基于有軌電車行運(yùn)路口無人值守系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊康 趙翠

摘 要：針對國內(nèi)目前有軌電車軌道交通路口運(yùn)行現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了可替代人力指揮的智能交叉道口無人值守系統(tǒng)。系統(tǒng)核心控制模塊是意法半導(dǎo)體（ST）公司旗下的STM32F103芯片，該芯片能夠滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求且性價(jià)比較高。系統(tǒng)設(shè)計(jì)使用由STM32作為核心的嵌入式線圈組成檢測模塊，利用扭矩電機(jī)作為機(jī)械模塊。經(jīng)過試驗(yàn)表明，該系統(tǒng)錯(cuò)誤率低、穩(wěn)定性強(qiáng)、功能完善，可實(shí)際應(yīng)用于有軌電車小型交叉路口，達(dá)到取代人力的目的。

關(guān)鍵詞：距離檢測;模數(shù)轉(zhuǎn)換;無人值守文章編號：2095-2163（2019）04-0060-05 中圖分類號：TP277 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引 言

由于有軌電車大多數(shù)是在原有的城市道路上鋪設(shè)的行駛軌道，所以不得不面臨的問題就是在各個(gè)交叉路口的交通秩序問題。在車流量多，人流量少的交叉路口采用的依然是紅綠燈指揮的方法，但是對于車流量少，人流量多的小型路口的交通安全問題還有待改善。目前一個(gè)交叉路口，一般會設(shè)有2個(gè)人值班進(jìn)行指揮交通工作，但是這種指揮方式，既浪費(fèi)人力，又增加了運(yùn)營成本，為了解決目前有軌電車沿線路口人力指揮交通的弊端，在交叉路口設(shè)置一套智能無人值守自動(dòng)控制系統(tǒng)是很有必要的。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本套系統(tǒng)綜合運(yùn)用了各項(xiàng)高新技術(shù)，提供了取代人力指揮交通的智能道口無人值守自動(dòng)控制系統(tǒng)裝置的設(shè)計(jì)方案。該系統(tǒng)應(yīng)用于有軌電車沿線小型交叉路口，實(shí)現(xiàn)車來?xiàng)U落、車走桿升、自動(dòng)防撞、自動(dòng)抓拍等功能，可以完全取代人力指揮工作。系統(tǒng)采用了嵌入式技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)，并且把這些技術(shù)綜合運(yùn)用于一套系統(tǒng)中，從而保證整套系統(tǒng)功能的完備性和有效性。

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

經(jīng)過性能對比，從運(yùn)算速度和片內(nèi)資源考慮，最終選擇了STM32芯片。本系統(tǒng)以STM32103ZET6作為系統(tǒng)的主控芯片，主要由車輛檢測模塊、信號模塊、機(jī)械模塊、報(bào)警模塊等組成，整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 功能流程

1.2.1 正常運(yùn)行情況

當(dāng)有軌電車駛近路口時(shí)，路口前方的車輛檢測傳感器檢測到列車行駛，傳感器發(fā)送信號至STM32微控制器，STM32微控制器根據(jù)程序設(shè)定對應(yīng)輸出信號，可以自動(dòng)開啟報(bào)警模塊裝置與監(jiān)控模塊，同時(shí)欄桿放下，并且控制與電車垂直的路口交通燈變?yōu)榧t燈。在電車駛離路口時(shí)，路口另一端的車輛檢測傳感器檢測到列車行駛，傳感器發(fā)送信號至STM32微控制器，控制器關(guān)閉報(bào)警模塊裝置和監(jiān)控模塊，欄桿自動(dòng)升起，恢復(fù)路口的正常通行。如果檢測到第一輛有軌電車通過期間又有另一輛電車駛進(jìn)路口，則對第一輛電車檢測到的信號反應(yīng)不變，直至檢測到第二輛車駛離路口的信號時(shí)再做出反應(yīng)。

