基于物聯(lián)網(wǎng)太陽能輔助供電智能交通系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

牛宇強(qiáng),丁 聰,李林川

(佳木斯大學(xué),黑龍江 佳木斯 154007)

1 智能交通系統(tǒng)的研究

太陽能交通燈是將傳統(tǒng)的市電供應(yīng)改為由太陽能供電，由于太陽能并不是24 h供應(yīng)，于是配備蓄電池為交通燈儲(chǔ)存能量，蓄電池將收集到的電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能存儲(chǔ)起來，再通過控制器和逆變器就構(gòu)成了一套簡單的太陽能供電系統(tǒng)。目前交通系統(tǒng)主要由監(jiān)控系統(tǒng)拍攝到的交通信息傳回到交通指揮大廳，然后將信息處理，再進(jìn)行指揮調(diào)度。這種半智能的體系效率相對(duì)較低，無法快速進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)控制，為解決這樣的問題，我們將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用到交通系統(tǒng)當(dāng)中，配合傳感器傳回來的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，按照設(shè)計(jì)好的規(guī)則進(jìn)行處理，快速準(zhǔn)確地進(jìn)行科學(xué)調(diào)度，將現(xiàn)有的交通資源實(shí)現(xiàn)效率最大化。例如在擁擠的上下班高峰，東西方向車流量明顯多于南北方向的車流量，而交通燈時(shí)間是固定的，無論如何都不會(huì)改變，這就使得有一方的路口變得更加擁擠。為解決這一難題，在每個(gè)路口設(shè)置多組傳感器計(jì)數(shù)器，將各個(gè)路口數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，傳送到處理終端上，再通過預(yù)設(shè)置好的智能算法，進(jìn)行處理，使交通燈時(shí)間處在一個(gè)動(dòng)態(tài)變化的過程，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行實(shí)時(shí)，準(zhǔn)確，高效的調(diào)控，極大地提高了交通燈的智能化程度。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

以太陽能為系統(tǒng)的供電來源，通過穩(wěn)壓對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行供電，核心控制器為AT89C51，具有良好的控制能力，將采集到的信息傳送給控制器，再通過模糊算法進(jìn)行處理，并進(jìn)行智能控制，系統(tǒng)總框圖如圖1所示。

2.1 感光控制模塊[1]

白天交通燈因它的高亮度和遮光板的作用下，在強(qiáng)光作用下也可以讓駕駛員清楚地看到，到了晚上交通燈仍以白天的那種光的強(qiáng)度進(jìn)行工作，便造成了大量的能源的浪費(fèi)。針對(duì)于這種現(xiàn)象，在交通燈系統(tǒng)中增加感光裝置，在白天時(shí)正常工作，到了晚上感光裝置啟動(dòng)，檢測(cè)外部環(huán)境，根據(jù)外界的光線條件將數(shù)據(jù)傳給單片機(jī)，單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后，傳送指令，進(jìn)行調(diào)控。在保證正常使用的前提下，最大限度地降低能源的消耗，達(dá)到節(jié)能的目的。部分電路如圖2所示。

圖2 部分感光電路

2.2 太陽能模塊

該模塊由太陽能板，蓄電池，控制器，逆變器所組成的簡易太陽能供電系統(tǒng)[2]。系統(tǒng)采用太陽能供電，當(dāng)正常供電線路一旦因不可抗力或其他外界因素導(dǎo)致故障，無法提供能量，太陽能供電系統(tǒng)由APD控制下接入，提供所需能量，保證交通燈的正常工作。由于蓄電池在技術(shù)上沒有突破，壽命一直是制約電池發(fā)展的最大阻礙，于是采用單片機(jī)智能控制電池充放電過程，以達(dá)到最有效的方式對(duì)蓄電池進(jìn)行能量的管理，實(shí)現(xiàn)電池效率最大化，延長電池的使用壽命，降低成本。采用型號(hào)DVNY-6M-100太陽能板，最大輸出功率可達(dá)100W開路電壓為21V，短路電流為6.08A；最佳工作電壓為17.4V，最佳工作電流為5.7A；工作溫度范圍-40 ℃～80 ℃。

