张业明， 陈江雪

(河南理工大学 机械与动力工程学院，河南 焦作 454000)

基于安卓和单片机的智能公路警示器*

张业明， 陈江雪

(河南理工大学 机械与动力工程学院，河南 焦作 454000)

摘要:针对目前机动车在公路上发生自身故障或交通事故时，为了避免二次事故，车主在向车辆后方放置和收回警示标志过程中存在安全隐患的问题，提出了一种基于安卓和单片机的智能公路警示器。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，分为机械部分、单片机控制部分和安卓手机遥控部分，能够在高速公路及各级公路上搭载警示标志，智能识别白线，纠正行进轨迹，自动行走至预定位置，实时监控反馈路况，一键收回警示器。实验测试表明：该智能公路警示器昼夜均可正常工作，放置和收回一键完成，完全自动化，方便快捷，车主实时掌握后方路况，十分人性化，手持终端有手动、自动两种控制模式，自由切换，方便灵活。

关键词:智能； 公路； 警示器； 单片机； 遥控

0引言

随着中国社会的不断发展，机动车数量越来越多，截至到2014年年末全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，欧洲等西方国家均实施在车辆后方放置三角警示牌的方法[2]，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150m以外，以提醒后来车辆注意[3]。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。为了改善和避免以上情况，本文设计并开发了一种基于安卓和单片机的智能公路警示器，实现了自动放置和收回公路警示标志的主要目的，体现了“呵护生命，以人为本”的安全理念。

1智能公路警示器的系统构成

智能公路警示器主要由警示器的机械部分、警示器的单片机控制部分和警示器的手机遥控部分构成。图1为该警示器的系统整体三维图。

图1　警示器的系统整体三维图Fig 1　Three-dimensional map of whole system of warning device

智能公路警示器的主要功能:1)能够搭载警示标志，自动行走至预定位置。2)能够智能识别白线，纠正行进轨迹。3)能够实时监测路况，使车主实时掌握后方状况。4)手动、自动两种控制方式，自由切换，更加科学合理。5)用户可以根据实际需要自由选择不同的前进距离，体现了人性化的设计。6)能够一键收回警示器，方便快捷。

2智能公路警示器机械部分

2.1机械部分的系统结构

图2为警示器的机械部分系统结构。

图2　警示器的机械部分系统结构Fig 2　System configuration of mechanical part of warning device

警示标志通过固定支架固定于底盘前部，车轮固定于底盘上，伸出支架固定于底盘右侧，前后各一个，灰度传感器保护罩安装在伸出支架远离底盘的一侧，共有2组，每组2个。

2.2机械部分的警示标志

警示标志是国家标准机动车用三角警示牌[4,5]，是由塑料反光材料做成的被动反光体，驾驶员在路上遇到突发故障停车检修或者是发生意外事故的时候，利用三角警示牌的回复反光性能，可以提醒其它车辆注意避让，以免发生二次事故。

2.3机械部分的固定支架

固定支架是用SolidWorks软件进行三维建模设计，然后用PLA材料通过Up软件和3D打印技术制作而成。卡槽设计方便了警示标志的拆卸，勒板设计提高了固定支架的结构强度，结构精巧。

2.4机械部分的灰度传感器保护罩

灰度传感器保护罩的制作方法与固定支架相同。考虑到传感器对工作环境的敏感性，通过设计制造灰度传感器保护罩保证了灰度传感器相对稳定的工作环境，从而实现警示器的全天候工作。

2.5机械部分的伸出支架和底盘

伸出支架和底盘是用CAD软件进行绘图设计，然后用亚克力板材料通过激光切割机制作而成，亚克力板材料抗冲击力强、自重轻、硬度高，保证了其结构的稳定性，2组灰度传感器安装在2个伸出支架的右侧。

2.6机械部分的车轮

车轮是普通橡胶车轮，安装在底盘两侧各1组，4个车轮分别连接着4个电机，通过对电机的控制从而实现整个警示器的前进、后退、左转、右转等动作。

3智能公路警示器单片机控制部分

3.1片机控制部分的系统组成

图3为警示器的单片机控制部分系统组成。

图3　警示器的单片机控制部分系统组成Fig 3　System constitution of SCM control part of warning device

