智慧交通中的物聯網開關與電路設計研究

張明存

（六安職業技術學院，安徽 六安）

引言

隨著我國經濟的快速發展和城市化水平的持續提高，在城市里的汽車數量也在快速增加，由此造成的交通擁擠也日益嚴峻，交通擁堵已經成為制約城市可持續發展的重要問題之一。在智能交通系統中，大數據的應用是基于前端傳感器進行數據采集，這就需要有大量的服務器和前端設備[1]，包括信號控制、交通流量采集、卡口、交通誘導、電子警察等系統[2]。同時，為了確保整個體系的運行，數據中心也必須竭盡全力地工作[3]。隨著系統規模的持續增大，前端設備點位的增加，設備故障點也隨之增加[4]。在城市路網中，交通擁堵的情況最多發生在交叉路口，所以，開發了智能交通控制系統[5]，能夠有效地提升道路通行能力、緩解擁堵問題[6]。本研究以智慧交通系統為基礎，設計了一種具有電路基本保護功能物聯網開關，能適用于智慧的交通系統，有助于平安城市、智慧城市的建設，具有重要的工程意義。

1 物聯網開關

1.1 物聯網開關的角色

物聯網開關是融合了現代電力電子技術、網絡技術和自動控制技術的新一代智慧用電產品，在無人值守的用電現場，如卡口系統、視頻監控、通信基站、數據中心等。通過云計算預設，對用電現場進行智能管理，實現過電壓、欠電壓、過載、短路、漏電等異常用電事件的實時監控、分析、處理及上報[7]。物聯網開關將重合閘裝置、斷路器、電表、通信設備和漏電保護器等多種設備的功能相結合，可減少由于設備突然故障導致的停電。

1.2 物聯網開關特性

局域網與遠域網的通信特性：局域網開關通過RS485, ZigBee 等接口，使局域網內的網絡信息能夠及時的傳輸到系統中。用戶既可以查看現有電力線路的電力消耗情況，又可以進行局部或遠距離的電力配置。信息顯示：在智能終端的控制板上安裝了一塊LED 顯示屏，可以查看和設置有關的參數，還可以閱讀用電記錄和故障記錄。溫敏性能作用：在該開關中設有一個跟蹤電路，通過模擬和數字的方式對所獲得的電壓信號進行檢測，從而實現對電線的溫度監控。局域、遙距控制：局域、遙距開關均可配置，可實現人工、自動兩種方式的切換，便于使用者在局域、背景下進行切換。一般用電安全保護：物聯網開關擁有一般的過載、短路、漏電、雷擊等故障，無論是瞬間的故障，或者是長期的故障，當用電回路出現這種異常狀況時，就會根據預先設定的程序做出反應，并執行相應的動作。重合功能：能夠在故障發生后進行實時監測，并能夠在故障發生后進行重新啟動，并且能夠承受長期電壓故障和頻率故障的重合。

2 物聯網開關功能體系結構

物聯網開關，由測量模塊和MCU 的主控單元，采樣模塊，顯示模塊，主回路，通信信號模塊等組成，圖1為物流聯開關功能架構。

圖1 物流聯開關功能架構

工作原理如下，當回路出現過載、短路、過欠壓、漏電、雷擊等用電不正常現象時，MCU 就會根據預先設定的程序，向其發送命令，并使其關閉，而系統對其進行監控；如果故障消除，滿足了合閘的要求，那么就會給出一個命令，讓它在預定的時間內重新合閘。物聯網的開關分為人工斷開與自動斷開兩種，人工斷開與自動斷開，便于維修人員進行現場維修。單片機在對參量進行處理時，沒有設定門限，但門限可以設定，以便于對系統進行維護。針對物聯網切換器的特點：既能實現電流型故障，又能實現長期電壓型和頻率型故障的重合。在主控單元中，主要包含了兩個部分：其中包括測量單元和單片機兩部分。該計量模組采用高精密的單相多功能計量晶片，可測定、計算有功、無功、視在功率，并可進行有功功率的脈動輸出，并可進行遠距離調時，可完成分時的電力計量，MCU 設置了通信接口，并提供了RS485, ZigBee 等通信方式，并能把監控數據，故障，用電日志等信息傳送到顯示器上，使用者只需在本地按下按鈕就能進行查詢和設定。而單片機則把監控得到的各種信息及時地傳送到后臺，使用者還可以遠程地對其進行查看和操作。采集系統由變壓器，電流采集電路，電壓采集電路組成。重合閘部分又分為驅動部分和執行部分。單片機對有關參數進行監控、計算和處理，并通過控制信號發送給控制系統，使其實現模式馳行- 閉鎖。

