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費(fèi)力且管控界面不太友好，同時也不能顯示當(dāng)前路口的管控狀態(tài)和信號燈的燈色，而且RFID讀卡器的成本較高，在安裝過程中需要架設(shè)專用桿件，在后期維護(hù)時還需要借助高架車來檢修，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：TN929.5? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? 文章編號：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

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無線通信。特種車輛終端設(shè)備與信號機(jī)之間的通信通過串行總線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

特種車輛車載設(shè)備是整個設(shè)備的核心。它實(shí)時計算特種車輛的位置信息，在到達(dá)路口時通過LORA無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)計中1路串口連接藍(lán)牙5.0模塊，1路串口連接433M無線發(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功能包括可編程開關(guān)頻率、同步、電源正常標(biāo)志、精確使能、內(nèi)部軟啟動、可擴(kuò)展軟啟動、跟蹤。輕負(fù)載時的斷續(xù)傳導(dǎo)和自動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透傳模塊。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線通信模塊選用433M的無線LORA模塊E22-400T30S。E22-400T30S是一款基于SEMTECH公司SX1268射頻芯片的無線串口模塊，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??；支持空中喚醒、無線配置、載波監(jiān)聽、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)計要求。

特種車輛設(shè)備車載端是整個設(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

特種車輛終端設(shè)備負(fù)責(zé)接收車載端設(shè)備傳送過來的指令信息，并負(fù)責(zé)向信號機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)控制命令。主處理器、電源模塊和無線模塊選用與發(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)主要是基于短程無線通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)交叉路口的交通信號優(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規(guī)劃行駛路線。用戶也可以根據(jù)自己的需求手動規(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，可根據(jù)設(shè)備編號管理控制相應(yīng)路口的交通信號控制機(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）無線通信。無線通信采用433M LORA寬頻無線傳輸技術(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。為避免無線同頻干擾，布置不少于10個無線傳輸通道，可以在各個路口設(shè)置不同的傳輸通道，車載設(shè)備可根據(jù)路口設(shè)置自動切換無線傳輸通道。

6）管控響應(yīng)時間。在信號機(jī)端管控響應(yīng)時間方面可設(shè)置管控最短綠燈時間，信號機(jī)收到管控命令后在當(dāng)前階段運(yùn)行最小綠燈時間后進(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間損失。特種車輛頭車發(fā)送控制請求（控制請求中包含該車隊路口的最長通過時間），信號機(jī)接收到控制命令經(jīng)過最小綠燈時間后切換到管控相位。收到尾車發(fā)送的結(jié)束控制命令安全過渡后結(jié)束管控。為了安全起見，如沒有收到特種車輛尾車結(jié)束管控命令，信號機(jī)會在運(yùn)行該車隊最長通過時間后自動結(jié)束特種車輛管控；如特種車輛車隊只有頭車，信號機(jī)會在運(yùn)行該車隊的路口通過時間后就結(jié)束特種車輛管控。

8）管控優(yōu)先級控制。目前一個路口支持多輛特種車輛優(yōu)先。如先到的特種車輛優(yōu)先級高，則執(zhí)行先到優(yōu)先級高特種車輛的管控。如先到的特種車輛優(yōu)先級低但信號機(jī)已經(jīng)執(zhí)行該車的管控則在執(zhí)行結(jié)束后切換到后來車輛的特種管控。如先到的特種車輛優(yōu)先級低但信號機(jī)沒有執(zhí)行優(yōu)先控制則放行后來優(yōu)先級高車輛請求的相位。

9）特種車輛系統(tǒng)平臺。特種車輛車載設(shè)備可通過平板的4G無線網(wǎng)絡(luò)連接到特種車輛系統(tǒng)平臺；特種車輛車載設(shè)備實(shí)時上傳自己的位置信息給平臺，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中獲取其他特種車輛的位置信息和路線信息，并會根據(jù)這些信息重新規(guī)劃路線，避免多個特種車輛在一個路口相遇，減少不必要的綠燈等候時間。

