基于E95-DTU的車(chē)輛超速監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)①

王士舉， 陳育德， 徐建東， 蔣 野

(佳木斯大學(xué)信息電子學(xué)院,黑龍江 佳木斯 154007)

0 引 言

科技的發(fā)展，車(chē)輛這種提高效率節(jié)省人力的工具應(yīng)運(yùn)而生，但是隨著人們生活水平的提高，買(mǎi)車(chē)變成了不單單是為了提高效率節(jié)省人力的工具，更是變成一個(gè)人生活好壞的象征。這導(dǎo)致了私家車(chē)的惡性增多，嚴(yán)重的造成了交通擁堵問(wèn)題，甚至還有的人為了尋求刺激而去飆車(chē)。在車(chē)輛普及性的增多和不按照交通規(guī)則行駛的情況下，交通事故的發(fā)生概率也隨之增大，這所帶來(lái)的種種不便與危害，違背了當(dāng)初設(shè)計(jì)車(chē)輛能為我們所帶來(lái)便捷的初衷。

為了解決以上問(wèn)題，我們用單片機(jī)和LTE無(wú)線通信模塊設(shè)計(jì)一個(gè)車(chē)輛監(jiān)控系統(tǒng)。車(chē)輛監(jiān)控系統(tǒng)包括車(chē)輛的探測(cè)、計(jì)數(shù)和測(cè)速等。將車(chē)輛監(jiān)控系統(tǒng)安裝在公路上，可以測(cè)出每個(gè)路段車(chē)輛的高峰與低峰時(shí)期，以便安排合理的通行方案，還可測(cè)出路過(guò)車(chē)輛的行駛速度，判斷是否按照交通規(guī)則行駛。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案

設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中選用PIC16F877芯片和STC89C52芯片兩種控制器芯片，應(yīng)用LTE無(wú)線通信模塊將這兩種芯片聯(lián)系起來(lái)，使得整個(gè)系統(tǒng)看起來(lái)清晰明了，又不失聯(lián)系。該系統(tǒng)以紅外傳感器為車(chē)輛探測(cè)器，PIC16F877芯片主要負(fù)責(zé)現(xiàn)場(chǎng)車(chē)輛的計(jì)數(shù)、測(cè)速以及信息傳輸?shù)裙δ?，而中央控制室的STC89C52芯片負(fù)責(zé)信息的接收，判斷車(chē)輛是否超速，如果超速控制開(kāi)啟警報(bào)裝置，并將所接收的信息顯示在LCD顯示模塊上。總的來(lái)說(shuō)，這個(gè)系統(tǒng)就是圍繞著PIC16F877芯片和STC89C52芯片這兩個(gè)芯片和所需要的模塊展開(kāi)的設(shè)計(jì)，其系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

當(dāng)有車(chē)經(jīng)過(guò)被檢測(cè)區(qū)域，紅外探測(cè)器發(fā)射的紅外光線被車(chē)輛所阻擋時(shí)，先通過(guò)紅外解調(diào)器進(jìn)行解調(diào)、選通、濾波等操作，以及發(fā)送到電壓比較器進(jìn)行信息整理，將信號(hào)發(fā)送到單片機(jī)PIC16F877上，PIC16F877內(nèi)的CCP模塊會(huì)捕捉到信號(hào)變化，測(cè)出車(chē)輛經(jīng)過(guò)檢測(cè)區(qū)域時(shí)的信息，并控制紅綠燈來(lái)表示車(chē)輛經(jīng)過(guò)情況，最后PIC16F877通過(guò)由RS485連接的LTE(無(wú)線)通信模塊，將測(cè)得的車(chē)輛信息發(fā)送到中央控制室。當(dāng)中央控制器單片機(jī)STC89C52通過(guò)由RS485所連接的無(wú)線接收裝置接收到信息時(shí)，將接收到的信息顯示到LCD液晶顯示器上，并與事先設(shè)定好的速度值作出比較判斷車(chē)輛是否超速，如果超速將觸發(fā)警報(bào)裝置。