2.1 交通控制機結構設計

在此基礎上，提出了一種面向物聯網的ITS 系統的方案。其中，在CC2530 單片機的基礎上，完成了ZigBee 三類節點的電路設計，分別是：協調器節點、路由器節點和終端節點；在此基礎上，結合STM32F407ZGT6 單片機，完成了交叉控制器的硬件電路的設計。在智慧交通信號控制機的架構上，可以將其劃分成采集層、傳輸層和管理者三個部分。圖2 是一個以物聯網為基礎的智慧交通信號控制機的結構框圖。

圖2 基于物聯網的智能交通信號控制機結構框圖

在收集層中，將終端節點、路由器節點和協調節點進行了設計，這三種類型的ZigBee 節點分別是ZigBee的基礎單元和對應的功能模塊，其中終端節點主要是為了收集交通流，它包括了ZigBee 的基礎單元和一個傳感器模塊；其中，路由器的結點主要是用來傳送資料，因此，它僅由一個ZigBee 組成；協作結點由ZigBee組成，并由其內部的串行接口模塊組成。在傳送層，十字路口控制機主要是對收集層中的信息進行接收，然后經由以太網將其傳送到管理者那里，同時也對十字路口的紅綠燈進行控制，相當于一個ZigBee- Ethernet網，所以在十字路口控制機的主處理器（包括處理器，晶振電路，復位電路，電源電路）下，分別對協調器節點進行通訊，并對以太網絡進行遠距離通訊。另外，在該系統中還設計了JTAG/SWD 調試模塊，外部擴展SDRAM模塊，SD 卡存儲模塊，RS485 接口模塊，液晶顯示器等外部硬件。其中，管理人員主要完成對交叉口控制器數據處理和數據顯示、存儲和查詢，同時也完成了對交叉口控制器的設計。管理者是軟件設計，本研究以VistualStutio2015 開發平臺為基礎，采用C#語言，設計可運行于計算機系統上位機監測軟件。

2.2 ZigBee Node 的硬件實現

ZigBee 節點硬件設計主要包含了ZigBee 基本單元和相應的功能模塊的設計，三種ZigBee 節點的ZigBee 基本單元硬件結構是一樣的，而功能模塊是終端節點的傳感器模塊、協調器節點的串口通信模塊。

2.2.1 換能器組件 傳感器模塊是為了終端節點而進行的，在本研究中，我們選擇了HMC5883L 三軸磁阻傳感器模塊，它是以磁阻效應原理為基礎，利用各向異性磁阻技術，可以測量出地面磁場的方向和大小，工作電壓范圍為2.16 V～3.6 V，擁有100 uA 的超低功耗，它十分適用于ZigBee 終端節點這種靠電池供電的系統中。HMC5883L 為I2C 總線，CC2530 能用它來設置和讀出傳感器組件，其I2C 接口上的時鐘管腳SCL、數據管腳SDA 分別與CC2530 的P1_2、P1_3 管腳相連。圖3 為傳感器模塊電路。

圖3 傳感器模塊電路

2.2.2 串口通訊模塊 串口通訊模組是為協調器結點而設計的，協調器結點經由此模組與十字架控制器的主機通訊，其電路結構見圖4。

圖4 串口模塊電路

2.3 路口控制機最小系統設計

在發送層，選擇了STM32F407ZGT6 單片機為主要處理單元。STM32F407ZGT6 是意法半導體公司生產的一款基于Cortex-M4 內核的處理器，相對于之前該公司推出的、市面上比較流行的STM32F1 系列的微處理器，STM32F407ZGT6 芯片擁有更為優異的性能和高端的配置，其配備有5 個時鐘源，能夠滿足很多種外部裝置對不同時鐘頻率的需求，并具有6 個串口，一個10/100 M以太網MAC，一個靈活的靜止可變存儲控制器FSMC,112 個通用I/O 管腳。其中，112 個通用接口被分成7 個組別，即GPIOA～GPIOG，每個組別16 個，這7 個管腳可以利用再映射的方式來完成管腳的復用，從而對芯片資源進行更多的擴充。STM32 芯片的引腳與一個32768 KHz 的、用于提供在處理器內的實時時鐘信號的一個較低的、外置的晶體振蕩電路相連。在圖5中顯示一個低轉速的外置晶體振蕩電路。

圖5 低速外部晶振電路

2.4 SD 卡存儲模塊

本研究中所設計的交通控制機能夠將車流量數據進行遠程傳送到交通管理中心的電腦系統，然而，在各個路口控制機都需要有一個大容量的存儲裝置來對本路口的車流量進行存儲。現在，最常見的大容量存儲器有U 盤、Flash 芯片和SD 卡等。研究選擇了SD 卡，SD卡不但體積可以很小，而且存儲空間也可以很大，這種特性很適用于在嵌入式系統中使用。STM32F4 內置的SDIO 驅動程序，能支持各種類型的存儲卡，如多媒體卡，SD 記憶卡等。該SDIO 控制裝置包括兩個部件，一個是與STM32F4 的中斷及DMA 請求相連的APB2 總線接口，另一個是與諸如APB2 總線之類的內部資源相連的SDIO 適配組件，該SDIO 控制裝置的總體架構見圖6。

