基于LORA短程無(wú)線通信的特種車輛優(yōu)先控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘? 要：當(dāng)今，特種車輛優(yōu)先控制系統(tǒng)的功能大多是通過(guò)RFID電子標(biāo)簽和RFID讀卡器實(shí)現(xiàn)的，這種系統(tǒng)的安裝組配比較耗時(shí)費(fèi)力且管控界面不太友好，同時(shí)也不能顯示當(dāng)前路口的管控狀態(tài)和信號(hào)燈的燈色，而且RFID讀卡器的成本較高，在安裝過(guò)程中需要架設(shè)專用桿件，在后期維護(hù)時(shí)還需要借助高架車來(lái)檢修，工程浩大，成本高昂。為此需要研究一種界面友好、安裝方便且可實(shí)時(shí)顯示路口燈色的特種車輛優(yōu)先控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)是基于平板地圖GPS導(dǎo)航系統(tǒng)和LORA短程無(wú)線組網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的。

關(guān)鍵詞：特種車輛優(yōu)先控制；RFID電子標(biāo)簽；LORA；GPS

中圖分類號(hào)：TN929.5? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：2096-4706（2023）17-0151-05

Design of Special Vehicle Priority Control System Based on LORA Short Range Wireless Communication

WANG Yumei

（1.Anhui Keli Information Industry Co.， Ltd.， Hefei? 230088， China; 2.Key Laboratory of Urban Traffic Management Integration and Optimization Technology， Ministry of Public Security， Hefei? 230088， China; 3.Anhui Intelligent Transportation Key Laboratory， Hefei? 230088， China）

Abstract： Nowadays， the functions of priority control systems for special vehicles are mostly achieved through RFID electronic tags and RFID card readers. The installation and assembly of such systems are time-consuming and laborious， and the control interface is not very friendly. At the same time， they cannot display the current control status of intersections and the color of signal lights. Moreover， the cost of RFID card readers is high， and special poles need to be installed during the installation process. In the later maintenance， elevated vehicles are also needed for maintenance， the project is vast and costly. Therefore， it is necessary to develop a special vehicle priority control system that is user-friendly， easy to install， and can display the color of intersection lights in real-time. This system is based on the flat map GPS navigation system and LORA short range wireless networking technology.

Keywords： priority control of special vehicle; RFID electronic tag; LORA; GPS

0? 引? 言

隨著城市的快速發(fā)展，機(jī)動(dòng)車保有量持續(xù)增多，城市道路擁堵現(xiàn)象也愈發(fā)嚴(yán)重，車輛通行的速度越來(lái)越慢。諸如救護(hù)車、消防車之類的特種車輛是用以保障人民生命和財(cái)產(chǎn)安全的，如何有效保障特種車輛的快速通行極具現(xiàn)實(shí)意義。安徽科力信息產(chǎn)業(yè)有限責(zé)任公司深耕智能交通領(lǐng)域30余年。公司的使命是打造安全、便捷、綠色、智慧的出行環(huán)境。在致力于智能交通行業(yè)的30多年來(lái)一直在研究特種車輛優(yōu)先控制系統(tǒng)，在多年研究的基礎(chǔ)上結(jié)合用戶實(shí)際需求開(kāi)發(fā)出一套特種車輛優(yōu)先控制系統(tǒng)。該特種車輛優(yōu)先控制系統(tǒng)操作界面友好，不需要架設(shè)專用桿件，安裝使用非常方便。

1? 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1? 系統(tǒng)組成

特種車輛優(yōu)先控制系統(tǒng)由特種車輛車載設(shè)備和特種車輛終端設(shè)備組成。特種車輛車載設(shè)備和特種車輛終端設(shè)備采用短程無(wú)線模塊433M LORA進(jìn)行通信。特種車輛車載設(shè)備由平板電腦和車載設(shè)備組成，它們之間的通信模式為藍(lán)牙5.0無(wú)線通信。特種車輛終端設(shè)備與信號(hào)機(jī)之間的通信通過(guò)串行總線RS232實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

1.2? 特種車輛設(shè)備車載端設(shè)計(jì)

特種車輛車載設(shè)備是整個(gè)設(shè)備的核心。它實(shí)時(shí)計(jì)算特種車輛的位置信息，在到達(dá)路口時(shí)通過(guò)LORA無(wú)線模塊將特種車輛的管控指令發(fā)送給特種車輛終端設(shè)備。特種車輛車載設(shè)備從特種車輛的點(diǎn)煙器接口獲得電量供給，器件選型上均選用工業(yè)級(jí)器件以提高設(shè)備的可靠性。特種車輛接收端設(shè)備使用的硬件器件和車載設(shè)備基本一致。

