智慧交通中的物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)關(guān)與電路設(shè)計(jì)研究

張明存

（六安職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 六安）

引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和城市化水平的持續(xù)提高，在城市里的汽車(chē)數(shù)量也在快速增加，由此造成的交通擁擠也日益嚴(yán)峻，交通擁堵已經(jīng)成為制約城市可持續(xù)發(fā)展的重要問(wèn)題之一。在智能交通系統(tǒng)中，大數(shù)據(jù)的應(yīng)用是基于前端傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，這就需要有大量的服務(wù)器和前端設(shè)備[1]，包括信號(hào)控制、交通流量采集、卡口、交通誘導(dǎo)、電子警察等系統(tǒng)[2]。同時(shí)，為了確保整個(gè)體系的運(yùn)行，數(shù)據(jù)中心也必須竭盡全力地工作[3]。隨著系統(tǒng)規(guī)模的持續(xù)增大，前端設(shè)備點(diǎn)位的增加，設(shè)備故障點(diǎn)也隨之增加[4]。在城市路網(wǎng)中，交通擁堵的情況最多發(fā)生在交叉路口，所以，開(kāi)發(fā)了智能交通控制系統(tǒng)[5]，能夠有效地提升道路通行能力、緩解擁堵問(wèn)題[6]。本研究以智慧交通系統(tǒng)為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了一種具有電路基本保護(hù)功能物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)關(guān)，能適用于智慧的交通系統(tǒng)，有助于平安城市、智慧城市的建設(shè)，具有重要的工程意義。

1 物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)關(guān)

1.1 物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)關(guān)的角色

物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)關(guān)是融合了現(xiàn)代電力電子技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)的新一代智慧用電產(chǎn)品，在無(wú)人值守的用電現(xiàn)場(chǎng)，如卡口系統(tǒng)、視頻監(jiān)控、通信基站、數(shù)據(jù)中心等。通過(guò)云計(jì)算預(yù)設(shè)，對(duì)用電現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行智能管理，實(shí)現(xiàn)過(guò)電壓、欠電壓、過(guò)載、短路、漏電等異常用電事件的實(shí)時(shí)監(jiān)控、分析、處理及上報(bào)[7]。物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)關(guān)將重合閘裝置、斷路器、電表、通信設(shè)備和漏電保護(hù)器等多種設(shè)備的功能相結(jié)合，可減少由于設(shè)備突然故障導(dǎo)致的停電。

1.2 物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)關(guān)特性

局域網(wǎng)與遠(yuǎn)域網(wǎng)的通信特性：局域網(wǎng)開(kāi)關(guān)通過(guò)RS485, ZigBee 等接口，使局域網(wǎng)內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)信息能夠及時(shí)的傳輸?shù)较到y(tǒng)中。用戶(hù)既可以查看現(xiàn)有電力線路的電力消耗情況，又可以進(jìn)行局部或遠(yuǎn)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(shè)置有關(guān)的參數(shù)，還可以閱讀用電記錄和故障記錄。溫敏性能作用：在該開(kāi)關(guān)中設(shè)有一個(gè)跟蹤電路，通過(guò)模擬和數(shù)字的方式對(duì)所獲得的電壓信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電線的溫度監(jiān)控。局域、遙距控制：局域、遙距開(kāi)關(guān)均可配置，可實(shí)現(xiàn)人工、自動(dòng)兩種方式的切換，便于使用者在局域、背景下進(jìn)行切換。一般用電安全保護(hù)：物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)關(guān)擁有一般的過(guò)載、短路、漏電、雷擊等故障，無(wú)論是瞬間的故障，或者是長(zhǎng)期的故障，當(dāng)用電回路出現(xiàn)這種異常狀況時(shí)，就會(huì)根據(jù)預(yù)先設(shè)定的程序做出反應(yīng)，并執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作。重合功能：能夠在故障發(fā)生后進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并能夠在故障發(fā)生后進(jìn)行重新啟動(dòng)，并且能夠承受長(zhǎng)期電壓故障和頻率故障的重合。

2 物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)關(guān)功能體系結(jié)構(gòu)

物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)關(guān)，由測(cè)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(hào)模塊等組成，圖1為物流聯(lián)開(kāi)關(guān)功能架構(gòu)。

圖1 物流聯(lián)開(kāi)關(guān)功能架構(gòu)