1.2.2 非正常運(yùn)行情況

當(dāng)接到有軌電車駛近路口信號時(shí)欄桿放下，報(bào)警模塊會自動(dòng)開啟。報(bào)警模塊包括紅外柵欄檢測裝置、聲光報(bào)警裝置和抓拍裝置。如果在此期間，檢測裝置檢測到有人、動(dòng)物或運(yùn)動(dòng)的物體闖進(jìn)預(yù)警范圍之內(nèi)，為了保護(hù)行人和列車的安全，報(bào)警模塊會立刻做出反應(yīng)，向列車發(fā)送制動(dòng)信號預(yù)警，聲光報(bào)警響起進(jìn)行提示，抓拍裝置對路口進(jìn)行抓拍，照片會自動(dòng)存儲上傳，發(fā)送給路口附近執(zhí)法人員，以便于在最短時(shí)間內(nèi)做出處理措施。系統(tǒng)簡圖如圖2所示。

1.3 數(shù)據(jù)分析

檢測模塊使用線圈型車輛檢測器作為檢測車輛裝置，其構(gòu)成為：在路面上切割出一個(gè)矩行的溝槽（尺寸為2 m×1.5 m）4個(gè)溝槽銅導(dǎo)體嵌入在這個(gè)溝槽中，形成埋入地下的電感線圈。該線圈是振蕩電路的一部分，這個(gè)振蕩信號被送到一個(gè)由單片機(jī)組成的測頻電路，MCU可以測量這個(gè)振蕩器的頻率。其關(guān)鍵技術(shù)就是設(shè)計(jì)出的振蕩器能夠靈敏地檢測出列車經(jīng)過時(shí)的頻率變化，穩(wěn)定可靠的向控制器發(fā)送信號。

應(yīng)用于有軌電車交叉路口自動(dòng)控制系統(tǒng)對于列車的檢測應(yīng)滿足以下要求：

（1）具有較強(qiáng)的靈敏度以便于在最短的時(shí)間內(nèi)做出反應(yīng);

（2）具有避免相鄰軌道頻率干擾的解決辦法;

（3）具有列車駛進(jìn)線圈和駛離線圈2種可選擇檢測方式;

（4）具有脈沖和電平2種輸出方式;

（5）具有較長時(shí)間的使用壽命。

2 線圈列車檢測器的工作原理[1]

線圈列車檢測器能否檢測到車輛的行駛，取決于埋設(shè)在地下感應(yīng)線圈的震蕩頻率是否變化決定的。感應(yīng)線圈一直處于供電狀態(tài)，當(dāng)無列車經(jīng)過時(shí)，線圈自感產(chǎn)生的震蕩頻率作為基準(zhǔn)頻率。當(dāng)列車經(jīng)過時(shí)，空間介質(zhì)發(fā)生變化，從而引起震蕩電路中的震蕩頻率發(fā)生變化，此變化信息作為列車經(jīng)過此處的證實(shí)信號。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

硬件電路設(shè)計(jì)是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心部分，只有硬件設(shè)計(jì)合理有效，才能夠保證整體系統(tǒng)裝置正常高效的運(yùn)行。此系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)主要包括基于STM32單片機(jī)的控制器模塊、傳感層模塊、機(jī)械模塊電路、報(bào)警模塊等部分。接下來將對主要組成部分一一介紹。

3.1 控制器設(shè)計(jì)

在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，選擇合適的微控制器尤為重要，STM32具有Cortex-M3內(nèi)核結(jié)構(gòu)，內(nèi)部資源豐富，運(yùn)算速度非常快，性能強(qiáng)勁，在價(jià)格上和其它八位機(jī)相差不大，但是其性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)好過八位機(jī)，其時(shí)鐘頻率高達(dá)72M，性價(jià)比極高。具有高 性 能 、低 成 本 、低 功 耗 的突出優(yōu)點(diǎn)。

3.2 傳感層設(shè)計(jì)

傳感層中的主要感測功能是耦合振蕩電路，電路設(shè)計(jì)原理如圖3所示。這是一個(gè)電容反饋式振蕩 電 路，其 振 蕩 頻 率在 300 kHz左右，2個(gè)反接的4.3 V穩(wěn) 壓 管 使 正 弦 振 蕩 信 號 限 制 在 -5 V～+5 V范圍之內(nèi)，耦合變壓器原 副 邊 匝 數(shù) 比 為l∶1[2]。P6KE12CA二 極 管 可 以 抑 制 由 靜 電 引 起 的 瞬 間 電 壓 影 響。正弦振蕩信號經(jīng)比較器LM339整形后，送至信號整形放大電路，最后輸入微處理器的計(jì)數(shù)單元[3]。