特種車輛車載設(shè)備主處理器采用STM32F103R8

T6，STM32F103R8T6是ST旗下一款常用的增強(qiáng)型系列微控制器。STM32F103R8T6具有5路串口，本設(shè)計(jì)中1路串口連接藍(lán)牙5.0模塊，1路串口連接433M無(wú)線發(fā)送模塊，1路串口為調(diào)試串口用于打印各種調(diào)試信息，另外2路串口預(yù)留連接其他設(shè)備之用。

電源芯片選用TI的LM46002，LM46002穩(wěn)壓器是一款易于使用的同步降壓直流/直流轉(zhuǎn)換器，能夠驅(qū)動(dòng)高達(dá)2 A的負(fù)載電流，輸入電壓范圍為3.5～60 V。該器件采用峰值電流控制實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單控制環(huán)路補(bǔ)償和逐周期電流限制?？蛇x功能包括可編程開(kāi)關(guān)頻率、同步、電源正常標(biāo)志、精確使能、內(nèi)部軟啟動(dòng)、可擴(kuò)展軟啟動(dòng)、跟蹤。輕負(fù)載時(shí)的斷續(xù)傳導(dǎo)和自動(dòng)降低頻率可改善輕負(fù)載效率。該系列只需很少的外部組件，器件的引腳排列可簡(jiǎn)化并實(shí)現(xiàn)最優(yōu)印刷PCB布局布線。保護(hù)功能包括熱關(guān)斷、VCC欠壓鎖定、逐周期電流限制和輸出短路保護(hù)。

藍(lán)牙模塊選用廣州立功科技公司的藍(lán)牙5.0模塊ZLG52810，ZLG52810是一款小尺寸、低功耗、低成本的新一代BLE5.0透?jìng)髂K。ZLG52810工作于2.402～2.480 GHz免許可證ISM頻段，凈荷數(shù)據(jù)傳輸速率最高可達(dá)94 KB/s，協(xié)議上可兼容BLE 4.0/4.1/4.2/5.0。所有設(shè)置通過(guò)AT命令實(shí)現(xiàn)，理想環(huán)境下傳輸距離可達(dá)100 m。

特種車輛車載端和特種車輛終端之間的無(wú)線通信模塊選用433M的無(wú)線LORA模塊E22-400T30S。E22-400T30S是一款基于SEMTECH公司SX1268射頻芯片的無(wú)線串口模塊，具有多種傳輸方式，可工作在433～470 MHz頻段；采用全新一代LoRa擴(kuò)頻技術(shù)，與SX1278相比距離更遠(yuǎn)，功耗更低，體積更小；支持空中喚醒、無(wú)線配置、載波監(jiān)聽(tīng)、中繼組網(wǎng)等功能。E22-400T30S在低速率下的傳輸距離可達(dá)10 km，在實(shí)際測(cè)試中4 800 KB/s的空中速率下可穩(wěn)定傳輸1 km，通信距離符合設(shè)計(jì)要求。

特種車輛設(shè)備車載端是整個(gè)設(shè)備的核心，它負(fù)責(zé)將特種車輛管控指令發(fā)送到終端設(shè)備，器件選型上基于安全可靠的設(shè)計(jì)思路，采用車輛的點(diǎn)煙器供電，以提高設(shè)備的可靠性。特種車輛設(shè)備接收端所用硬件器件與車載端基本一致。特種車輛車載設(shè)備硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

1.3? 特種車輛終端設(shè)備設(shè)計(jì)

特種車輛終端設(shè)備負(fù)責(zé)接收車載端設(shè)備傳送過(guò)來(lái)的指令信息，并負(fù)責(zé)向信號(hào)機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)控制命令。主處理器、電源模塊和無(wú)線模塊選用與發(fā)射板相同的芯片或模塊，有利于程序移植和提高通信的可靠性。終端設(shè)備與信號(hào)機(jī)之間采用RS232接口進(jìn)行通信。終端設(shè)備硬件結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

1.4? 系統(tǒng)功能

特種車輛設(shè)備系統(tǒng)主要是基于短程無(wú)線通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)交叉路口的交通信號(hào)優(yōu)先控制，其主要功能如下：