工作原理如下，當(dāng)回路出現(xiàn)過(guò)載、短路、過(guò)欠壓、漏電、雷擊等用電不正?，F(xiàn)象時(shí)，MCU 就會(huì)根據(jù)預(yù)先設(shè)定的程序，向其發(fā)送命令，并使其關(guān)閉，而系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行監(jiān)控；如果故障消除，滿(mǎn)足了合閘的要求，那么就會(huì)給出一個(gè)命令，讓它在預(yù)定的時(shí)間內(nèi)重新合閘。物聯(lián)網(wǎng)的開(kāi)關(guān)分為人工斷開(kāi)與自動(dòng)斷開(kāi)兩種，人工斷開(kāi)與自動(dòng)斷開(kāi)，便于維修人員進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)維修。單片機(jī)在對(duì)參量進(jìn)行處理時(shí)，沒(méi)有設(shè)定門(mén)限，但門(mén)限可以設(shè)定，以便于對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行維護(hù)。針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)切換器的特點(diǎn)：既能實(shí)現(xiàn)電流型故障，又能實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)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(gè)部分：其中包括測(cè)量單元和單片機(jī)兩部分。該計(jì)量模組采用高精密的單相多功能計(jì)量晶片，可測(cè)定、計(jì)算有功、無(wú)功、視在功率，并可進(jìn)行有功功率的脈動(dòng)輸出，并可進(jìn)行遠(yuǎn)距離調(diào)時(shí)，可完成分時(shí)的電力計(jì)量，MCU 設(shè)置了通信接口，并提供了RS485, ZigBee 等通信方式，并能把監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，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(jìn)行查詢(xún)和設(shè)定。而單片機(jī)則把監(jiān)控得到的各種信息及時(shí)地傳送到后臺(tái)，使用者還可以遠(yuǎn)程地對(duì)其進(jìn)行查看和操作。采集系統(tǒng)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(qū)動(dòng)部分和執(zhí)行部分。單片機(jī)對(duì)有關(guān)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控、計(jì)算和處理，并通過(guò)控制信號(hào)發(fā)送給控制系統(tǒng)，使其實(shí)現(xiàn)模式馳行- 閉鎖。

2.1 交通控制機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在此基礎(chǔ)上，提出了一種面向物聯(lián)網(wǎng)的ITS 系統(tǒng)的方案。其中，在CC2530 單片機(jī)的基礎(chǔ)上，完成了ZigBee 三類(lèi)節(jié)點(diǎn)的電路設(shè)計(jì)，分別是：協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、路由器節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)；在此基礎(chǔ)上，結(jié)合STM32F407ZGT6 單片機(jī)，完成了交叉控制器的硬件電路的設(shè)計(jì)。在智慧交通信號(hào)控制機(jī)的架構(gòu)上，可以將其劃分成采集層、傳輸層和管理者三個(gè)部分。圖2 是一個(gè)以物聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)的智慧交通信號(hào)控制機(jī)的結(jié)構(gòu)框圖。

圖2 基于物聯(lián)網(wǎng)的智能交通信號(hào)控制機(jī)結(jié)構(gòu)框圖

在收集層中，將終端節(jié)點(diǎn)、路由器節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，這三種類(lèi)型的ZigBee 節(jié)點(diǎn)分別是ZigBee的基礎(chǔ)單元和對(duì)應(yīng)的功能模塊，其中終端節(jié)點(diǎn)主要是為了收集交通流，它包括了ZigBee 的基礎(chǔ)單元和一個(gè)傳感器模塊；其中，路由器的結(jié)點(diǎn)主要是用來(lái)傳送資料，因此，它僅由一個(gè)ZigBee 組成；協(xié)作結(jié)點(diǎn)由ZigBee組成，并由其內(nèi)部的串行接口模塊組成。在傳送層，十字路口控制機(jī)主要是對(duì)收集層中的信息進(jìn)行接收，然后經(jīng)由以太網(wǎng)將其傳送到管理者那里，同時(shí)也對(duì)十字路口的紅綠燈進(jìn)行控制，相當(dāng)于一個(gè)ZigBee- Ethernet網(wǎng)，所以在十字路口控制機(jī)的主處理器（包括處理器，晶振電路，復(fù)位電路，電源電路）下，分別對(duì)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通訊，并對(duì)以太網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)距離通訊。另外，在該系統(tǒng)中還設(shè)計(jì)了JTAG/SWD 調(diào)試模塊，外部擴(kuò)展SDRAM模塊，SD 卡存儲(chǔ)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(duì)交叉口控制器數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)顯示、存儲(chǔ)和查詢(xún)，同時(shí)也完成了對(duì)交叉口控制器的設(shè)計(jì)。管理者是軟件設(shè)計(jì)，本研究以VistualStutio2015 開(kāi)發(fā)平臺(tái)為基礎(chǔ)，采用C#語(yǔ)言，設(shè)計(jì)可運(yùn)行于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)上位機(jī)監(jiān)測(cè)軟件。

