCD 模块电路。

图8 LCD 模块电路

3 物联网开关在智慧交通中的应用

因为信息的重要性，所以在智能交通中，无论是信号监控，或者是视频监控，都需要24 h 不间断地提供电力，而这类用电装置没有专门的供电线路，一般都是在附近使用，电网的不稳定会导致装置的停电、损坏、通讯失效等问题，而维保的延迟也与装置的信息缺乏密切相关。目前的智能交通系统负载侧用电系统中，最普遍的就是微型断路器、漏电断路器等，仅具备电路短路、过载、漏电等基础保护功能，不具备联网功能，也不具备数据搜集、存储、发送等功能。在常规的系统中，使用到的元件比较多，各个元件的作用比较单一，因此，在现场接线比较麻烦。但是，若采用具备较强整合性的物联网转换器，则可取代多个器件，为用户带来更多便利。在智能交通配电系统中，在配电柜的进线或出线端，可以对该级到终端设备供电线路上的温度、电流、电压等电气参数进行实时监控和管理，也可以对监测点的工作状态进行实时预警，发生故障时，可以及时将电路切断，当故障切除后，则会自动合闸，恢复供电，可以避免由于供电故障而造成的设备损害，同时也可以降低因设备停机而导致的损失。运行人员既可以在现场使用人工切换器，也可以通过远程控制的方式来实现。可以在当地，从屏幕上查看，点击查看设备的工作参数、工作记录、故障记录，还能够在应用端进行远程浏览。在物联网的开关板上设置了一些错误的显示，方便了操作者的现场判断与分析。

4 结论

本研究以智能交通系统为基础，设计了一种具备了电路基本保护功能、远程通讯功能、电能信息采集功能的物联网开关，得出如下结论：

（1） 物联网开关的主体由（测量模块，MCU），采样模块，显示模块，主回路，通信信号模块等组成，MCU配置通讯接口，支持RS485、ZigBee 等通讯模式。

（2） 在数据获取层面上，选用HMC5883L 型磁电阻作为终端节点的传感元件，选用FT232 作为协调器节点的串行通讯元件；选用LAN8720 作为网络模块，在此基础上，完成了JTAG/SWD、SWD、SD、LCD 等相关的硬件电路的开发。

（3） 将终端负载用电信息采集方案集中在一个功能集成的设备上，能够实现24 h 监控用电设备的运行情况，一旦出现了用电的异常状况，就可以快速地将线路切断，在将线路进行切割之后，当检测到线路参数是正常的时候，就会开启自动重合闸功能，可降低因电力系统故障而导致的停机损失，也可以应用到智能交通系统当中。