2 硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)電路圖如圖2所示。該設(shè)計(jì)主要包括車(chē)輛探測(cè)部分電路圖和中央控制部分電路圖，工作原理如下。

2.1 車(chē)輛探測(cè)部分工作原理

以D80NK紅外傳感器J1,J2作為車(chē)輛探測(cè)器分別連接在PIC16F877單片機(jī)的16和17引腳，這種紅外傳感器屬于NPN型的光電開(kāi)關(guān)，輸出狀態(tài)是0/1，當(dāng)被遮擋時(shí)會(huì)向PIC16F877單片機(jī)輸出低電平0[1]，然后由該單片機(jī)的CCP模塊通過(guò)捕捉到的電平變化產(chǎn)生中斷并計(jì)算出車(chē)輛經(jīng)過(guò)檢測(cè)區(qū)域時(shí)的信息。同時(shí)該單片機(jī)控制21和22引腳連接的紅綠色發(fā)光二極管，當(dāng)紅外傳感器J1被遮擋時(shí)亮綠燈代表車(chē)輛進(jìn)入、當(dāng)紅外傳感器J2被遮擋時(shí)亮紅燈代表車(chē)輛離開(kāi)；11和32引腳接電源為單片機(jī)供電；24,25,26引腳分別連接LTE無(wú)線通信模塊接口的2和3,4,1引腳，將測(cè)得的信息由LTE無(wú)線通信模塊發(fā)送到中央控制室。

2.2 CCP模塊測(cè)速原理

應(yīng)用PIC16F877單片機(jī)來(lái)測(cè)量車(chē)輛速度需要應(yīng)用到CCP模塊的捕捉模式。捕捉到某一事件發(fā)生的時(shí)間，也就是車(chē)輛經(jīng)過(guò)被檢測(cè)區(qū)域的時(shí)間。在單片機(jī)中所謂的事件就是電平的變化，即車(chē)輛經(jīng)過(guò)被檢測(cè)的區(qū)域遮擋紅外探測(cè)器會(huì)觸發(fā)低電平，當(dāng)輸入引腳的信號(hào)發(fā)生跳變時(shí)，TMR1定時(shí)器的16位計(jì)數(shù)值就會(huì)立刻被CCP模塊的捕捉功能記錄下來(lái)[2]。車(chē)輛經(jīng)過(guò)紅外探測(cè)器J1,J2時(shí)，紅外探測(cè)器J1,J2分別產(chǎn)生電平跳變，這樣就能通過(guò)紅外探測(cè)器J1,J2之間的距離Δs跟輸入引腳16(RC1)和17(RC2)電平跳變的時(shí)間差Δt算出車(chē)輛經(jīng)過(guò)被測(cè)區(qū)域的速度值v。

2.3 中央控制部分工作原理

在中央控制室選擇STC89C52單片機(jī)作為主控芯片。設(shè)計(jì)中STC89C52單片機(jī)根據(jù)LTE無(wú)線通信模塊接收到的信息，控制LCD顯示模塊和報(bào)警裝置。LTE無(wú)線通信模塊接口1,4,2和3引腳分別送到STC89C52單片機(jī)的10,11,12引腳，用來(lái)接收由車(chē)輛探測(cè)端發(fā)送來(lái)的信息；STC89C52單片機(jī)的9引腳連接復(fù)位電路，可以將單片機(jī)恢復(fù)初始狀態(tài)；32-39引腳分別連接LCD顯示模塊的14-7引腳，1-3引腳分別連接LCD顯示模塊的4-6引腳，控制LCD模塊顯示由LTE無(wú)線發(fā)送裝置發(fā)來(lái)的信息(車(chē)輛經(jīng)過(guò)檢測(cè)區(qū)域的個(gè)數(shù)和經(jīng)過(guò)檢測(cè)區(qū)域時(shí)的速度)；23引腳與報(bào)警裝置相連，當(dāng)超過(guò)所設(shè)置的速度閾值時(shí)發(fā)出警報(bào)。

