基于物聯網技術的無線警示肩燈設計
——以公路養護人員為對象

徐 陽

(遼寧省交通高等?？茖W校,遼寧 沈陽 110122)

0 引言

伴隨著我國社會經濟的快速發展,公路成為城市社會經濟發展的主動脈,承載著經濟快速發展的腳步,是城市社會經濟發展的重要設施。 公路在使用過程中出現了大量的損傷,需要有專業的公路養護人員進行頻繁的維修養護。 為了保障公路的正常使用,現在的公路養護工作基本都是在不過多影響公路通行的前提下進行,公路養護人員的工作都具有很高的危險性?，F階段養護人員的安全防護手段較為落后,多采用被動式防護模式,起不到主動防護的作用。 因此,設計一種具有主動預警的裝置,對公路養護人員生命財產安全有重要意義[1-4]。

1 系統構思與總體設計

本文以基于物聯網技術的安全預警系統[5],設計了一款基于物聯網技術的公路養護人員無線預警肩燈。 該肩燈基于LoRa 無線物聯網技術進行設計,可以與安全預警系統中的預警檢測裝置進行實時數據通信。 當安全預警系統中的檢測裝置檢測到來往車輛處于危險駕駛狀態時,系統會通過LoRa 無線技術將預警信息發送給肩燈。 肩燈對接收到的信息進行分析判斷,從而做出與之相對應的燈光閃爍、肩燈振動等預警動作。 公路養護人員通過上述警示動作及時獲得路面危險車輛通行信息,進而做出觀察、躲避、撤離等對應手段。

肩燈的內置預警動模式包括燈光閃爍和振動兩種,通過兩種模式的不同組合變化來顯示出不同的車輛危險等級。 肩燈的燈光為紅藍雙色設計,通過紅藍兩色燈珠的不同閃爍模式,如單色閃爍、雙色交替低速閃爍、雙色高速交替閃爍、雙色同時爆閃等實現不同預警狀態提示。 肩燈內置的振動馬達,可以在閃爍的同時產生振動功能。 馬達振動強度可以隨著燈光閃爍模式發生變化,根據閃爍速度的增加,馬達的震動強度也會大幅增加。 整體預警系統結構如圖1所示。

圖1 系統組成結構

2 硬件電路設計

硬件電路主要由主控單片機、LED 控制電路、充電電路、振動馬達、LoRa 無線通信模塊等組成。

2.1 主控單片機

本設計中主控單片機采用LPC1114FBD48,該單片機采用ARM Cortex-M0 內核,是低功耗32 位處理器,專為8/16 位微控應用設計。 它提供高性能、低功耗、簡單指令集指令和簡化尋址指令。 單片機內含32KB Flash、8KB SRAM、10 路A/D 轉換器、48 個通用I/O 接口、1 個加強型快速I2C 接口、1 個RS-485 UART 接口、2個具有SSP 功能的SPI 接口等豐富的片內資源,很方便與LoRa 無線通信模塊連接,更容易進行多功能拓展。

2.2 無線通信接口電路

無線數據數據通信是通過LoRa 無線通信模式實現。 本設計采用的LoRa 模塊為E22-400T22S。 該芯片是全新一代的LoRa 無線模塊,由SEMTECH 公司SX1268 射頻芯片進行設計。 芯片內置無線串口模塊(UART),具有多種傳輸模式,工作頻段為410.125 ～493.125 MHz 頻段,通常默認使用433.125 MHz,支持LoRa 擴頻技術。 該芯片具有傳輸距離更遠、速度更快、功耗更低的優勢,同時支持空中喚醒、載波監聽、通信密鑰等功能,支持分包長度設定,可提供定制開發服務。 芯片的電路連接如圖2 所示。

圖2 LoRa 物聯網無線通信模塊電路

2.3 無線通信電路與充電電路

本設計中LoRa 無線通信模塊采用的是E22-400T22S。 考慮到預警肩燈設計體積應該便于攜帶,在本設計中采用了TP4057 作為充電控制芯片,其采用PMOSFET 架構,具有放倒沖電路,無需外部檢測電阻器和隔離二極管就可工作。 同時SOT 封裝使的該芯片更具有體積優勢。 在充電時,當電池電壓到達4.2 V時,充電電流會降至57 定值的1/10 實現自動終止充電。 其設計電路如圖3 所示。

圖3 TP4056 充電電路

2.4 閃爍電路和振動馬達

振動馬達和閃爍電路作為預警肩燈的最終預警表現形式,是整個設計中的重要環節。 本設計采用了紅藍兩色燈珠進行預警顯示,通過不同顏色的閃爍模式進行不同預警等級的警示。 部分閃爍電路如圖4 所示。 振動馬達工作時電流通過直流電機的電刷,使之與換向器之間產生滑動接觸,不同的繞組通電線圈在磁場中切割磁力線。 在直流電機上安裝一個凸輪(偏心震子),凸輪在轉動過程中重心不斷改變,可以產生強烈的振動感。

圖4 閃爍電路

3 工作模式與功能實現

3.1 預警模式

本設計是基于物聯網技術的安全預警系統工作環節的最末端,負責整個系統的最終預警提示工作,其工作效果和穩定性直接影響到整個系統最終的使用效果。 在肩燈工作時,主控單片機負責控制LoRa 無線模塊進行預警信息的接收與分析,同時控制閃爍和振動電路進行不同預警等級的預警提示。