2.2 ZigBee Node 的硬件實(shí)現(xiàn)

ZigBee 節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)主要包含了ZigBee 基本單元和相應(yīng)的功能模塊的設(shè)計(jì)，三種ZigBee 節(jié)點(diǎn)的ZigBee 基本單元硬件結(jié)構(gòu)是一樣的，而功能模塊是終端節(jié)點(diǎn)的傳感器模塊、協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)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(jié)點(diǎn)而進(jìn)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(yīng)原理為基礎(chǔ)，利用各向異性磁阻技術(shù)，可以測(cè)量出地面磁場(chǎng)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(jié)點(diǎn)這種靠電池供電的系統(tǒng)中。HMC5883L 為I2C 總線，CC2530 能用它來(lái)設(shè)置和讀出傳感器組件，其I2C 接口上的時(shí)鐘管腳SCL、數(shù)據(jù)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(xié)調(diào)器結(jié)點(diǎn)而設(shè)計(jì)的，協(xié)調(diào)器結(jié)點(diǎn)經(jīng)由此模組與十字架控制器的主機(jī)通訊，其電路結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4。

圖4 串口模塊電路

2.3 路口控制機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在發(fā)送層，選擇了STM32F407ZGT6 單片機(jī)為主要處理單元。STM32F407ZGT6 是意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的一款基于Cortex-M4 內(nèi)核的處理器，相對(duì)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(yōu)異的性能和高端的配置，其配備有5 個(gè)時(shí)鐘源，能夠滿(mǎn)足很多種外部裝置對(duì)不同時(shí)鐘頻率的需求，并具有6 個(gè)串口，一個(gè)10/100 M以太網(wǎng)MAC，一個(gè)靈活的靜止可變存儲(chǔ)控制器FSMC,112 個(gè)通用I/O 管腳。其中，112 個(gè)通用接口被分成7 個(gè)組別，即GPIOA～GPIOG，每個(gè)組別16 個(gè)，這7 個(gè)管腳可以利用再映射的方式來(lái)完成管腳的復(fù)用，從而對(duì)芯片資源進(jìn)行更多的擴(kuò)充。STM32 芯片的引腳與一個(gè)32768 KHz 的、用于提供在處理器內(nèi)的實(shí)時(shí)時(shí)鐘信號(hào)的一個(gè)較低的、外置的晶體振蕩電路相連。在圖5中顯示一個(gè)低轉(zhuǎn)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(chǔ)模塊

本研究中所設(shè)計(jì)的交通控制機(jī)能夠?qū)④?chē)流量數(shù)據(jù)進(jìn)行遠(yuǎn)程傳送到交通管理中心的電腦系統(tǒng)，然而，在各個(gè)路口控制機(jī)都需要有一個(gè)大容量的存儲(chǔ)裝置來(lái)對(duì)本路口的車(chē)流量進(jìn)行存儲(chǔ)?，F(xiàn)在，最常見(jiàn)的大容量存儲(chǔ)器有U 盤(pán)、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(chǔ)空間也可以很大，這種特性很適用于在嵌入式系統(tǒng)中使用。STM32F4 內(nèi)置的SDIO 驅(qū)動(dòng)程序，能支持各種類(lèi)型的存儲(chǔ)卡，如多媒體卡，SD 記憶卡等。該SDIO 控制裝置包括兩個(gè)部件，一個(gè)是與STM32F4 的中斷及DMA 請(qǐng)求相連的APB2 總線接口，另一個(gè)是與諸如APB2 總線之類(lèi)的內(nèi)部資源相連的SDIO 適配組件，該SDIO 控制裝置的總體架構(gòu)見(jiàn)圖6。

圖6 SDIO 控制器結(jié)構(gòu)框圖

在SD 卡存儲(chǔ)模塊的電路設(shè)計(jì)中，只需要對(duì)SDIO適配器模塊與SD 卡的連接電路進(jìn)行設(shè)計(jì)就可以了。從上面可以看出，兩者之間有三種信號(hào)連接線：SDIO_CK,SDIO_CMD 和SDIO_D。SDIO_CK 是一個(gè)由適配器模塊為外部的SD 卡所提供的卡時(shí)鐘，它的每一個(gè)循環(huán)都會(huì)在指令線或數(shù)據(jù)線上傳送一位指令或數(shù)據(jù)；SDIO_CMD 是用來(lái)傳送從SDIO 發(fā)出的全部指令和回應(yīng)的指令管腳。SDIO_D 是一條連接著適配器模塊與外部存儲(chǔ)裝置的8 條數(shù)據(jù)線，SD 卡中使用了一條SDIO_D0，在SDIO 控制器復(fù)位之后，僅有SDIO_D0 引腳可以被用來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，在初始化結(jié)束之后，主機(jī)可以利用SDIO_CMD 引腳發(fā)出控制命令，來(lái)決定是使用SDIO_D0 還是SDIO_D，在這篇文章中，采用SDIO_D 四條數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)線，其中SDIO_SCK 為SD 卡的運(yùn)行時(shí)鐘，SDIO 中的指令及反應(yīng)均經(jīng)由SDIO_CMD 管腳進(jìn)行傳遞。

