解析高速公路機(jī)電設(shè)備人機(jī)可視化通信網(wǎng)管系統(tǒng)設(shè)計(jì)

甘肅紫光智能交通與控制技術(shù)有限公司 師 遼

對(duì)于現(xiàn)代高速公路來(lái)說(shuō)，機(jī)電設(shè)備是其有效運(yùn)行必不可少的組成部分。特別是進(jìn)入到信息化時(shí)代之后，信息技術(shù)對(duì)于高速公路機(jī)電設(shè)備的發(fā)展起到了非常關(guān)鍵的推動(dòng)作用。想要確保高速公路系統(tǒng)的正常運(yùn)行，需要利用現(xiàn)代信息技術(shù)加強(qiáng)可視化通信網(wǎng)管系統(tǒng)建設(shè)，以此來(lái)增強(qiáng)機(jī)電設(shè)備得巡檢效率，有效降低機(jī)電設(shè)備整體維護(hù)成本，確保高速公路的正常運(yùn)行。本文主要闡述高速公路機(jī)電設(shè)備人機(jī)可視化通信網(wǎng)管系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面的內(nèi)容，希望能夠?qū)ο嚓P(guān)人士有所幫助。

在高速公路管理過(guò)程中機(jī)電設(shè)備的管理是非常重要的，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中要充分利用現(xiàn)代科技，在保證已有平臺(tái)性能以及管理屬性的基礎(chǔ)上，充分參照實(shí)際管理的具體情況進(jìn)行需求分析并進(jìn)行系統(tǒng)架構(gòu)的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)軟硬件的有效銜接，確保平臺(tái)中的相應(yīng)設(shè)備可以和第三方平臺(tái)實(shí)施聯(lián)網(wǎng)，并且可以支持Web客戶端訪問(wèn)監(jiān)控系統(tǒng)。

1 高速公路機(jī)電設(shè)備通信系統(tǒng)業(yè)務(wù)情況

從目前來(lái)看高速公路機(jī)電設(shè)備通信系統(tǒng)業(yè)務(wù)雖然有了較大的發(fā)展，但還是存在如下幾方面問(wèn)題：第一，并沒(méi)有對(duì)交換機(jī)等設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行統(tǒng)一，從而造成不同品牌交換機(jī)的協(xié)議存在較大差異，并且機(jī)電設(shè)備接入故障反饋路徑相對(duì)復(fù)雜，無(wú)法簡(jiǎn)單的對(duì)其實(shí)施分類處理，很難對(duì)異常狀態(tài)信息（比如故障成因、故障產(chǎn)生地點(diǎn)、故障產(chǎn)生時(shí)間）展開(kāi)具體剖析；第二，無(wú)法即時(shí)對(duì)監(jiān)控設(shè)施互聯(lián)網(wǎng)狀況加以監(jiān)控，如此較易導(dǎo)致高速公路機(jī)電設(shè)施發(fā)生多次拖延等問(wèn)題，同時(shí)也缺少針對(duì)性的系統(tǒng)來(lái)對(duì)機(jī)電設(shè)備運(yùn)行情況實(shí)施評(píng)定分析。除此之外，機(jī)電設(shè)備維護(hù)的便利性較差，無(wú)法有效提升系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)效率。

為了有效解決以上問(wèn)題需要加強(qiáng)信息技術(shù)的應(yīng)用，確保高速公路機(jī)電設(shè)備管理的每個(gè)環(huán)節(jié)（包括故障報(bào)修、設(shè)備診斷、修理、質(zhì)檢等）均達(dá)成網(wǎng)絡(luò)化處理，可以在多協(xié)議環(huán)境下實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境監(jiān)測(cè)和預(yù)警。在充分考慮到對(duì)高速公路機(jī)電設(shè)備日常巡查繁瑣程度基礎(chǔ)上進(jìn)行基本架構(gòu)的設(shè)計(jì)，進(jìn)一步減小維護(hù)成本和難度。在實(shí)際操作中設(shè)定需求為：第一，若是路面溫度較低（＜0℃）并且空氣濕度＞設(shè)定值，那么系統(tǒng)就會(huì)自行進(jìn)行限速標(biāo)定；第二，按照車道指示器常規(guī)性限速實(shí)時(shí)顯示，主要顯示的內(nèi)容包括：限速、禁止通行等等；第三，若是需要對(duì)其進(jìn)行維護(hù)和檢修，那么可按照設(shè)定具體條件將特定車道實(shí)施封閉處理，在完成修復(fù)之后可以實(shí)施遠(yuǎn)程恢復(fù)。同時(shí)，車道的指示設(shè)備能夠?qū)崟r(shí)向遠(yuǎn)程主機(jī)反饋出工作情況；第四，一旦公路某部位產(chǎn)生某些事故，管理中心就可以發(fā)出指令將該區(qū)域（車道）關(guān)閉，修復(fù)之后可以遠(yuǎn)程恢復(fù)。

