CN109040162A - 基于太阳能的高速公路物联网*** - Google Patents

基于太阳能的高速公路物联网*** Download PDF

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贾国荣
陈显祥
杜少波
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Abstract

本发明涉及一种基于太阳能的高速公路物联网***。包括云端服务平台及供电***，所述云端服务平台通过英特网、至少一个传感网络与终端传感器模块及终端控制器模块连接；所述云端服务平台包括云计算中心、数据中心及灾备中心；终端传感器模块包括PM2.5检测模块、能见度检测模块、道路车辆检测模块；所述终端控制器模块包括空气过滤器控制模块、隧道灯控制模块、道路信息显示屏控制模块；所述供电***，用于给各模块提供电能。本发明充分利用太阳能作动力减少或消除高速公路尾气的影响，并利用这些空气过滤设备配套成传感网，建立高速公路物联网***，在环保节能的基础上建立了高速公路的大数据信息***，还可以用来控制隧道照明设备以达到节电的目的。

Description

基于太阳能的高速公路物联网***
技术领域
本发明涉及一种基于太阳能的高速公路物联网***。
背景技术
以雾霾监测为主的高速公路环境监测(包括PM2.5、能见度、负 离子甚至温湿度、噪声等环境信息)越来越引起人们的高度重视，部 分省市建立了交通气象台，凸显了高速公路环境监测环境改善的重要 性。目前还没有通过高速公路沿线的太阳能空气过滤设备配套安装信 息终端节点构成高速公路传感网，汇聚各种信息并存储于云端数据中 心，并经计算处理后智能控制沿线的空气过滤设备和耗能设施设备， 以及提供沿线的路况、气象信息等的相关***。
发明内容
针对上述现有技术中的不足之处，本发明旨在提供一种建立高速 公路物联网***，在环保节能的基础上建立了高速公路的大数据信 息***，控制隧道照明设备以达到节电的目的，提供各种高速公路 沿线的安全信息或气象信息以及向行车驾驶员提供路况信息的基 于太阳能的高速公路物联网***。
为解决上述技术问题，本发明的基于太阳能的高速公路物联网系 统，包括云端服务平台及供电***，所述云端服务平台通过英特网、 至少一个传感网络与终端传感器模块及终端控制器模块连接；
所述云端服务平台包括云计算中心、数据中心及灾备中心；
所述云计算中心，用于实时处理全部终端节点的信息及管理控制 整个网络的节点，以及向用户推送道路信息；
所述数据中心，用于存储所有节点传送来的信息数据及云端服务 平台的管理信息数据，以及用户的使用信息数据；
所述灾备中心，用于备份数据中心的数据，保证在意外情况下数 据中心的数据不被丢失；
所述终端传感器模块包括PM2.5检测模块、能见度检测模块、道 路车辆检测模块；
所述PM2.5检测模块，用于检测高速公路沿线的PM2.5的数值， 通过传感网的网关将数据汇总到云端服务平台的数据中心，并由云计 算中心实时计算处理；
所述道路车辆检测模块，用于检测是否有车辆行驶，通过云端服 务平台计算处理后，提供给终端控制器模块开/关相应的隧道灯；
所述能见度检测模块，用于检测道路上的能见度，数据通过云端 服务平台计算处理后，提供给终端控制器模块显示能见度甚至通知高 速入口关闭高速公路；
所述终端控制器模块包括空气过滤器控制模块、隧道灯控制模块、 道路信息显示屏控制模块；
所述空气过滤器控制模块，用于开/关空气过滤器净化高速公路的 空气；
所述隧道灯控制模块，用于开/关隧道灯，保证在无车辆行驶的情 况下特别是深夜关闭隧道灯；