2.5 LCD 顯示模塊

LCD 的顯示模組，是用來(lái)展示交叉控制器的工作狀況和調(diào)試資料的，在這個(gè)設(shè)計(jì)中，它使用了TFTLCD的LCD，而它的LCD 的16 位數(shù)據(jù)總線SMC_D 則與STM32F4ZGT6 芯片相連，這里要說(shuō)明的是，這個(gè)模組與之前SDRAM模組中的IS62WV51216 芯片16 位的數(shù)據(jù)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(duì)LCD和SRAM進(jìn)行讀取和寫(xiě)入。圖8 是LCD 模塊電路。

圖8 LCD 模塊電路

3 物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)關(guān)在智慧交通中的應(yīng)用

因?yàn)樾畔⒌闹匾?，所以在智能交通中，無(wú)論是信號(hào)監(jiān)控，或者是視頻監(jiān)控，都需要24 h 不間斷地提供電力，而這類(lèi)用電裝置沒(méi)有專(zhuān)門(mén)的供電線路，一般都是在附近使用，電網(wǎng)的不穩(wěn)定會(huì)導(dǎo)致裝置的停電、損壞、通訊失效等問(wèn)題，而維保的延遲也與裝置的信息缺乏密切相關(guān)。目前的智能交通系統(tǒng)負(fù)載側(cè)用電系統(tǒng)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(guò)載、漏電等基礎(chǔ)保護(hù)功能，不具備聯(lián)網(wǎng)功能，也不具備數(shù)據(jù)搜集、存儲(chǔ)、發(fā)送等功能。在常規(guī)的系統(tǒng)中，使用到的元件比較多，各個(gè)元件的作用比較單一，因此，在現(xiàn)場(chǎng)接線比較麻煩。但是，若采用具備較強(qiáng)整合性的物聯(lián)網(wǎng)轉(zhuǎn)換器，則可取代多個(gè)器件，為用戶(hù)帶來(lái)更多便利。在智能交通配電系統(tǒng)中，在配電柜的進(jìn)線或出線端，可以對(duì)該級(jí)到終端設(shè)備供電線路上的溫度、電流、電壓等電氣參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和管理，也可以對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的工作狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)預(yù)警，發(fā)生故障時(shí)，可以及時(shí)將電路切斷，當(dāng)故障切除后，則會(huì)自動(dòng)合閘，恢復(fù)供電，可以避免由于供電故障而造成的設(shè)備損害，同時(shí)也可以降低因設(shè)備停機(jī)而導(dǎo)致的損失。運(yùn)行人員既可以在現(xiàn)場(chǎng)使用人工切換器，也可以通過(guò)遠(yuǎn)程控制的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)?？梢栽诋?dāng)?shù)?，從屏幕上查看，點(diǎn)擊查看設(shè)備的工作參數(shù)、工作記錄、故障記錄，還能夠在應(yīng)用端進(jìn)行遠(yuǎn)程瀏覽。在物聯(lián)網(wǎng)的開(kāi)關(guān)板上設(shè)置了一些錯(cuò)誤的顯示，方便了操作者的現(xiàn)場(chǎng)判斷與分析。

4 結(jié)論

本研究以智能交通系統(tǒng)為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了一種具備了電路基本保護(hù)功能、遠(yuǎn)程通訊功能、電能信息采集功能的物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)關(guān)，得出如下結(jié)論：

（1） 物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)關(guān)的主體由（測(cè)量模塊，MCU），采樣模塊，顯示模塊，主回路，通信信號(hào)模塊等組成，MCU配置通訊接口，支持RS485、ZigBee 等通訊模式。

（2） 在數(shù)據(jù)獲取層面上，選用HMC5883L 型磁電阻作為終端節(jié)點(diǎn)的傳感元件，選用FT232 作為協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的串行通訊元件；選用LAN8720 作為網(wǎng)絡(luò)模塊，在此基礎(chǔ)上，完成了JTAG/SWD、SWD、SD、LCD 等相關(guān)的硬件電路的開(kāi)發(fā)。

（3） 將終端負(fù)載用電信息采集方案集中在一個(gè)功能集成的設(shè)備上，能夠?qū)崿F(xiàn)24 h 監(jiān)控用電設(shè)備的運(yùn)行情況，一旦出現(xiàn)了用電的異常狀況，就可以快速地將線路切斷，在將線路進(jìn)行切割之后，當(dāng)檢測(cè)到線路參數(shù)是正常的時(shí)候，就會(huì)開(kāi)啟自動(dòng)重合閘功能，可降低因電力系統(tǒng)故障而導(dǎo)致的停機(jī)損失，也可以應(yīng)用到智能交通系統(tǒng)當(dāng)中。