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、交通信號控制機(jī)。特種車輛車載設(shè)備安裝在特種車輛上，通過車輛的點(diǎn)煙器接口獲得電量，LORA無線模塊的天線布置在車頂上；特種車輛車載設(shè)備通過平板電腦的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)以及語音播報等功能。特種車輛終端設(shè)備安裝在交通信號控制機(jī)內(nèi)部；LORA無線模塊的天線布設(shè)在信號機(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)送給交通信號機(jī)。交通信號控制機(jī)主要控制路口的交通信號燈，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)備主要通過調(diào)試串口設(shè)置路口每個方向的虛擬標(biāo)簽號、LORA模塊的通信頻段、路口各方向請求放行的燈組號以及信號機(jī)的唯一編號。同時，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、所有管控路口每個方向的虛擬標(biāo)簽號以及標(biāo)簽的距離、信號機(jī)編號，等等。特種車輛管控軟件中設(shè)置的路口標(biāo)簽號、信號機(jī)編號要與實(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)簽用來判斷待通行車輛來自哪個方向，需要亮起哪個方向的交通信號燈予以車輛放行。車載ID編號用于區(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)。信號機(jī)編號也同樣可防止誤收來自其他路口的管控消息。

特種車輛優(yōu)先控制系統(tǒng)的無線通信模塊采用433M的LORA無線模塊，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，這樣可避免同時發(fā)送數(shù)據(jù)，從而避免帶來不必要的干擾。

特種車輛優(yōu)先控制系統(tǒng)硬件安裝設(shè)置好后，使用時打開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自動規(guī)劃行駛路線，如圖5所示，同時也開放接口供用戶手動調(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，在距離虛擬標(biāo)簽點(diǎn)100 m的位置時特種車輛車載設(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；連接信號包含車載設(shè)備ID、路口信號機(jī)編號等，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、路口信號機(jī)編號等）；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)號和請求的綠燈時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，判斷特種車輛請求的燈組號和時間信息并將它們發(fā)送給交通信號控制機(jī)，交通信號控制機(jī)接收到管控命令后，返回當(dāng)前路口的燈色和當(dāng)前階段剩余時間給特種車輛車載端并開始處理管控命令。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)時展示當(dāng)前路口的燈色。交通信號控制機(jī)接收到管控命令運(yùn)行過渡時間后開啟管控?zé)艚M放行車輛并實(shí)時把燈色傳送給特種車輛車載設(shè)備。特種車輛車載設(shè)備在管控路口會和當(dāng)前路口的燈色保持一致。特種車輛車載設(shè)備會根據(jù)路口的交通狀況實(shí)時調(diào)整當(dāng)前路口的管控時間。通過路口時特種車輛車載設(shè)備會發(fā)送結(jié)束管控命令，信號機(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)備沒有收到特種車輛車載端的結(jié)束命令會根據(jù)最后一次收到的管控時間運(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，特種車輛車載設(shè)備會通過4G網(wǎng)絡(luò)實(shí)時上傳自己的位置到平臺，特種車輛管控軟件通過平臺獲取并實(shí)時顯示其他特種車輛的位置并通過不同的顏色來顯示其優(yōu)先級，同時，特種車輛管控軟件在運(yùn)行過程中會實(shí)時通過語音播報當(dāng)前管控狀態(tài)和行駛方向的燈色，使駕駛員無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

為了測試特種車輛優(yōu)先的效果，我們選取合肥市望江西路5個路口（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)行了為期一個月的測試。為避免路口之間的同頻干擾，我們對5個路口選取的頻段均不相同；同時也測試了不同天氣、早晚高峰以及各種交通狀況下的優(yōu)先效果；測試效果非常不錯；特種車輛幾乎每次都能實(shí)現(xiàn)優(yōu)先快速通過；只有部分路口無線數(shù)據(jù)發(fā)送2次才會做出響應(yīng)。測試內(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)計到研發(fā)都充分考慮了安全性和可靠性，并歷經(jīng)長期的實(shí)驗(yàn)室測試和實(shí)際路面測試。在測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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作者簡介：王玉梅（1985—），女，漢族，安徽合肥人，初級職稱，本科，研究方向：機(jī)電工程。