CN103337193A - 一种高速公路隧道停车定位检测和联动报警装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种高速公路隧道停车定位检测和联动报警装置及方法，属于可见光检测技术领域。包括：停车定位检测装置、终端计算机、ZigBee设备和可变情报板，其中所述的停车定位检测装置还进一步包括：警示灯、双元可见光照度检测电路和处理器模块。本发明提出的停车定位检测装置体积小、成本低、安装方便，可以无死角的检测隧道内车辆行车状态，可以确定车辆停止位置；创新的使用两个热敏电阻及带通滤波器组成双元可见光检测电路，用于检测车辆行驶经过时由于车灯照明而使双元光敏电阻阻值的不均衡变化，避免了环境照度和外部射频信号的对检测的干扰，更有效的检测车辆行驶经过和异常停车情况。

Description

一种高速公路隧道停车定位检测和联动报警装置及方法

技术领域

本发明属于可见光检测技术领域，特别涉及一种高速公路隧道停车定位检测和联动报警装置及方法。

背景技术

由于隧道内道路空间的封闭性,空间环境狭窄、光线变化大、视野不清，隧道内的故障停车不易被其他车辆及时发现，极易引发二次交通事故，存在潜在的交通事故危险；一旦事故发生，交通中断时间较长，危险性大，事故处理比较困难。目前对高速公路隧道停车定位检测仍使用在隧道沿线安装视频监控系统，实现高速公路隧道内现场监控，此方法在交通流量较少情况下具有良好的检测效果，同时在视频监控摄像头安装不密集时会出现监控不到的死角，这就需要较高的资金投入和密集安装才能保证监测的可靠性和减少死角区域，不但增加成本而且监控难度相应增加。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结构简单、低成本的高速公路隧道停车定位检测和联动报警装置及方法，以实现无死角实时检测高速公路隧道内行车情况，及时发现故障停车，并提醒后方车辆避让的目的。

本发明的技术方案是这样实现的：一种高速公路隧道停车定位检测和联动报警装置，包括：

停车定位检测装置：用于通过检测周围环境因车辆行驶经过而产生的光照度变化，判断车辆相对该停车定位检测装置的位置和行驶状态，向终端计算机发送数据，并接收终端计算机发布的控制信号点亮或熄灭警示灯；

终端计算机：通过ZigBee设备与隧道内多个停车定位检测装置无线通信，用于接收和分析所有停车定位检测装置发送的数据，判断车辆在隧道内的位置和行驶状态，并向停车定位检测装置发布控制命令，控制可变情报板发布警示信息；

ZigBee设备：用于接收停车定位检测装置发送的数据并传输给终端计算机；

可变情报板：用于接收并显示终端计算机发布的警示信息；

所述的停车定位检测装置还进一步包括：

警示灯：根据处理器模块发出的控制信号点亮或熄灭；

双元可见光照度检测电路：用于检测周围环境因车辆行驶经过而产生的光照度变化，并转换成电压信号；

处理器模块：用于将电压信号转换成数据，分析数据并判断车辆相对停车定位检测装置的位置和行驶状态，同时向ZigBee设备发送数据，并根据接收的控制命令点亮或熄灭警示灯。

所述的可见光照度检测电路进一步包括光敏电阻、电阻、电容和运算放大器，其中，第一光敏电阻与第二光敏电阻组成串联电路，该串联电路的一端连接电源管理模块，另一端接地；第一光敏电阻和第二光敏电阻的连接点处连接第一电阻一端、第二电阻一端，第一电阻的另一端连接运算放大器的同相输入端和第一电容的一端，第一电容的另一端接地；第二电阻的另一端连接第二电容一端、第三电阻一端和运算放大器的反相输入端，第三电阻的另一端、第二电容的另一端同时连接运算放大器的输出端。