所述显示屏控制模块，用于显示道路信息，包括堵车路段、危险 路段、大雾路段、结冰路段、封闭路段；
所述供电***，用于给各模块提供电能。
优选的，所述供电***为太阳能供电***，利用太阳能电板产生 电量，蓄电池储存，通过稳压电路将太阳能输出的12v直流电压稳压 到5v供给各模块使用。
优选的，所述PM2.5传感器模块为PM2.5传感器，能够测量空气 中0.3～10微米悬浮颗粒物浓度。
优选的，所述道路车辆检测模块为声音传感器，能将检测到的数 据发送给云端服务平台，通过云计算中心实时处理后发送控制信息去 控制相应的隧道灯开启和关闭。
优选的，所述终端控制器模块采用单片机芯片，其型号为 STC12C5052AD，其内存多，有5K Flash程序存储器，工作电压为5V， 适应性强。
优选的，所述能见度检测模块采用声音检测的方法，进行对能见 度的检测。
优选的，所述空气过滤器控制模块为HEPA空气过滤器。
优选的，所述传感网络为3G/4G/5G网络。
本发明基于太阳能的高速公路物联网***具有以下优点：充分利 用太阳能作动力减少或消除高速公路尾气的影响，并利用这些空气过 滤设备配套成传感网，建立高速公路物联网***，在环保节能的基础 上建立了高速公路的大数据信息***，还可以用来控制隧道照明设备 以达到节电的目的，也可以以此传感网为基础提供各种高速公路沿线 的安全信息或气象信息，还可以在此基础上向行车驾驶员提供路况信 息，以此建立的高速公路物联网***可以构成未来车联网关于“路” 方面的基础设施，为车联网的建设，构建“车-路-人”的完整环节中提 供了关键的一个环节。
附图说明
图1为本发明的基于太阳能的高速公路物联网***的***图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术 方案进行清楚、完整地描述。
如图1所示，本发明的基于太阳能的高速公路物联网***，包括 云端服务平台1及供电***7，所述云端服务平台1通过英特网5、至 少一个传感网络6与终端传感器模块3及终端控制器模块4连接；
所述云端服务平台1包括云计算中心11、数据中心12及灾备中心 13；
所述云计算中心11，用于实时处理全部终端节点的信息及管理控 制整个网络的节点，以及向用户推送道路信息；
所述数据中心12，用于存储所有节点传送来的信息数据及云端服 务平台1的管理信息数据，以及用户的使用信息数据；
所述灾备中心13，用于备份数据中心12的数据，保证在意外情况 下数据中心12的数据不被丢失；
所述终端传感器模块3包括PM2.5检测模块31、能见度检测模块 32、道路车辆检测模块33；
所述PM2.5检测模块31，用于检测高速公路沿线的PM2.5的数值， 通过传感网的网关将数据汇总到云端服务平台的数据中心，并由云计 算中心实时计算处理；
所述道路车辆检测模块32，用于检测是否有车辆行驶，通过云端 服务平台1计算处理后，提供给终端控制器模块4开/关相应的隧道灯；
所述能见度检测模块33，用于检测道路上的能见度，数据通过云 端服务平台1计算处理后，提供给终端控制器模块4显示能见度甚至 通知高速入口关闭高速公路；
所述终端控制器模块4包括空气过滤器控制模块41、隧道灯控制 模块42、道路信息显示屏控制模块43；
所述空气过滤器控制模块41，用于开/关空气过滤器净化高速公路 的空气；
所述隧道灯控制模块42，用于开/关隧道灯，保证在无车辆行驶的 情况下特别是深夜关闭隧道灯；
所述显示屏控制模块43，用于显示道路信息，包括堵车路段、危 险路段、大雾路段、结冰路段、封闭路段；
所述供电***7，用于给各模块提供电能。
进一步的，所述供电***7为太阳能供电***，利用太阳能电板 产生电量，蓄电池储存，通过稳压电路将太阳能输出的12v直流电压 稳压到5v供给各模块使用。