2 通信網(wǎng)管系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原則

（1）適用性原則

為了確保系統(tǒng)功能滿足具體應(yīng)用需求，一定要充分考慮到高速公路機(jī)電設(shè)備不同類型和品牌特性，確保其符合設(shè)計(jì)需要，同時(shí)也要充分考慮到今后設(shè)備的可擴(kuò)展性，要保證系統(tǒng)具有較強(qiáng)適用性，保證系統(tǒng)能夠及時(shí)準(zhǔn)確的進(jìn)行信息處理，能夠進(jìn)一步降低人為因素影響，提升工作效率。

（2）可靠性原則

為了確保高速公路機(jī)電設(shè)備在線監(jiān)測(cè)的有效性，一定要保證所用軟硬件設(shè)備具有非常高的可靠性，同時(shí)在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中也要充分考量安全性以及保密性問(wèn)題，利用多種方式（例如采取多級(jí)保護(hù)設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)權(quán)限設(shè)置等）來(lái)提升該系統(tǒng)可靠性。

（3）開(kāi)放性原則

要確保通信網(wǎng)管系統(tǒng)的軟硬件具有較強(qiáng)開(kāi)放性，可以實(shí)現(xiàn)不同類型標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議以及不同接口協(xié)議的應(yīng)用。

（4）可操作性原則

要確保系統(tǒng)具有較強(qiáng)的可操作性，最大程度應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)行業(yè)規(guī)范，確保其可以簡(jiǎn)單地進(jìn)行維護(hù)，同時(shí)可以通過(guò)鼠標(biāo)和鍵盤(pán)等進(jìn)行操作，具有簡(jiǎn)便性。

2.2 數(shù)據(jù)獲取方式分析

（1）車流量數(shù)據(jù)的獲取

進(jìn)行車檢時(shí)主要通過(guò)埋地線圈（4個(gè)）、前線圈（2個(gè)）、后線圈（2個(gè)）來(lái)進(jìn)行，一旦車輛經(jīng)過(guò)線圈就會(huì)發(fā)生電感量的改變，此種就可以獲取車輛不同狀態(tài)信息，并且將其傳輸給管理中心進(jìn)行運(yùn)算，所得數(shù)據(jù)采取總線方式進(jìn)行上傳。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，一旦前線圈受到車輛觸發(fā)，車檢設(shè)備就會(huì)獲取行車方向和車道號(hào)。隨著車輛遠(yuǎn)離線圈，檢測(cè)設(shè)備就會(huì)獲取相應(yīng)信息（包括車輛長(zhǎng)度、類型、運(yùn)行速度等）并將其上傳到管理中心。管理機(jī)構(gòu)可以按照這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，從而得到特定區(qū)域車輛相關(guān)數(shù)據(jù)信息。

（2）溫濕度數(shù)據(jù)的獲取

可以在特定區(qū)域設(shè)置多個(gè)車道指示器，其能夠?qū)λ幁h(huán)境的溫濕度進(jìn)行準(zhǔn)確檢測(cè)。該檢測(cè)單元可以按照事先設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行環(huán)境溫濕度檢測(cè)，同時(shí)將獲取數(shù)據(jù)向總線傳輸。管理機(jī)構(gòu)可以對(duì)所獲信息加以剖析，且對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，可以得到更客觀的環(huán)境溫度數(shù)據(jù)。溫濕度檢測(cè)設(shè)備具有較小的功耗，具有較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性，所以非常適合用在非接觸式的溫濕度檢測(cè)方面。

2.3 上位機(jī)系統(tǒng)分析

（1）設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)服務(wù)器

對(duì)于上位機(jī)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)服務(wù)器是最為關(guān)鍵的部分之一，可以將軟件設(shè)置在此服務(wù)器中，可以對(duì)設(shè)備所處狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行準(zhǔn)確分析管理，更便于對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，同時(shí)也可輔助進(jìn)行決策。

（2）設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)軟件

設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)是整個(gè)系統(tǒng)中非常重要的組成部分，發(fā)揮著系統(tǒng)核心的作用，其能夠?qū)崿F(xiàn)多種核心性功能，包括：預(yù)判設(shè)備所處網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)、和具有IP地址的設(shè)備進(jìn)行通信、進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)以及分析處理、對(duì)于報(bào)表進(jìn)行處理等等。

（3）信息推送系統(tǒng)

系統(tǒng)可以利用短信、App終端等功能將相應(yīng)設(shè)備所處狀態(tài)推送到相關(guān)工作人員，能夠?qū)υO(shè)備狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，能夠第一時(shí)間了解設(shè)備所處網(wǎng)絡(luò)情況，從而提升系統(tǒng)效率。