所述的处理器模块通过DIO接口连接警示灯，用于处理器模块接收终端计算机发布的控制命令后被点亮，警示过路车辆。

采用上述装置对高速公路隧道停车定位检测和联动报警的方法，包括以下步骤：

步骤1、停车定位检测装置通电后自检及初始化，隧道内多个停车定位检测装置和ZigBee设备组网形成一个无线通信网络；

步骤2、停车定位检测装置使用双元可见光照度检测电路利用两个相同规格的光敏电阻分别检测被菲涅尔透镜分隔成左、右两个检测区域的可见光照射强度，当有车辆行驶经过时，车辆将顺序通过两个检测区域，两个光敏电阻因被车灯照射到的光照强度不同，从而形成电阻值的差异，致使在两个光敏电阻间的电压信号产生波动，并通过处理器模块将电压信号转换成数据，处理器模块通过分析数据的数值变化判断电压信号波动的完整性，当电压信号的波动方式为从稳定状态向下运行到波谷、再从波谷向上运行到波峰、再从波峰返回至稳定状态时，车辆正常行驶经过该停车定位检测装置，当电压信号未完成上述的波动方式时，车辆停车在该停车定位检测装置，当电压信号没有波动时，没有车辆经过该停车定位检测装置；

步骤3、停车定位检测装置通过ZigBee设备将电压信号转换的数据和判断结果发送到终端计算机，终端计算机对数据和结果进行存储；

步骤4、终端计算机系统接收隧道内所有无线通信网络内的停车定位检测装置发送的数据并分析车辆在整个隧道内行驶的过程，根据每个停车定位检测装置发送的数据及采集时间还原电压波动信号的变化，当车辆在隧道内正常行驶时沿途的停车定位检测装置将会按顺序逐一产生电压波动信号；当车辆在隧道内因故障或其他原因而停车时，在车辆停车前经过的停车定位检测装置仍将产生电压波动信号，在车辆停车位置附近的停车定位检测装置将产生不完整的电压波动信号，在车辆未经过的停车定位检测装置则不会产生电压波动信号，终端计算机可根据产生电压波动信号的完整性及连贯性判断车辆所在位置及行驶状态；

步骤5、终端计算机向距离停车位置最近的停车定位检测装置及与行车方向相反至一个停车视距内的所有停车定位检测装置发送控制命令，停车定位检测装置接收到控制命令后点亮警示灯至终端计算机发送新的控制命令，同时终端计算机向隧道口的可变情报板发布警示信息，可变情报板显示警示信息提醒进入隧道车辆注意减速慢行，规避前方隧道内故障车辆。

有益效果：本发明提出的停车定位检测装置体积小、成本低、安装方便，可以无死角的检测隧道内车辆行车状态，可以确定车辆停止位置；创新的使用两个热敏电阻及带通滤波器组成双元可见光检测电路，用于检测车辆行驶经过时由于车灯照明而使双元光敏电阻阻值的不均衡变化，避免了环境照度和外部射频信号的对检测的干扰，更有效的检测车辆行驶经过和异常停车情况。   

附图说明

图1为本发明一种实施方式高速公路隧道停车定位检测和联动报警装置结构框图；

图2为本发明一种实施方式高速公路隧道停车定位检测和联动报警装置电路原理图；

图3为本发明一种实施方式停车定位检测装置外壳，其中，(a)为外壳的主视图，(b)为壳体的左视图；

图4为本发明一种实施方式菲涅尔透镜将车辆行驶过程划分为A区域、B区域示意图；

图5为本发明一种实施方式的在车辆行驶经过时双元可见光检测电路输出的电压信号波形图；

图6为本发明一种实施方式高速公路隧道停车定位检测和联动报警方法流程图；

图7为本发明一种实施方式车辆经过停车定位检测装置时的电压信号波形图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式作进一步详细的说明。

   本发明的实施方式给出高速公路隧道停车定位检测和联动报警装置结构框图，如图2所示。包括可变情报板11、终端计算机13、ZigBee设备12和停车定位检测装置1，其中，如图1所示，停车定位检测装置1进一步包括：电源管理模块6、双元可见光照度检测电路3、警示灯5和处理器模块4。停车定位检测装置1通过处理器模块内置的ZigBee模块与ZigBee设备12进行通讯，ZigBee设备12连接终端计算机13，终端计算机13通过有线方式(如，网线)或无线方式(如，WIFI)与可变情报板11进行通讯。