摄像头与无线通信模块连接，无线通信模块、电动机驱动模块、电源以及灰度传感器均与中央处理模块连接，电机驱动模块与电机连接[6～10]。

3.2单片机控制部分的中央处理模块

中央处理模块选用宏晶科技有限公司生产的STC11F32XE单片机，该单片机具有32K在系统可编程Flash存储器，功耗低，强抗干扰。中央处理模块通过无线通信模块与手机遥控部分进行数据传输，中央处理模块实时处理输入信号，并输出控制信号给电机驱动模块。

3.3单片机控制部分的电机驱动模块

电机驱动模块选用SGS公司生产的L298电机驱动芯片,用于放大中央处理模块输出的控制信号，内置双路全桥驱动电路,可驱动2路直流电机,也可以驱动两相步进电机。当电机驱动模块接收到来自中央处理模块的控制信号时，通过控制电机的运动状态进而控制警示器的行进轨迹。

3.4单片机控制部分的灰度传感器

灰度传感器为SEN1595—ID型号，该产品灵敏度高，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。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。其原理图如图4所示。

图4　灰度传感器原理图Fig 4　Principle digram of gray sensor

3.5单片机控制部分的摄像头

摄像头选用普通高清摄像头，摄像头通过USB数据线与无线通信模块进行连接。摄像头用于监控路况，并通过无线通信模块将数据传输至手机遥控部分。

3.6单片机控制部分的无线通信模块

无线通信模块部分的数据传输图如图5所示。

图5　无线通信模块部分的数据传输图Fig 5　Data transmission diagram of wireless communication module

无线通信模块选用MTK7620N芯片，最高传输速率为150M(802.11n)，该无线通信模块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802.11b/g/n协议，该无线通信模块是一个服务端，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:∥192.168.1.1:8080/?action=stream。该无线通信模块具备WiFi无线路由器的功能，用于手机遥控部分和智能公路警示器的远距离无线通信，无线通信模块通过USB数据线与中央处理模块连接。手机遥控部分通过搜索WiFi热点查找到该无线通信模块，进行连接后，可以发送操作信号，无线通信模块将接收到的操作信号发送给中央处理模块，中央处理模块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无线通信模块发送给手机遥控部分，实现实时监控路况的目的。

4智能公路警示器手机遥控部分

手机遥控部分安装有智能公路警示器安卓操作软件，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。该软件的主操作界面有3个地址框，分别是“视频地址”、“IP地址”、“TCP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50m”、“放置75m”、“放置100m”、“放置125m”、“放置150m”、“停”、“一键收回”、“返回主菜单”，自动操作界面设置不同的距离参数满足不同路况放置不同距离的需求[11～14]。

图6(a)为手机遥控部分的主操作界面，图6(b)为手机遥控部分的手动操作界面，图6(c)为手机遥控部分的自动操作界面，图7为该警示器的系统操作流程图。

图6　手机遥控操作界面Fig 6　Remote control operation interface of cell phone

图7　警示器的系统操作流程图Fig 7　System operation flow chart of warning device

5智能公路警示器的测试实验

表1为不同功率天线的室外传输距离测试数据，图8(a)为警示器的夜晚工作测试实拍图，图8(b)警示器的白天工作测试实拍图,图8(c)警示器的爬坡测试实拍图。

由表1知，通过选配高增益天线可以提高无线通信距离，考虑到天线传输距离容易受到周围物体影响，实际使用中建议选用9dBi及以上的天线来配备该智能公路警示器，以满足最大放置150m距离的需求。

选取表面粗糙度与沥青路面公路相近的石板进行爬坡能力测试，该智能公路警示器正常工作的最大倾角为15°。

坡度= 高程差/水平距离,即

tan15°=26.8 %

以上实验测试表明，该智能公路警示器的正常工作范围26.8 %远大于我国公路工程技术标准规定的四级公路10 %的坡度[15]，所以,该智能公路警示器主要应用于高速公路及各级道路上。