1）路線管理?？筛鶕?jù)起始地和目的地自動(dòng)規(guī)劃行駛路線。用戶也可以根據(jù)自己的需求手動(dòng)規(guī)劃行駛路線。

2）設(shè)備管理。車載設(shè)備可管理終端設(shè)備的設(shè)備編號(hào)，可根據(jù)設(shè)備編號(hào)管理控制相應(yīng)路口的交通信號(hào)控制機(jī)。

3）設(shè)備導(dǎo)入。車載設(shè)備可導(dǎo)入其他車載設(shè)備的配置表，避免用戶重復(fù)設(shè)定。

4）無(wú)線通信。無(wú)線通信采用433M LORA寬頻無(wú)線傳輸技術(shù)，抗干擾能力強(qiáng)，通信距離不低于600 m，600 m數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確率大于95%。

5）傳輸通道。為避免無(wú)線同頻干擾，布置不少于10個(gè)無(wú)線傳輸通道，可以在各個(gè)路口設(shè)置不同的傳輸通道，車載設(shè)備可根據(jù)路口設(shè)置自動(dòng)切換無(wú)線傳輸通道。

6）管控響應(yīng)時(shí)間。在信號(hào)機(jī)端管控響應(yīng)時(shí)間方面可設(shè)置管控最短綠燈時(shí)間，信號(hào)機(jī)收到管控命令后在當(dāng)前階段運(yùn)行最小綠燈時(shí)間后進(jìn)入管控階段，管控階段運(yùn)行結(jié)束后進(jìn)入管控前階段的下一階段。

7）頭車尾車控制。特種車輛控制系統(tǒng)支持頭車尾車控制，減少特種車輛路口不必要的綠燈時(shí)間損失。特種車輛頭車發(fā)送控制請(qǐng)求（控制請(qǐng)求中包含該車隊(duì)路口的最長(zhǎng)通過(guò)時(shí)間），信號(hào)機(jī)接收到控制命令經(jīng)過(guò)最小綠燈時(shí)間后切換到管控相位。收到尾車發(fā)送的結(jié)束控制命令安全過(guò)渡后結(jié)束管控。為了安全起見(jiàn)，如沒(méi)有收到特種車輛尾車結(jié)束管控命令，信號(hào)機(jī)會(huì)在運(yùn)行該車隊(duì)最長(zhǎng)通過(guò)時(shí)間后自動(dòng)結(jié)束特種車輛管控；如特種車輛車隊(duì)只有頭車，信號(hào)機(jī)會(huì)在運(yùn)行該車隊(duì)的路口通過(guò)時(shí)間后就結(jié)束特種車輛管控。

8）管控優(yōu)先級(jí)控制。目前一個(gè)路口支持多輛特種車輛優(yōu)先。如先到的特種車輛優(yōu)先級(jí)高，則執(zhí)行先到優(yōu)先級(jí)高特種車輛的管控。如先到的特種車輛優(yōu)先級(jí)低但信號(hào)機(jī)已經(jīng)執(zhí)行該車的管控則在執(zhí)行結(jié)束后切換到后來(lái)車輛的特種管控。如先到的特種車輛優(yōu)先級(jí)低但信號(hào)機(jī)沒(méi)有執(zhí)行優(yōu)先控制則放行后來(lái)優(yōu)先級(jí)高車輛請(qǐng)求的相位。

9）特種車輛系統(tǒng)平臺(tái)。特種車輛車載設(shè)備可通過(guò)平板的4G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)連接到特種車輛系統(tǒng)平臺(tái)；特種車輛車載設(shè)備實(shí)時(shí)上傳自己的位置信息給平臺(tái)，便于相關(guān)人員查看當(dāng)前所有特種車輛設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和位置信息。特種車輛管控軟件也能從平臺(tái)中獲取其他特種車輛的位置信息和路線信息，并會(huì)根據(jù)這些信息重新規(guī)劃路線，避免多個(gè)特種車輛在一個(gè)路口相遇，減少不必要的綠燈等候時(shí)間。