3.3 報(bào)警模塊

報(bào)警模塊主要采用聲光報(bào)警，紅外對射柵欄作為檢測部分。

紅外柵欄（也叫“紅外欄桿”）是主動(dòng)紅外對射的一種，采用多束紅外光對射。發(fā)射器向接收器以“低頻發(fā)射、時(shí)分檢測”方式發(fā)出紅外光，若有人員或物體擋住了發(fā)射器發(fā)出的任何相鄰2束以上光線超過3 0 ms時(shí)，接收器立即輸出報(bào)警信號。當(dāng)有小動(dòng)物或小物體擋住其中一束光線時(shí)，報(bào)警器不會輸出報(bào)警信號[4]。但是遮擋時(shí)間和遮擋面積超過一定時(shí)限，接收器輸出報(bào)警信號并且啟動(dòng)攝像頭對闖入行人進(jìn)行抓拍。紅外柵欄在欄桿處于關(guān)閉狀態(tài)，紅燈亮的時(shí)候開啟，自動(dòng)檢測有無物體經(jīng)過，若有，則會發(fā)送信號至聲光報(bào)警系統(tǒng)和司機(jī)駕駛車廂以提示司機(jī)，并且啟動(dòng)攝像頭進(jìn)行抓拍。當(dāng)欄桿處于開啟狀態(tài)時(shí)，綠燈亮，紅外柵欄關(guān)閉，行人可以通過路口。當(dāng)停電或出現(xiàn)故障時(shí)會自動(dòng)抬起，不會影響行人通行。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 環(huán)境搭建

RealView MDK 開發(fā)套件作為系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)使用平臺，來源于德國的Keil公司，已廣泛應(yīng)用于嵌入式開發(fā)，是針對各種嵌入式微處理器的軟件開發(fā)工具。RealView MDK能夠滿足眾多工程師的使用要求，其含有行業(yè)內(nèi)頂尖的技術(shù)操作，也包含了uVision3 開發(fā)環(huán)境和RealView編譯器。不僅可以在其中對多種嵌入式微處理器進(jìn)行操作，還能夠自動(dòng)配置處理器的啟動(dòng)代碼，大大提高了開發(fā)人員的開發(fā)效率，在開發(fā)啟動(dòng)代碼時(shí)，操作者不再需要使用匯編語言去開發(fā)。

微處理器的開發(fā)軟件采用的是MDK-ARM，因?yàn)檫@款軟件操作簡單，對嵌入式初學(xué)者使用比較方便，可以滿足不同情況的嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。MDK-ARM的特點(diǎn)如下[5]：

（1）可以對各種內(nèi)核微處理器進(jìn)行操作;

（2）具有源碼的實(shí)時(shí)小型封裝操作系統(tǒng);

（3）集成了不同的開發(fā)環(huán)境;

（4）通過調(diào)試器和仿真器，可以燒寫代碼和模擬仿真;

（5）具有多種項(xiàng)目例程以助于了解MDK-ARM內(nèi)部屬性;

（6）使用圖形用戶界面為系統(tǒng)開發(fā)提供GUI庫支持。

4.2 主控程序設(shè)計(jì)

主控程序設(shè)計(jì)主要是構(gòu)建整個(gè)軟件系統(tǒng)框架和完成相關(guān)模塊的初始化。系統(tǒng)利用STM32單片機(jī)組成的主控系統(tǒng)，通過感知層檢測列車運(yùn)行情況，判斷列車是否駛近路口，經(jīng)單片機(jī)處理對模塊功能進(jìn)行控制。系統(tǒng)軟件構(gòu)成如圖4所示。

4.3 信號與機(jī)模轉(zhuǎn)換程序設(shè)計(jì)

此模塊不僅僅考慮到車來往時(shí)欄桿對應(yīng)的起降，還對列車沿線垂直路口的交通信號燈的配時(shí)方案做出了設(shè)計(jì)。由于電車經(jīng)過路口時(shí)，電車是有優(yōu)先通過權(quán)的，所以需對十字路口的交通燈作出相應(yīng)的調(diào)整。