圖6 SDIO 控制器結構框圖

在SD 卡存儲模塊的電路設計中，只需要對SDIO適配器模塊與SD 卡的連接電路進行設計就可以了。從上面可以看出，兩者之間有三種信號連接線：SDIO_CK,SDIO_CMD 和SDIO_D。SDIO_CK 是一個由適配器模塊為外部的SD 卡所提供的卡時鐘，它的每一個循環都會在指令線或數據線上傳送一位指令或數據；SDIO_CMD 是用來傳送從SDIO 發出的全部指令和回應的指令管腳。SDIO_D 是一條連接著適配器模塊與外部存儲裝置的8 條數據線，SD 卡中使用了一條SDIO_D0，在SDIO 控制器復位之后，僅有SDIO_D0 引腳可以被用來進行數據傳輸，在初始化結束之后，主機可以利用SDIO_CMD 引腳發出控制命令，來決定是使用SDIO_D0 還是SDIO_D，在這篇文章中，采用SDIO_D 四條數據線，圖7 是SD 卡的電路。

圖7 SD 卡電路

在圖7 中，SDIO_D 是4 根數據線，其中SDIO_SCK 為SD 卡的運行時鐘，SDIO 中的指令及反應均經由SDIO_CMD 管腳進行傳遞。

2.5 LCD 顯示模塊

LCD 的顯示模組，是用來展示交叉控制器的工作狀況和調試資料的，在這個設計中，它使用了TFTLCD的LCD，而它的LCD 的16 位數據總線SMC_D 則與STM32F4ZGT6 芯片相連，這里要說明的是，這個模組與之前SDRAM模組中的IS62WV51216 芯片16 位的數據線到主處理器的插頭是一樣的，但是，TFTLCDs 的片選引腳是FSMC_NE4，而SDRAM的片選引腳則是FSMC_NE3，利用STM32F4ZG6 的FSMC，可以對LCD和SRAM進行讀取和寫入。圖8 是LCD 模塊電路。

圖8 LCD 模塊電路

3 物聯網開關在智慧交通中的應用

因為信息的重要性，所以在智能交通中，無論是信號監控，或者是視頻監控，都需要24 h 不間斷地提供電力，而這類用電裝置沒有專門的供電線路，一般都是在附近使用，電網的不穩定會導致裝置的停電、損壞、通訊失效等問題，而維保的延遲也與裝置的信息缺乏密切相關。目前的智能交通系統負載側用電系統中，最普遍的就是微型斷路器、漏電斷路器等，僅具備電路短路、過載、漏電等基礎保護功能，不具備聯網功能，也不具備數據搜集、存儲、發送等功能。在常規的系統中，使用到的元件比較多，各個元件的作用比較單一，因此，在現場接線比較麻煩。但是，若采用具備較強整合性的物聯網轉換器，則可取代多個器件，為用戶帶來更多便利。在智能交通配電系統中，在配電柜的進線或出線端，可以對該級到終端設備供電線路上的溫度、電流、電壓等電氣參數進行實時監控和管理，也可以對監測點的工作狀態進行實時預警，發生故障時，可以及時將電路切斷，當故障切除后，則會自動合閘，恢復供電，可以避免由于供電故障而造成的設備損害，同時也可以降低因設備停機而導致的損失。運行人員既可以在現場使用人工切換器，也可以通過遠程控制的方式來實現。可以在當地，從屏幕上查看，點擊查看設備的工作參數、工作記錄、故障記錄，還能夠在應用端進行遠程瀏覽。在物聯網的開關板上設置了一些錯誤的顯示，方便了操作者的現場判斷與分析。

4 結論

本研究以智能交通系統為基礎，設計了一種具備了電路基本保護功能、遠程通訊功能、電能信息采集功能的物聯網開關，得出如下結論：

（1） 物聯網開關的主體由（測量模塊，MCU），采樣模塊，顯示模塊，主回路，通信信號模塊等組成，MCU配置通訊接口，支持RS485、ZigBee 等通訊模式。

（2） 在數據獲取層面上，選用HMC5883L 型磁電阻作為終端節點的傳感元件，選用FT232 作為協調器節點的串行通訊元件；選用LAN8720 作為網絡模塊，在此基礎上，完成了JTAG/SWD、SWD、SD、LCD 等相關的硬件電路的開發。

（3） 將終端負載用電信息采集方案集中在一個功能集成的設備上，能夠實現24 h 監控用電設備的運行情況，一旦出現了用電的異常狀況，就可以快速地將線路切斷，在將線路進行切割之后，當檢測到線路參數是正常的時候，就會開啟自動重合閘功能，可降低因電力系統故障而導致的停機損失，也可以應用到智能交通系統當中。