本实施方式中，处理器模块采用无线微控制器实现，无线微控制器的型号为JN5161，终端计算机采用PC机即可，ZigBee设备采用的型号为WGT2422Z-R,电源管理模块为处理器模块、警示灯、双元可见光照度检测电路分别提供3V直流电的电源。

警示灯连接处理器模块的DIO端口，双元可见光照度检测电路的输出端连接处理器模块的AD端口，电源管理模块的VDD端口连接处理器模块的VDD端口，处理器模块内部，DIO端口、AD端口、RAM、FLASH和EEPROM通过数据总线连接ZigBee模块和RISC CPU模块，如图2所示。其中，双元可见光照度检测电路进一步包括光敏电阻(RT1和RT2)、电阻(R1、R2和R3)、电容(C1和C2)和运算放大器，其中，光敏电阻RT1与光敏电阻RT2组成串联电路，该串联电路的一端连接电源管理模块，另一端接地；光敏电阻RT1和光敏电阻RT2的连接点处连接电阻R1一端、电阻R3一端，电阻R1的另一端连接运算放大器的同相输入端和电容C1的一端，电容C1的另一端接地；电阻R3的另一端连接电容C2一端、电阻R2一端和运算放大器的反相输入端，电阻R2的另一端、电容C2的另一端同时连接运算放大器的输出端u₀，本实施方式中，运算放大器的输出端u₀即为双元可见光照度检测电路的输出端。在双元可见光照度检测电路的前端，还设置有菲涅尔透镜，本实施方式中采用的菲涅尔透镜分割为2个区域，用于在隧道照明过程中，将车辆行驶的道路分割成2个区域，在设置菲涅尔透镜后，应保证双元可见光照度检测电路中的光敏电阻RT1和光敏电阻RT2处于菲涅尔透镜的焦点处。

停车定位检测装置的外壳如图3所示。包括壳体7，在壳体的上表面还设置有用于保护警示灯的灯罩8，在壳体的正面中心处设置有菲涅尔透镜2的另一端接地；电阻R3的另一端连接电容C2一端、电阻R2一端和运算放大器的反相输入端，电阻R2的另一端、电容C2的另一端同时连接运算放大器的输出端u₀，本实施方式中，运算放大器的输出端u₀即为双元可见光照度检测电路的输出端。在双元可见光照度检测电路的前端，还设置有菲涅尔透镜，本实施方式中采用的菲涅尔透镜分割为2个区域，用于在隧道照明过程中，将车辆行驶的道路分割成2个区域，在设置菲涅尔透镜后，应保证双元可见光照度检测电路中的光敏电阻RT1和光敏电阻RT2处于菲涅尔透镜的焦点处。

停车定位检测装置的外壳如图3所示。包括壳体7，在壳体的上表面还设置有用于保护警示灯的灯罩8，在壳体的正面中心处设置有菲涅尔透镜2，在壳体的左侧面设置有外部电源接口9。

高速公路隧道停车定位检测和联动报警装置的工作过程如下：

在一段长600m的隧道内，以3m间隔设置LED隧道灯10，在每个LED隧道灯10下方的侧墙上均固定停车定位检测装置1（共200个），与LED隧道灯并联于电路中，每个停车定位检测装置的菲涅尔透镜2球面面向与道路路面水平并与行车方向垂直的方向，可变情报板11固定于隧道入口设置在面向行车方向的隧道上方，终端计算机和ZigBee设备设置在隧道管理机房内，ZigBee设备与200个停车定位检测装置组成ZigBee无线通信网络，如图4所示。停车定位检测装置1a的菲涅尔透镜将A区域和B区域的光线聚拢后，分别传递给双元可见光照度检测电路的光敏电阻RT1和光敏电阻RT2上，当车辆行驶进入A区域未到B区域时，车灯光透过菲涅尔透镜组汇集到RT1上使RT1阻值降低，而RT2阻值没有变化，此时ui值升高趋于VDD（即供电电压），或者当车辆驶出A区域，进入B区域时，此时ui值降低趋于零，这两种情况均会产生变化的电压信号。该变化的信号进入由运算放大器、电阻R1、电阻R2、电阻R3及电容C1、电容C2组成反相带通滤波放大电路，其中，电阻R1和电容C1组成的串联电路用于提供滤除由光敏电阻RT1和光敏电阻RT2输出的电压信号低频干扰的电压信号频率下限；电阻R2和电容C2组成的并联电路用于提供滤除由光敏电阻RT1和光敏电阻RT2输出的电压信号高频干扰的电压信号频率上限；电阻R2和R3用于提供放大增益倍数。