肩燈在工作時根據接收到的預警信息進行預警提示,其提示模式根據預警等級不同而會有不同的預警提示狀態,其具體警示狀態如下。

(1)預警狀態三級:該等級屬于高度危險等級。 該等級表明來向車輛經檢測分析被認為處于危險駕駛狀態,而處于該狀態的車輛對公路養護人員具有極高的安全威脅,公路養護人員需要及時撤離工作現場以保證人身安全。 在該預警等級時,肩燈上紅藍兩色燈爆閃,振動馬達高速運轉,振動強烈。

(2)預警狀態二級:該等級屬于中等危險等級。 該等級表明來向車輛經檢測分析被認為有危險駕駛趨勢,但尚未達到危險駕駛級別。 公路養護人員在接收到預警提示時需要及時瞭望,觀察路面車輛狀況,從而判斷是否需要進行撤離或閃避等動作。 在該預警等級時,肩燈上紅藍兩色燈交替閃爍,振動馬達中低速運轉,有明顯震感。

(3)預警狀態一級:該等級屬于低危險等級。 該等級表明來向車輛經檢測分析被認為屬于正常駕駛狀態,基本不會對養護人員造成人身威脅。 養護人員只需適時瞭望觀察路面狀況,無需做出特別的反應。 在該預警等級時,肩燈藍色燈緩速閃爍,振動馬達無振動。

根據預警肩燈的不同提示狀態,公路養護人員可以對來向車輛的車速狀態進行分析預估,從而通過瞭望、躲避、撤離等手段來應對可能發生的交通危險,從而盡可能避免公路養護人員人身財產受到損害。

3.2 功能實現

本設計的目標是使公路養護人員在公路施工時提高自身安全保障,通過肩燈的預警狀態變換,能夠較好地對工作人員進行預警提示。 在實際測試中,本設計已經實現了以下功能:

(1)能夠由LoRa 無線通信模塊進行預警數據接收,并將雙色燈閃爍和振動狀態預警狀態提示;

(2)能夠根據預警等級不同,實現肩燈在不同預警狀態的閃爍狀態控制;

(3)能夠根據預警等級不同,實現振動馬達強弱效果變化;

(4)肩燈使用5V 充電,充電磁吸接口,充電便利。

4 實用性與可拓展性

4.1 實用性

本設計改變了公路養護人員只能依賴被動防護裝置對自身安全進行保護的現狀,增加了公路養護人員安全保障新手段。

(1)提高主動安全防護性。 通過本設計,增加了公路養護人員在道路養護施工時的主動防護手段,減少了相關人員在工作時受到的安全威脅,提高了公路養護人員人身安全性,實現了公路養護人員的主動安全防護性。

(2)攜帶方便,使用簡單。 本設計具有很高的便攜性和實用性。 肩燈設計小巧,攜帶方便,而且在使用時不會影響養護人員工作時對各種設備的操作使用。 同時本設備采用了低功耗設計,在滿電狀態下可以實現連續20 小時以上待機工作,非常適合戶外連續施工操作時使用。

(3)設計合理,提示明顯。 本設計充分考慮使用者的便利性,在設計時簡化了預警提示時雙色燈和振動馬達的組合模式,便于公路養護人員在使用時更加容易分辨預警狀態等級。 肩燈內置可充電鋰電池并采用磁吸接口,在免去使用者頻繁更換電池的同時,磁吸充電接口能夠讓使用者在充電時輕易找到正確連接位置,免去插拔的麻煩。 肩燈提供低電量提示,每次開機會根據雙色燈珠同時閃爍數量進行電量提示,在電量低時,會進行間隔性閃爍提示。

4.2 可拓展性

本設計針對公路養護人員所面臨的實際問題進行解決處理。 在設計時考慮了產品的體積、功耗和便攜性等問題,并對上述問題進行了逐一解決。 在進行開發和測試過程中,LoRa 無線通信設備的拓展功能給開發者更多啟發,預計可以進行以下功能拓展。

(1)拓展LoRa 無線通信模塊的定位功能。 LoRa可以不依靠GPS 技術而實現網關定位。 因此,可以在施工人員進行野外施工時,對佩戴該預警肩燈的工作人員進行定位管理,既能確定施工人員是否施工位置正確,又能監督施工者是否在工作崗位上。

(2)拓展肩燈的主動求救功能。 很多公路施工工作可能是在野外等復雜地段進行,一旦出現危險情況可能會存在無法呼救等情況。 因此,可以在本肩燈上拓展一鍵求救功能,通過LoRa 無線定位技術可以實現對人員位置的確定,同時,當求救按鈕按下后,遠程服務器端會收到求救信號,這樣就可以根據定位地點進行合理施救。

5 結語

我國正處于經濟高速發展過程中,其中僅高速公路總里程就已經超過了15 萬公里。 公路已經是我國經濟發展的主動脈,公路養護工作也成為維護動脈安全,保障經濟血脈順利流動的重要工作。 努力保護公路暢通,有效保護公路養護人員人身安全是本設計的主要目的。 本設計通過電子化、科技化的手段提高了公路安全預警的準確性,增加了公路養護人員的主動防護手段,結合智慧交通、智能交通概念,推動了公路安全預警技術的深入研究和發展。