2? 系統(tǒng)工作原理

2.1? 系統(tǒng)工作流程

特種車輛優(yōu)先控制系統(tǒng)包括特種車輛車載設(shè)備、特種車輛終端設(shè)備、交通信號(hào)控制機(jī)。特種車輛車載設(shè)備安裝在特種車輛上，通過(guò)車輛的點(diǎn)煙器接口獲得電量，LORA無(wú)線模塊的天線布置在車頂上；特種車輛車載設(shè)備通過(guò)平板電腦的GPS和4G網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位；車載平板電腦運(yùn)行特種車輛控制軟件；特種車輛控制軟件可提供地圖導(dǎo)航、規(guī)劃路線、特種車輛設(shè)置、管控命令下發(fā)以及語(yǔ)音播報(bào)等功能。特種車輛終端設(shè)備安裝在交通信號(hào)控制機(jī)內(nèi)部；LORA無(wú)線模塊的天線布設(shè)在信號(hào)機(jī)外殼的頂端；特種車輛終端設(shè)備負(fù)責(zé)接收處理車載數(shù)據(jù)并將其轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的相位管控命令發(fā)送給交通信號(hào)機(jī)。交通信號(hào)控制機(jī)主要控制路口的交通信號(hào)燈，其在本系統(tǒng)中主要負(fù)責(zé)處理執(zhí)行特種車輛管控命令并把當(dāng)前路口的燈色實(shí)時(shí)發(fā)送給特種車輛車載設(shè)備。

特種車輛優(yōu)先控制系統(tǒng)使用前要設(shè)置特種車輛車載設(shè)備和終端設(shè)備，終端設(shè)備主要通過(guò)調(diào)試串口設(shè)置路口每個(gè)方向的虛擬標(biāo)簽號(hào)、LORA模塊的通信頻段、路口各方向請(qǐng)求放行的燈組號(hào)以及信號(hào)機(jī)的唯一編號(hào)。同時(shí)，車載平板設(shè)備的特種車輛管控軟件要設(shè)置車載設(shè)備自身的ID號(hào)、所有管控路口每個(gè)方向的虛擬標(biāo)簽號(hào)以及標(biāo)簽的距離、信號(hào)機(jī)編號(hào)，等等。特種車輛管控軟件中設(shè)置的路口標(biāo)簽號(hào)、信號(hào)機(jī)編號(hào)要與實(shí)際路口中特種車輛終端設(shè)備中的設(shè)置保持一致。虛擬標(biāo)簽用來(lái)判斷待通行車輛來(lái)自哪個(gè)方向，需要亮起哪個(gè)方向的交通信號(hào)燈予以車輛放行。車載ID編號(hào)用于區(qū)分不同種類的特種車輛設(shè)備，避免不用設(shè)備之間誤收誤發(fā)。信號(hào)機(jī)編號(hào)也同樣可防止誤收來(lái)自其他路口的管控消息。

特種車輛優(yōu)先控制系統(tǒng)的無(wú)線通信模塊采用433M的LORA無(wú)線模塊，為了避免特種車輛車載設(shè)備和特種車輛終端設(shè)備同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)造成同頻干擾，本特種車輛系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸格式采用一問(wèn)一答的形式；特種車輛車載設(shè)備為主，特種車輛終端設(shè)備為從；特種車輛車載設(shè)備每秒發(fā)送心跳信息，特種車輛終端設(shè)備收到心跳信息后返回應(yīng)答信息，這樣可避免同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)，從而避免帶來(lái)不必要的干擾。