在车辆经过停车定位检测装置检测区域的过程中产生的变化的电压信号ui经过反相带通滤波放大电路滤除高频和低频干扰后，可得到如图5所示电压信号uo的波形图。

采用上述装置进行高速公路隧道停车定位检测和联动报警方法，以图4中4个顺序安装的停车定位检测装置1d、1a、1b和1c进行说明，停车定位检测装置1d、1a、1b和1c分别距隧道入口300m、297m、294m和291m，其流程如图6所示，该步骤开始于步骤601。在步骤602，停车定位检测装置在通电后进行自检及初始化，停车定位检测装置1d、1a、1b和1c与ZigBee设备联网组成无线通信网络；

在步骤603，停车定位检测装置通过双元可见光检测电路监测由于行驶车辆因车灯照射到停车定位检测装置而产生的变化，并通过处理器转换成实时数据。停车定位检测装置壳体7上的菲涅尔透镜2将道路分隔成左右两个区域，分别为A区域和B区域，热敏电阻RT1通过菲涅尔透镜检测A区域照射到停车定位检测装置的照度值，热敏电阻RT2通过菲涅尔透镜检测B区域照射到停车定位检测装置的照度值，光敏电阻RT1、RT2间连接点电压值ui计算公式为：

                      ui=VDD*RT2/(RT1+RT2)                               (1)

式中：

ui——光敏电阻RT1、RT2间连接点电压值；

VDD——供电电压；

RT1——光敏电阻RT1的电阻值；

RT2——光敏电阻RT2的电阻值。

当道路上无车辆行驶时，因A区域和B区域检测环境亮度相同，RT1和RT2阻值相同，经公式(1)计算可得ui=VDD/2，且当周围环境亮度变化时，对RT1和RT2的影响相同，ui不会产生变化；

当有车辆行驶经过时，车辆将顺序经过A区域和B区域，当车辆进入A区域未到B区域时，车灯光透过菲涅尔透镜汇集到RT1上使RT1阻值降低，而RT2阻值没有变化，

根据公式(1)可得出ui值升高趋于VDD，当车辆驶出A区域，进入B区域时，根据相同方法可计算ui值降低趋于零，当车辆驶出B区域时，ui值恢复到VDD/2位置，在车辆经过过程中产生的ui信号通过运算放大器及电阻R1、R2、R3和电容C1、C2组成的反相带通滤波放大电路滤除ui信号中的高于电压频率上限的高频干扰和低于电压频率下限的低频干扰，并放大输出为电压信号uo，其电压频率上限、电压频率下限和放大增益的计算公式为

电压频率上限  fh=1/(2π*R2*C2)                   (2)

电压频率下限  fl=1/(2π*R1*C1)                   (3)

放大增益倍数  A=R2/R3                            (4)