进一步的，所述PM2.5传感器模块31为PM2.5传感器，能够测 量空气中0.3～10微米悬浮颗粒物浓度。
进一步的，所述道路车辆检测模块32为声音传感器，能将检测到 的数据发送给云端服务平台1，通过云计算中心11实时处理后发送控 制信息去控制相应的隧道灯开启和关闭。
进一步的，所述终端控制器模块4采用单片机芯片，其型号为 STC12C5052AD，其内存多，有5K Flash程序存储器，工作电压为5V， 适应性强。
进一步的，所述能见度检测模块33采用声音检测的方法，进行对 能见度的检测。
进一步的，所述空气过滤器控制模块41为HEPA空气过滤器。
更进一步的，所述传感网络6为3G/4G/5G网络。
具体的，供电***7的蓄电工作原理：供电***7的原理基础是 半导体PN结的光生伏特效应，所谓光生伏打效应就是当物体受到光照 时，物体内的电荷分布状态发生变化而产生电动势和电流的一种效应。 当太阳光或其他光照射半导体的PN结时，就会在PN结的两边出现电 压。白天太阳光照射到太阳能组件上，使太阳能电池组件产生一定幅 度的直流电压，把光能转换为电能，再传送给智能控制器，经过智能 控制器的过充保护，将太阳能组件传来的电能输送给蓄电池进行储存。
稳压电路：将太阳能输出的12v直流电压稳压到5v供单片机使用。
稳压芯片L78055：LM7805三端稳压集成电路是将7.5v到20v的 电压稳压到5v输出。
输入电压：220v交流电。
最大输出电流：1.2A。
考虑到太阳能供电受环境影响比较大，当太阳能供电不足时，使 用220v电压供电，保证该***正常工作。
本发明***采用STC12C5052AD芯片的工作频率：0～35MHz， 相当于普通8051：0～420MHz，256Byte SRAM，5K Flash程序存储 器，512Byte×4个扇区的EEPROM(与程序存储区分开)系列工作电 压：5.5V-3.4V，具有加密性强，无法解密，超强抗干扰的优点。内 部集成MAX810专用复位电路，15个I/O口，8路AD；掉电模式：典 型功耗<0.1μA，空闲模式：典型功耗<1.3mA，正常工作模式：典型 功耗2.7mA-7mA，掉电模式可由外部中断唤醒，在本***中，通过 外设的各种终端传感节点采集环境信息后，将数据通过IIC总线发送到 终端控制器模块4上，经终端控制器模块4整理之后，再将数据通过 英特网5或传感网络6将数据发回到云端服务平台1进行处理。
本发明的PM2.5传感器，当PM2.5传感器检测周围环境后会得到 相应的数据，且数据格式如下：
字节序号 名称 备注
0 报文头 AA
1 指令号 C0
2 数据1 PM2.5低字节
3 数据2 PM2.5高字节
4 数据3 PM10低字节
5 数据4 PM10高字节
6 数据5 0(保留)
7 数据6 0(保留)
8 校验和 校验和
9 报文尾 AB
M2.5数据内容：PM2.5(ug/m3)＝((PM2.5高字节*256)+PM2.5低 字节)/10
PM10数据内容：PM10(ug/m3)＝((PM10高字节*256)+PM10低 字节)/10
PM2.5检测网空气质量新标准，
根据PM2.5检测网的空气质量新标准，24小时平均值标准值分布 表格如下：
通过PM2.5终端传感节点得到数据后，经终端控制节点计算得到 实时的PM2.5浓度，将其发回云端数据中心，参照上表格即可知道当 天的空气质量等级。
目前我国公路隧道路灯都采用“昼夜灯恒照度”方式，此方式的 能源利用率不高，而且在后半夜车流量较小时或没车的时候就造成资 源的浪费，所以我们需要一个监测是否有车辆进入隧道的装置。