特種車輛優(yōu)先控制系統(tǒng)硬件安裝設(shè)置好后，使用時(shí)打開(kāi)特種車輛車載平板設(shè)備上的特種車輛管控軟件，如圖4所示，輸入特種車輛要行駛的目的地。特種車輛管控軟件會(huì)自動(dòng)規(guī)劃行駛路線，如圖5所示，同時(shí)也開(kāi)放接口供用戶手動(dòng)調(diào)整線路。線路規(guī)劃成功后，特種車輛行駛到裝有特種車輛終端設(shè)備的路口時(shí)，在距離虛擬標(biāo)簽點(diǎn)100 m的位置時(shí)特種車輛車載設(shè)備讀取該路口的配置信息，根據(jù)配置信息設(shè)置LORA無(wú)線通信頻率給路口的特種車輛終端設(shè)備發(fā)送連接信號(hào)；連接信號(hào)包含車載設(shè)備ID、路口信號(hào)機(jī)編號(hào)等，特種車輛終端設(shè)備接收到心跳信息后立即返回連接成功消息（包含車載設(shè)備ID、路口信號(hào)機(jī)編號(hào)等）；連接成功后，特種車輛車載設(shè)備發(fā)心跳消息給特種車輛終端設(shè)備，到達(dá)設(shè)置的虛擬標(biāo)簽點(diǎn)后，特種車輛車載設(shè)備發(fā)送虛擬標(biāo)簽點(diǎn)號(hào)和請(qǐng)求的綠燈時(shí)間給特種車輛終端設(shè)備，特種車輛終端設(shè)備接收到消息后，判斷特種車輛請(qǐng)求的燈組號(hào)和時(shí)間信息并將它們發(fā)送給交通信號(hào)控制機(jī)，交通信號(hào)控制機(jī)接收到管控命令后，返回當(dāng)前路口的燈色和當(dāng)前階段剩余時(shí)間給特種車輛車載端并開(kāi)始處理管控命令。特種車輛車載設(shè)備接收到當(dāng)前路口的燈色后在界面上實(shí)時(shí)展示當(dāng)前路口的燈色。交通信號(hào)控制機(jī)接收到管控命令運(yùn)行過(guò)渡時(shí)間后開(kāi)啟管控?zé)艚M放行車輛并實(shí)時(shí)把燈色傳送給特種車輛車載設(shè)備。特種車輛車載設(shè)備在管控路口會(huì)和當(dāng)前路口的燈色保持一致。特種車輛車載設(shè)備會(huì)根據(jù)路口的交通狀況實(shí)時(shí)調(diào)整當(dāng)前路口的管控時(shí)間。通過(guò)路口時(shí)特種車輛車載設(shè)備會(huì)發(fā)送結(jié)束管控命令，信號(hào)機(jī)收到結(jié)束管控命令后確保運(yùn)行管控?zé)艚M的最短綠燈后切換到正常的運(yùn)行狀態(tài)，特種車輛在該路口的優(yōu)先管控結(jié)束。如果特種車輛終端設(shè)備沒(méi)有收到特種車輛車載端的結(jié)束命令會(huì)根據(jù)最后一次收到的管控時(shí)間運(yùn)行結(jié)束后恢復(fù)正常運(yùn)行狀態(tài)。特種車輛車載設(shè)備和終端設(shè)備的工作流程圖如圖6、圖7所示。

特種車輛優(yōu)先控制系統(tǒng)還有配套的平臺(tái)，特種車輛車載設(shè)備會(huì)通過(guò)4G網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)上傳自己的位置到平臺(tái)，特種車輛管控軟件通過(guò)平臺(tái)獲取并實(shí)時(shí)顯示其他特種車輛的位置并通過(guò)不同的顏色來(lái)顯示其優(yōu)先級(jí)，同時(shí)，特種車輛管控軟件在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)實(shí)時(shí)通過(guò)語(yǔ)音播報(bào)當(dāng)前管控狀態(tài)和行駛方向的燈色，使駕駛員無(wú)須查看屏幕即可知曉當(dāng)前的管控狀態(tài)，使特勤控制系統(tǒng)更加安全可靠。

2.2? 特種車輛優(yōu)先控制系統(tǒng)效果分析

為了測(cè)試特種車輛優(yōu)先的效果，我們選取合肥市望江西路5個(gè)路口（蜀南庭苑、玉蘭大道西、玉蘭大道東、金桂路、香樟大道）全程大概5 km進(jìn)行了為期一個(gè)月的測(cè)試。為避免路口之間的同頻干擾，我們對(duì)5個(gè)路口選取的頻段均不相同；同時(shí)也測(cè)試了不同天氣、早晚高峰以及各種交通狀況下的優(yōu)先效果；測(cè)試效果非常不錯(cuò)；特種車輛幾乎每次都能實(shí)現(xiàn)優(yōu)先快速通過(guò)；只有部分路口無(wú)線數(shù)據(jù)發(fā)送2次才會(huì)做出響應(yīng)。測(cè)試內(nèi)容如表1所示。

3? 結(jié)? 論

本文特種車輛優(yōu)先控制系統(tǒng)從設(shè)計(jì)到研發(fā)都充分考慮了安全性和可靠性，并歷經(jīng)長(zhǎng)期的實(shí)驗(yàn)室測(cè)試和實(shí)際路面測(cè)試。在測(cè)試中不斷地修改完善，最終達(dá)到了比較理想的通行狀態(tài)。本特種優(yōu)先控制系統(tǒng)已經(jīng)在相關(guān)城市運(yùn)行，并取得了一定的成效。希望本特種車輛優(yōu)先控制系統(tǒng)能夠?yàn)橹腔鄢鞘械陌l(fā)展添翼助力。

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作者簡(jiǎn)介：王玉梅（1985—），女，漢族，安徽合肥人，初級(jí)職稱，本科，研究方向：機(jī)電工程。