式中：

fh——可通过反相带通滤波放大电路的电压频率上限；

fl——可通过反相带通滤波放大电路的电压频率下限；

A——反相带通滤波放大电路的放大增益倍数；

R1、R2、R3——分别是电阻R1、R2、R3的电阻值；

C1、C2——分别是电容C1、C2的电容值。

如图5所示电压波动信号uo的波形图。电压波动信号通过处理器模块的AD端口输入处理器模块，并由处理器模块转换成数据并存储，并通过对数据的数值变化分析判断是否有行驶车辆经过(波形为水平时，数据为1.5；波形为波峰时，数据为2.7；波形为谷底时，数据为0.3)。当数据从1.5逐渐减小至0.3，再从0.3逐渐增大至2.7，又从2.7逐渐减小至1.5，且维持在1.5时，可判断车辆正常行驶经过本停车定位检测装置；当车辆行驶至A区域就停止时，A区域光照强度增加，而B区域变化微小，数据从1.5逐渐减小且维持在低于1.5的一个数值不变；当车辆行驶经过A区域进入B区域停止时，A区域光照强度先增加然后减小到原光照强度，B区域光照强度增加，数据从1.5逐渐减小至0.3，再从0.3逐渐增大至1,5以上且维持在高于1.5的一个数值不变。如图4所示，在隧道内卡车行驶经过停车定位检测装置1c的检测区域，停车在停车定位检测装置1b的B区域内和停车定位检测装置1a的A区域内，未到达停车定位检测装置1d的检测区域，在4个停车定位检测装置内形成的电压波动信号分别如图7中1c、1b、1a和1d所示。当电压波动信号稳定时，停车定位检测装置1c判断行车状态为行驶经过，停车定位检测装置1b判断行车状态是驻留在本装置左侧区域，停车定位检测装置1a判断行车状态是驻留在本装置右侧区域，停车定位检测装置1d判断行车状态是无车辆经过。

在步骤604，4个停车定位检测装置通过ZigBee设备将数据和判断结果传输到终端计算机，终端计算机对数据和结果行存储。

在步骤605，终端计算机系统对隧道内联网的4个停车定位检测装置的数据的数值变化和判断结果进一步分析，并根据传输数据的停车定位检测装置所在位置，分析并模拟车辆在整个隧道内行驶的过程，当车辆在隧道内正常行驶时沿途的停车定位检测装置将会按顺序产生完整的电压波动信号；当车辆在隧道内因故障或其他原因而停车时，在车辆经过的停车定位检测装置将按时间顺序产生完整波动信号如图7（1c），在停车位置附近的的停车定位检测装置产生不完整的波动信号如图7（1b）、（1a），在未经过的停车定位检测装置没有产生波动信号如图7（1d），终端计算机根据停车定位检测装置1a和1b发送电压波动信号不完整、且停车定位检测装置1c信号完整和停车定位检测装置没有信号，可判断车辆的车头驻留在停车定位检测装置1a和1b之间，并根据停车定位检测装置1a和1b在隧道内的位置判断车辆停车在隧道内294m附近。

在步骤606，终端计算机向停车定位检测装置1a、1b、1c以及逆行驶方向至一个停车视距内的所有停车定位检测装置发送点亮警示灯命令，以隧道内最高限速120公里/小时，根据我国《公路隧道设计规范》中规定停车视距为210m，终端计算机向隧道内83m（即294m-210m）至297m（即294m+3m）内的停车定位检测装置发布控制命令点亮警示灯。

停车定位检测装置接收到点亮警示灯命令后点亮警示灯至终端计算机发送熄灭警示灯命令，同时终端计算机向隧道口的可变情报板发布警示信息，可变情报板显示警示信息提醒进入隧道车辆注意减速慢行。规避前方隧道内故障车辆。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域内的熟练的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，而不背离本发明的原理和实质。本发明的范围仅由所附权利要求书限定。

Claims (4)

1.一种高速公路隧道停车定位检测和联动报警装置，其特征在于：包括：

停车定位检测装置：用于通过检测周围环境因车辆行驶经过而产生的光照度变化，判断车辆相对该停车定位检测装置的位置和行驶状态，向终端计算机发送数据，并接收终端计算机发布的控制信号点亮或熄灭警示灯；

终端计算机：通过ZigBee设备与隧道内多个停车定位检测装置无线通信，用于接收和分析所有停车定位检测装置发送的数据，判断车辆在隧道内的位置和行驶状态，并向停车定位检测装置发布控制命令，控制可变情报板发布警示信息；