3 高速公路機(jī)電設(shè)備人機(jī)可視化通信網(wǎng)管系統(tǒng)硬件整體性能剖析

3.1 RS485模塊的硬件設(shè)計(jì)

具體到高速公路機(jī)電設(shè)備通訊體系而言，RS485通信時(shí)應(yīng)用最為廣泛的方式之一，主要是利用MAX485芯片完成通信功能。對(duì)于RS485通信網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)，可以通過(guò)RX信號(hào)線將串口控制器連接到收發(fā)器中，可以利用差分線將收發(fā)器連接到網(wǎng)絡(luò)總線當(dāng)中，而在串口控制器和收發(fā)器間主要通過(guò)TTL信號(hào)實(shí)施傳輸。一般情況下數(shù)據(jù)發(fā)送是按照如下方式進(jìn)行的：收發(fā)器可以將串口控制器TX信號(hào)轉(zhuǎn)變成為差分信號(hào)，然后把其傳送至總線，數(shù)據(jù)接收則依照反向次序完成。收發(fā)器將總線接收的差分信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)門(mén)TL信號(hào)，最終依托RX引腳傳送至串口管理器內(nèi)。

3.2 CAN通信模塊的硬件設(shè)計(jì)

在設(shè)置CAN通信模塊的過(guò)程中必須深入考慮有線通信兼容性，與車輛檢驗(yàn)器亦或其他設(shè)施連在一起。CAN通信時(shí)主要是對(duì)總線電平更改實(shí)現(xiàn)信息收發(fā)，主要是通過(guò)CAN管理器與收發(fā)器一同達(dá)成通信目標(biāo)。由于STM32F103VE已配備了CAN管理器，所以在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中只需要增加CAN收發(fā)器。CANL、CANH是CAN通訊差分?jǐn)?shù)據(jù)信號(hào)線，TXD與RXD引腳接STM32F103VE的串口引腳。C1、C2為能夠裝設(shè)的元器件，功能是讓電路的EMI功能得以提升。

3.3 2.4G無(wú)線傳輸模塊的硬件設(shè)計(jì)

為達(dá)成無(wú)線高效傳送的目標(biāo)，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)可以采用NRF24L01，其自身具有穩(wěn)壓電路，并且具有較強(qiáng)的屏蔽性，其發(fā)射功率較大、距離較遠(yuǎn)（可以達(dá)到2000m以上）。其具有較強(qiáng)的抗干擾功能，工作速度最快能夠高達(dá)2Mbps，此外其內(nèi)部配置了CRC錯(cuò)檢，通訊地址管控STM32、NRF24L01依托SPI總線實(shí)現(xiàn)通信，SPI信息錄入導(dǎo)出引腳具體是MOSI及MISO，模塊中斷信號(hào)導(dǎo)出是IRQ，SPI總線時(shí)鐘引腳為SCK，模塊管理性能引腳是CE，片選是CSN。

3.4 總線協(xié)議確定

該高速公路機(jī)電設(shè)施通訊大多依托RS485通信協(xié)議來(lái)進(jìn)行的，其具有非常強(qiáng)的組網(wǎng)性能，除此之外也可以采取應(yīng)用較為廣泛的MODBUS協(xié)議。MODBUS主要包括主站、從站等，由于此協(xié)議能夠依托串行線路運(yùn)用，為此所有的從站皆會(huì)收到命令，唯有具有命令地址從站才能夠進(jìn)行響應(yīng)。此協(xié)議主要是建立在主從模式基礎(chǔ)上的，可以實(shí)現(xiàn)較好的數(shù)據(jù)串行。MODBUS協(xié)議包含多種模式的通訊協(xié)議，比如TCP、ASCII等等，每種通訊規(guī)定的應(yīng)用情況不同，例如在通信數(shù)據(jù)量較小時(shí)可以采取ASCII規(guī)約，如果通信數(shù)據(jù)量較大則要采取RTU規(guī)約，而TCP規(guī)約則更多應(yīng)用在利用MODBUS進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸情況下?？偟膩?lái)說(shuō)通信協(xié)議包括軟件層面和硬件層面，如果系統(tǒng)中存在多個(gè)設(shè)備實(shí)施通信，那么為了保證通信的有效性就要對(duì)軟件層協(xié)議進(jìn)行特殊設(shè)定。一般情況下地址位主要包括8位編碼，分別為“設(shè)備類型碼（高4位）”以及“設(shè)備編號(hào)碼（低4位）”，形成完整字節(jié)。

結(jié)束語(yǔ)：經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展對(duì)于高速公路提出了更高的要求，需要充分利用現(xiàn)代信息技術(shù)推動(dòng)高速公路機(jī)電設(shè)備的發(fā)展。本文主要闡述高速公路機(jī)電設(shè)備人機(jī)可視化通信網(wǎng)管系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面的內(nèi)容，可以為高速公路機(jī)電設(shè)施穩(wěn)定運(yùn)行提供參照，在促進(jìn)高速公路建設(shè)發(fā)展有重大實(shí)踐價(jià)值。