立交橋自動除雪系統(tǒng)研究

衛(wèi) 革，徐毅剛

（北京市環(huán)境衛(wèi)生設計科學研究所，北京 100028）

1 立交橋自動除雪系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)由客戶端軟件與服務器、通訊網(wǎng)絡、下位機控制系統(tǒng)、終端噴灑控制器等幾大部分組成。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

中央控制室配備有客戶端電腦和大屏幕顯示器，控制人員在中央控制室可以通過該系統(tǒng)發(fā)送融雪劑噴灑的指令，還可以在噴灑結(jié)束后收到噴灑控制器的反饋信息。系統(tǒng)服務器操作系統(tǒng)為Linux系統(tǒng)。與WINDOWS操作系統(tǒng)相比較，Linux操作系統(tǒng)具有更高的穩(wěn)定性、安全性。服務器軟件用Linux系統(tǒng)可以有效地減少網(wǎng)絡病毒的傳播，在很大程度上提高整個立交橋除雪系統(tǒng)的安全性。同時，基于Linux系統(tǒng)編寫的服務器軟件，在運行速度上也比WINDOWS系統(tǒng)更快捷、高效。

網(wǎng)絡選用3G網(wǎng)絡和GPRS2種數(shù)據(jù)傳輸方式。立交橋地區(qū)位置特殊，使用有線局域網(wǎng)絡存在電線被割斷、偷竊等因素，使用3G網(wǎng)絡可以提高整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性，減少一些人為的故障。GPRS網(wǎng)絡作為上位機與下位機之間信號傳輸?shù)膫溥x網(wǎng)絡，提高了網(wǎng)絡系統(tǒng)的可靠性。

下位機控制部分采用專業(yè)的工業(yè)控制器，配有5英寸的液晶顯示屏，方便現(xiàn)場調(diào)試、維護。橋上裝有終端噴灑控制器，該控制器通過RS-485總線與下位機工控機進行數(shù)據(jù)傳輸，實現(xiàn)雙向通信，既可以向終端設備發(fā)送噴灑指令，還可以收到終端設備的應答信息。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

另外，在噴灑終端部分還設有氣象數(shù)據(jù)監(jiān)測和防盜報警裝置，從而使系統(tǒng)功能更加完善。

2 自動控制系統(tǒng)設計

2.1 下位機控制系統(tǒng)硬件設計

1）系統(tǒng)由嵌入式觸控PC、開關(guān)電源、噴灑控制器、短信控制器和GPRS模塊組成。

2） 嵌入式觸控PC控制整個噴灑系統(tǒng)和各個模塊進行通訊。

3） 開關(guān)電源為系統(tǒng)提供12 V和24 V電源。4） 短信控制器用來發(fā)送噴灑控制器采集的報警短信。

5）GPRS模塊作為熱備份，通過GPRS網(wǎng)絡連接服務器。

6）噴灑控制器作為立交橋融雪劑自動噴灑系統(tǒng)的執(zhí)行終端，具有噴灑、采集和報警的功能。對外有1個485總線接口，控制池可以通過它來進行控制、操作、通訊。系統(tǒng)邏輯如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)邏輯示意

2.2 下位機控制系統(tǒng)軟件設計

下位機開發(fā)環(huán)境是Windows CE，使用C#設計。主界面工作流程如圖3所示，界面以滿屏顯示，共有5個按扭，分別為四通道儀表、噴灑控制、設置、退出、保留。點擊“四通道儀表”，進入四通道儀表界面；點擊“噴灑控制”，進入噴灑控制界面；點擊“設置”進入設置界面；點擊“退出”彈出密碼輸入界面。主界面5 s內(nèi)沒有操作，會自動進入四通道儀表界面。

2.3 遠端噴灑控制器電路設計

2.3.1 噴灑控制盒內(nèi)部電路設計

噴灑控制盒內(nèi)部電路原理如圖4所示。

圖3 主界面工作流程

圖4 噴灑控制盒內(nèi)部電路原理

電路板以ATMEGA16單片機為核心，板上有交流220 V到直流5 V的轉(zhuǎn)換電路，還有485總線相關(guān)的電路，使用ATMEGA16的232接口來控制485總線。另外，板上設計ATMEGA16相關(guān)的數(shù)字電路，可以采集6位撥碼開關(guān)，可以控制2個繼電器，以滿足噴灑控制器作為執(zhí)行終端的要求。

LM7805輸入濾波電容必須選擇470μF以上的電容，這樣輸出的5 V電源在帶負載時，紋波才會更?。摧敵龉β蔬_到最大）。

485總線輸入信號和單片機電路之間要做到電氣隔離，一方面降低485總線的故障率，另一方面可以避免總線上其他分支故障造成本設備燒壞。

2.3.2 ATMEGA16芯片編程設計

噴灑控制器具有噴灑、采集和報警3個功能。在正常工作流程中，噴灑控制器會采集振動傳感器的信號，一旦發(fā)生報警，就會控制報警器發(fā)聲20 s，在下次接收到輪詢指令時，把報警狀態(tài)上傳到控制池。

當接收到噴灑命令時，打開電磁閥，根據(jù)指令設定關(guān)閉電磁閥的時間，延遲2 s，采集流量開關(guān)狀態(tài)并記錄。噴灑時間到就關(guān)閉電磁閥，流量開關(guān)的狀態(tài)也在等待下一條輪詢指令到來時，上傳到控制池。

其工作流程如圖5所示。

圖5 噴灑控制器工作流程

2.4 客戶端軟件與服務器

系統(tǒng)控制軟件和客戶端軟件采用以下工具進行編寫。服務器操作系統(tǒng)采用Linux（CentOS 5.X）系統(tǒng)，客戶端系統(tǒng)運行在WINDOWS系統(tǒng)上，并采用Client/Server方式，數(shù)據(jù)庫采用Mysql，編譯工具采用GCC和Intel C++，編程工具采用Visual C++6.0。

3 系統(tǒng)測試與運行效果

系統(tǒng)安裝完成后，對整個系統(tǒng)性能進行了測試。上位機系統(tǒng)運行穩(wěn)定，功能完善，操作方便；下位機分控制器運行正常，與中央控制室通訊暢通，無數(shù)據(jù)包丟失；終端噴灑控制器工作穩(wěn)定，不受現(xiàn)場環(huán)境干擾，性能良好，能夠順利接收上位機發(fā)送的控制信號、執(zhí)行噴灑命令、上傳現(xiàn)場數(shù)據(jù)等，各項技術(shù)指標達到了設計要求。

該系統(tǒng)將遠程通訊控制技術(shù)應用于立交橋除雪，實現(xiàn)了不受交通狀況影響及時除雪目的，提高了除雪作業(yè)的效率，為雪后立交橋地區(qū)道路暢通及行車安全提供了保障，具有良好的社會、環(huán)境、經(jīng)濟效益。