ZigBee设备：用于接收停车定位检测装置发送的数据并传输给终端计算机；

可变情报板：用于接收并显示终端计算机发布的警示信息；

所述的停车定位检测装置还进一步包括：

警示灯：根据处理器模块发出的控制信号点亮或熄灭；

双元可见光照度检测电路：用于检测周围环境因车辆行驶经过而产生的光照度变化，并转换成电压信号；

处理器模块：用于将电压信号转换成数据，分析数据并判断车辆相对停车定位检测装置的位置和行驶状态，同时向ZigBee设备发送数据，并根据接收的控制命令点亮或熄灭警示灯。

2.根据权利要求1所述的高速公路隧道停车定位检测和联动报警装置，其特征在于：所述的可见光照度检测电路进一步包括光敏电阻、电阻、电容和运算放大器，其中，第一光敏电阻与第二光敏电阻组成串联电路，该串联电路的一端连接电源管理模块，另一端接地；第一光敏电阻和第二光敏电阻的连接点处连接第一电阻一端、第二电阻一端，第一电阻的另一端连接运算放大器的同相输入端和第一电容的一端，第一电容的另一端接地；第二电阻的另一端连接第二电容一端、第三电阻一端和运算放大器的反相输入端，第三电阻的另一端、第二电容的另一端同时连接运算放大器的输出端。

3.根据权利要求1所述的高速公路隧道停车定位检测和联动报警装置，其特征在于：所述的处理器模块通过DIO接口连接警示灯，用于处理器模块接收终端计算机发布的控制命令后被点亮，警示过路车辆。

4.采用权利要求1所述的高速公路隧道停车定位检测和联动报警装置对高速公路隧道进行停车定位检测和联动报警的方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1、停车定位检测装置通电后自检及初始化，隧道内多个停车定位检测装置和ZigBee设备组网形成一个无线通信网络；

步骤2、停车定位检测装置使用双元可见光照度检测电路利用两个相同规格的光敏电阻分别检测被菲涅尔透镜分隔成左、右两个检测区域的可见光照射强度，当有车辆行驶经过时，车辆将顺序通过两个检测区域，两个光敏电阻因被车灯照射到的光照强度不同，从而形成电阻值的差异，致使在两个光敏电阻间的电压信号产生波动，并通过处理器模块将电压信号转换成数据，处理器模块通过分析数据的数值变化判断电压信号波动的完整性，当电压信号的波动方式为从稳定状态向下运行到波谷、再从波谷向上运行到波峰、再从波峰返回至稳定状态时，车辆正常行驶经过该停车定位检测装置，当电压信号未完成上述的波动方式时，车辆停车在该停车定位检测装置，当电压信号没有波动时，没有车辆经过该停车定位检测装置；

步骤3、停车定位检测装置通过ZigBee设备将电压信号转换的数据和判断结果发送到终端计算机，终端计算机对数据和结果进行存储；

步骤4、终端计算机系统接收隧道内所有无线通信网络内的停车定位检测装置发送的数据并分析车辆在整个隧道内行驶的过程，根据每个停车定位检测装置发送的数据及采集时间还原电压波动信号的变化，当车辆在隧道内正常行驶时沿途的停车定位检测装置将会按顺序逐一产生电压波动信号；当车辆在隧道内因故障或其他原因而停车时，在车辆停车前经过的停车定位检测装置仍将产生电压波动信号，在车辆停车位置附近的停车定位检测装置将产生不完整的电压波动信号，在车辆未经过的停车定位检测装置则不会产生电压波动信号，终端计算机可根据产生电压波动信号的完整性及连贯性判断车辆所在位置及行驶状态；

步骤5、终端计算机向距离停车位置最近的停车定位检测装置及与行车方向相反至一个停车视距内的所有停车定位检测装置发送控制命令，停车定位检测装置接收到控制命令后点亮警示灯至终端计算机发送新的控制命令，同时终端计算机向隧道口的可变情报板发布警示信息，可变情报板显示警示信息提醒进入隧道车辆注意减速慢行，规避前方隧道内故障车辆。

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