電車即將到達(dá)路口時(shí)：報(bào)警裝置立即啟動(dòng)，垂直于電車方向的交叉口的交通燈為紅色，3 s后欄桿下降。電車方向的交通燈保持原來的時(shí)序不變，直到電車駛離路口。這樣就不會使人或車輛滯留在路口中間，保證了電車的正常運(yùn)行。

電車駛離路口時(shí)：警報(bào)裝置關(guān)閉。需事先設(shè)定好定時(shí)器，如果與電車垂直的路口方向是綠燈，而且剩余的時(shí)間大于10 s，當(dāng)檢測到電車離開交叉路口時(shí)，與電車行駛方向垂直的路口交通燈變換成綠色，此時(shí)綠燈亮起的時(shí)間是按正常情況下計(jì)算剩余時(shí)間，然后綠燈閃爍3 s，黃燈閃爍2 s，交通燈變換為紅色。而在電車行駛方向的交通燈從車到達(dá)路口一直到離開路口的這段時(shí)間，一直保持正常的時(shí)序不變。當(dāng)電車駛離路口時(shí)，按照定時(shí)器的設(shè)置，如果此時(shí)與電車行駛方向垂直的路口方向是綠燈，而且剩下的時(shí)間是小于10 s的，這時(shí)不足以讓此方向上的行人和車輛通過，此方向紅綠燈直接變?yōu)榧t色，時(shí)間為25 s，相應(yīng)的電車行駛方向的交通燈變?yōu)榫G燈，時(shí)間為20 s，此后恢復(fù)路口交通燈的正常執(zhí)行的時(shí)間順序。

根據(jù)上述控制要求，電車接近路口并離開路口時(shí)的交通燈控制流程。如圖5所示。

4.4 行車數(shù)據(jù)采集

由于STM32 具有中斷和定時(shí)器功能，通過接收線圈頻率來判斷列車行駛的實(shí)時(shí)情況。首先，將微處理器輸入方式的自身頻率信號引腳設(shè)置為外部中斷，并將中斷觸發(fā)方式設(shè)置為下降沿觸發(fā)，每次在頻率脈沖的下降沿進(jìn)行次數(shù)統(tǒng)計(jì)。系統(tǒng)在定時(shí)器設(shè)定的時(shí)間周期內(nèi)計(jì)算頻率脈沖下降沿次數(shù)，經(jīng)過計(jì)算可以得到線圈的頻率數(shù)值，列車通過線圈的時(shí)間會比定時(shí)器設(shè)定的時(shí)間周期大很多，因?yàn)檫@樣可以減小判斷列車經(jīng)過線圈時(shí)頻率值的誤差，頻率值的變化趨勢也可以在此時(shí)獲得。圖6是對信號管腳設(shè)置的外部中斷程序。

4.5 模擬測試

實(shí)驗(yàn)在Labview上進(jìn)行了模擬測試，并且完成了車輛檢測、車來?xiàng)U落、車走桿升、聲光報(bào)警、車來期間行人闖紅燈監(jiān)測、抓拍的功能。并且檢測到了車速、車距離路口的具體車距，數(shù)值在實(shí)驗(yàn)中均有顯示。此次模擬測試證明了本系統(tǒng)裝置的可行性。圖7是Labview模擬實(shí)驗(yàn)測試截圖。

5 結(jié)束語

目前，國內(nèi)軌道交通行業(yè)正處于迅速發(fā)展的階段。在中國大小城市中，因成本建設(shè)要求難度無法建造地鐵，而建設(shè)有軌電車的城市越來越多。在地面運(yùn)行的有軌電車，必將穿過街道、人行道。由于小型交叉路口很少安裝安全防護(hù)措施裝置，本文就應(yīng)用于此種安全防護(hù)措施的裝置進(jìn)行了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，深入分析了列車檢測原理并完成了基于STM32F103ZET6的軟硬件架構(gòu)?？蓪?shí)現(xiàn)全程自動(dòng)控制，能夠完成列車檢測、自動(dòng)抓拍、欄桿起降、緊急制動(dòng)、數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?，本系統(tǒng)裝置的應(yīng)用可以節(jié)約運(yùn)營成本，避免人力物力浪費(fèi)，實(shí)現(xiàn)交通的智能化。

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