2.4 LTE無(wú)線通信模塊

在設(shè)計(jì)中，用E95-DTU(4G01-485)做LTE無(wú)線通信模塊，它是一種采用CAT1標(biāo)準(zhǔn)的4G模塊?？梢詰?yīng)用在一對(duì)一、一對(duì)多、多對(duì)多的各種場(chǎng)景，由于采用云技術(shù)，相互之間的透?jìng)骺梢圆皇芫嚯x的限制，利用移動(dòng)通信網(wǎng)可以輕松實(shí)現(xiàn)幾千公里的數(shù)據(jù)傳輸。我們采用兩塊E95-DTU分別連接在車(chē)輛探測(cè)部分和中央控制部分，這樣就實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)和遠(yuǎn)程的控制與記錄。E95-DTU云數(shù)傳平臺(tái)提供了RS485接口，RS485的總線的A接口與設(shè)備的A接口相連接，B接口與設(shè)備的B接口相連接。支持1024字節(jié)單包長(zhǎng)度設(shè)定，可以滿足大多數(shù)據(jù)的傳輸需求，擁有抗干擾能力強(qiáng)、網(wǎng)絡(luò)覆蓋廣等優(yōu)點(diǎn)。云數(shù)傳電臺(tái)工作在LTE-TDD模式：B34/B38/B39/B40/B41頻段，支持移動(dòng)、聯(lián)通、電信運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)，能提供4G網(wǎng)絡(luò)覆蓋下實(shí)時(shí)、可靠的數(shù)據(jù)傳輸。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

如果說(shuō)硬件設(shè)計(jì)是實(shí)驗(yàn)的體現(xiàn)，那么軟件設(shè)計(jì)就是實(shí)驗(yàn)的靈魂，它在我們看不見(jiàn)摸不著的地方發(fā)揮著重要作用。在對(duì)系統(tǒng)主控芯片和各個(gè)模塊之間的研究后，還要構(gòu)思一下系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的整體流程[3]。首先以主控芯片為核心，設(shè)定一下各個(gè)模塊的功能，再一步步仔細(xì)操作，讓其表面看著沒(méi)有什么關(guān)系，實(shí)則通過(guò)軟件程序?qū)⒏鱾€(gè)模塊的接口統(tǒng)一，并連接成一個(gè)完整的操作系統(tǒng)，其具體流程圖如圖3所示。

4 結(jié) 語(yǔ)

在車(chē)輛監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中主要使用了傳感器技術(shù)、單片機(jī)技術(shù)、無(wú)線通信技術(shù)、C語(yǔ)言編程等，實(shí)現(xiàn)了車(chē)輛的探測(cè)、計(jì)數(shù)、測(cè)速和報(bào)警等功能。既可以放到道路上監(jiān)控車(chē)輛的行駛速度，保證駕駛安全，還能測(cè)出路段上車(chē)輛的高峰期，方便合理地安排交通警察前去疏通管理，避免交通擁堵；還可以安裝在學(xué)校、小區(qū)和私人場(chǎng)所等控制車(chē)輛的進(jìn)出，省去了門(mén)衛(wèi)的工作又保證了安全性。該系統(tǒng)有很大的研發(fā)價(jià)值，它較傳統(tǒng)的感應(yīng)線圈探測(cè)更加的簡(jiǎn)單、精準(zhǔn)和實(shí)用。當(dāng)然也會(huì)有一些不足的地方需要改進(jìn)，比如在系統(tǒng)穩(wěn)定方面、紅外傳感器抗干擾方面和遠(yuǎn)程控制方面都要進(jìn)一步優(yōu)化加強(qiáng)。