实验测试表明，该警示器能够完成自动放置和收回公路警示标志的设计目的，可进行全天候工作，警示效果明显。

表1　不同功率天线的室外传输距离测试数据

图8　警示器测试实拍图Fig 8　Test real shot chart of warning device

6结束语

智能公路警示器基于安卓手机遥控和单片机控制，通过对系统硬件和软件进行综合调试，能够完成自动放置和收回公路警示标志的主要目的，体现了“呵护生命，以人为本”的安全理念。解决了目前机动车在公路上发生自身故障或交通事故时，为了避免二次事故，车主在向车辆后方放置和收回警示标志过程中存在安全隐患的问题。该智能公路警示器放置和回收一键完成，完全自动化，方便快捷，实时监控路况，自动纠正轨迹，手动控制和自动控制两种模式，十分人性化，整体结构紧凑，制造成本低，功能明确可靠。

参考文献:

[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]欧洲标准.ECER27关于三角警示牌认证的统一规定[S].1999.

[3]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.

[4]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.GB19151—2003机动车用三角警告牌[S].北京：中国标准出版社,2004.

[5]李玲.三角警示牌[J].汽车技术,2001(5):42-43.

[6]张岩,裴晓敏,付韶彬.基于单片机的智能循迹小车设计[J].国外电子测量技术,2014,33(3):51-54.

[7]叶郑凯，朱建鸿，李琳，等.基于单片机的无线遥控智能小车的设计与实现[J].计算机与现代化,2012 (10):65-67.

[8]韵卓，陈龙冬，刘富.基于飞思卡尔单片机的智能电动小车设计[J].吉林大学学报:信息科学版,2013,31(3):272-278.

[9]朱思敏.自循迹智能小车控制系统的设计与实现[D].杭州：浙江工业大学，2013.

[10] 马丹萍，李勇，梁勤欧.无线遥控智能小车的运动模拟及轨迹绘制[J].浙江师范大学学报:自然科学版，2015,38(1):116-120.

[11] 陈宏兴，周风余，吴国鹏，等.移动机器人的安卓智能手机遥控软件系统[J].可编程控制器与工厂自动化,2014(6):91-94.

[12] 王宇阳，杨奕，韩志.基于Android设备的WiFi智能监控机器人设计[J].计算机与数字工程,2014,42(12):2410-2414.

[13] 杨玲，朱江，程勇，等.基于安卓的无线体征信息监测系统设计与实现[J].电子测量技术,2015,38(9):121-124.

[14] 孟禹.基于WIFI网络的智能监控系统的设计与实现[D].广州：广东工业大学，2015.

[15] 中华人民共和国交通运输部.JTGB01—2014中华人民共和国行业标准：公路工程技术标准[S].北京：人民交通出版社,2014.

IntelligenthighwaywarningdevicebasedonAndroidandSCM*

ZHANGYe-ming，CHENJiang-xue

(SchoolofMechanicalandPowerEngineering,HenanPolytechnicUniversity,Jiaozuo454000,China)

Abstract:In view of current motor vehicle on a road of their own failure or accidents, in order to avoid secondary accidents, there are security risks in the process when owners place and take back warning signs in rear of vehicle, SmartWay warning device is proposed based on Android and SCM. Primary purpose of intelligent highway warning device is to automatically place and take back warning signs, it is divided into mechanical parts, single-chip control section, and Android remote part, it can carry warning signs, identify white lines on highway and at all levels of road, correct traveling track, automatically walk to predetermined position, real-time monitor and feedback road condition, take back warning device by one key. Experimental tests show that the intelligent highway warning device can work day and night, placement and taking back can be completed by a button, fully automated, fast and convenient, the owner can real-time master rear roads, very user-friendly, hand-held terminal has manual and automatic control modes, free switch, convenient and flexible.

Key words:intelligent; highway; warning device; single chip micyoco(SCM); remote control

DOI:10.13873/J.1000—9787(2016)04—0093—04

收稿日期：2016—03—07

*基金项目：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基金资助项目(PMTE201318A)；河南省教育厅科学技术研究重点资助项目(14B460033)；河南理工大学博士基金资助项目(B2012—101)；河南理工大学教育教学改革研究项目(2014JG061)

中图分类号:TP 391

文献标识码:A

文章编号:1000—9787(2016)04—0093—04

作者简介:

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。