2.3 自動(dòng)投入備用電源模塊

在重要的工業(yè)設(shè)施中都會(huì)配備自動(dòng)投入備用電源的裝置，它的主要作用是在主供電線路失去正常工作電壓后迅速作出反應(yīng)，將開關(guān)閉合在輔助供電的備用電源線路中，使系統(tǒng)恢復(fù)正常的工作狀態(tài)。在正常的工作狀況下，在電路中自動(dòng)投入備用電源的裝置只工作一次，這是為了避免將系統(tǒng)一直處于故障狀態(tài)而進(jìn)行不斷的閉合開關(guān)，造成對(duì)系統(tǒng)更大的損害，并且能夠保持較高的開關(guān)速度，減少系統(tǒng)的反應(yīng)時(shí)間和縮短系統(tǒng)處在真空的時(shí)間，用自動(dòng)投入備用電源的裝置，能夠大幅提升系統(tǒng)供電的可靠性。

2.4 基于物聯(lián)網(wǎng)的檢測(cè)模塊

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)簡單來說就是在物與物之間，物與人之間進(jìn)行信息的傳遞。采用射頻識(shí)別技術(shù)對(duì)交通信息進(jìn)行采樣和識(shí)別，需要在車輛終端上安裝射頻卡，射頻卡相當(dāng)于身份證一樣，對(duì)車輛的信息數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)。當(dāng)帶有射頻卡的車輛通過路口時(shí)，就會(huì)被路口的傳感器所檢測(cè)到，傳感器將所檢測(cè)到的實(shí)時(shí)信息進(jìn)行傳送?？刂浦行膶⑿畔⑦M(jìn)行處理。nRF2401是由Nordic公司出品的單芯片無線接收芯片，工作頻率為2.4 GHz，芯片內(nèi)置有地址解碼器，解調(diào)處理器，時(shí)鐘控制器，低噪聲放大器，功率放大器等一些必要的處理模塊。不需要再添加大量的外圍電路，因此使用起來很方便。連接電路圖如圖3。

圖3 射頻模塊與AT89C51的連接電路

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 軟件設(shè)計(jì)

不同時(shí)刻的車輛流通情況是十分復(fù)雜的，是高度非線性、隨機(jī)性的，還可能受人為因素的影響和制約。采用定時(shí)控制法經(jīng)常會(huì)造成道口的時(shí)間浪費(fèi)；出現(xiàn)綠燈方向車輛行駛完，紅燈方向車輛進(jìn)行積壓。目前的解決方法是采用人工控制，交通警察不斷地觀察著十字路口兩個(gè)方向的車流輛密度和流速等信息，并由此決定切換通行方向，以保證正常的道路控制狀態(tài)。十字路口的動(dòng)態(tài)模型是很難用數(shù)字進(jìn)行表達(dá)出來的，交通警察的判斷決策過程也難用程序進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，所以我們采用模糊控制法來解決紅綠燈的最佳控制問題。

3.2 模糊算法[3]

模糊控制算法簡單來說就是將輸入的信息量按照預(yù)先設(shè)定好的規(guī)則去執(zhí)行，由于大多數(shù)輸入的參數(shù)是隨機(jī)的并且有著高度的差異性，所以采用模糊算法，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，將數(shù)據(jù)的差異性和隨機(jī)性進(jìn)行不斷的縮小，通過所設(shè)定的數(shù)據(jù)表把數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)則化，最終將不確定的參數(shù)變?yōu)榇_定的參數(shù)。在得到一系列的車流量信息后，接下來就是設(shè)計(jì)軟件的檢索變量，概括了信息的綜合特征，數(shù)據(jù)處理時(shí)將檢索變量和待查詢信息的數(shù)據(jù)庫進(jìn)行分析對(duì)比，快速計(jì)算得出與目標(biāo)相似度最高的一組數(shù)據(jù)，調(diào)用相應(yīng)的處理程序進(jìn)行處理。模糊控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4。

圖4 模糊控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

4 結(jié)語

本文基于AT89C51單片機(jī)設(shè)計(jì)的智能交通系統(tǒng)，采用太陽能供電方式，并且配備感光控制模塊，能夠大幅減少在夜間的能量的損耗；應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)具有較好的前瞻性，各模塊之間協(xié)調(diào)工作，滿足了智能交通系統(tǒng)的要求。以模糊算法為核心的控制程序，根據(jù)道路上采集到不同的數(shù)據(jù)，針對(duì)道路上的交通信息，能夠執(zhí)行最高效的方案，有效地提升了系統(tǒng)執(zhí)行的速度和精度，并且系統(tǒng)具有較高的抗干擾能力。