运用压感传感器检测车辆是否通过，该模块内部用压电陶瓷片加 弹簧重锤结构检测振动信号，并通过LM358等运放放大并输出控制信 号，具有成本低、灵敏度高、工作稳定可靠，振动检测可调节范围大 的优点，传感器可与单片机、无线发射模块、有线警号等配套使用， 用途十分广泛。
对其参数说明：额定工作电压：12VDC最低工作电压：＞5V。 输出方式：检测到一次振动输出1秒的下拉信号。接线标志：红色： +12V(正极)，黑色：GND(负极)，蓝色：信号输出，检测到一次振 动输出1秒的下拉信号，可以和单片机接口。经358运放输出，没有 震动时无输出，检测到一次振动输出1秒负脉冲；振动检测的灵敏度 连续可调，可以通过灵敏度调节旋钮调节，顺时针灵敏度增加，逆时 针灵敏度降低。
采用HEPA空气过滤器，采用国际标准尺寸规格，对≥0.3μm颗 粒的过滤效率在99.97％以上，用电脑控制的全自动折叠机***进行喷 胶折叠，折叠高度范围可在22～96mm之间无级调节，专用玻璃纤维 滤纸作为滤材。
IIC即Inter-Integrated Circuit(集成电路总线)，这种总线类型是用 来连接整体电路，IIC是一种多向控制总线，也就是说多个芯片可以连 接到同一总线结构下，同时每个芯片都可以作为实时数据传输的控制 源。这种方式简化了信号传输总线接口。可以使两个I2C主设备中的 任何一个与共享资源连接。PCA9545可以使两个I2C主设备在互不连 接的情况下与同一个从设备相连接，从而简化了设计的复杂性。I2C总 线允许连接不同传送速率的设备。多台设备之间时钟信号的同步过程 称为同步化。此外，以单器件替代了I2C多个主设备应用中的多个芯 片，有效节省了***成本。
IIC使用的连线少；I2C串行总线一般有两根信号线，一根是双向 的数据线SDA，另一根是时钟线SCL；所有接到I2C总线设备上的串 行数据SDA都接到总线的SDA上，各设备的时钟线SCL接到总线的 SCL上。
IIC传输不易混乱，为了避免总线信号的混乱，要求各设备连接到 总线的输出端时必须是漏记开路(OD)输出或集电极开路(OC)输出。 设备上的串行数据线SDA接口电路应该是双向的，输出电路用于向总 线上发送数据，输入电路用于接收总线上的数据。而串行时钟线也应 是双向的，作为控制总线数据传送的主机，一方面要通过SCL输出电 路发送时钟信号，另一方面还要检测总线上的SCL电平，以决定什么 时候发送下一个时钟脉冲电平；作为接受主机命令的从机，要按总线 上的SCL信号发出或接收SDA上的信号，也可以向SCL线发出低电 平信号以延长总线时钟信号周期。总线空闲时，因各设备都是开漏输 出，上拉电阻Rp使SDA和SCL线都保持高电平。任一设备输出的低 电平都将使相应的总线信号线变低，也就是说：各设备的SDA是“与” 关系，SCL也是“与”关系。为了进行通讯，每个接到I2C总线的设 备都有一个唯一的地址，以便于主机寻访。主机和从机的数据传送， 可以由主机发送数据到从机，也可以由从机发到主机。凡是发送数据 到总线的设备称为发送器，从总线上接收数据的设备被称为接受器。
总线对设备接口电路的制造工艺和电频都没有特殊的要求 (NMOS、CMOS都可以兼容)。在I2C总线上的数据传送率可高达每 秒十万位，高速方式时在每秒四十万位以上。另外，总线上允许连接 的设备数以其电容量不超过400pF为限。服务器终端控制模块与云端数据储存中心的GPRS通信。
因特网5为通用分组无线服务技术(General Packet Radio Service) 的简称，它是GSM移动电话用户可用的一种移动数据业务。GPRS可 说是GSM的延续。GPRS和以往连续在频道传输的方式不同，是以封 包(Packet)式来传输。因此使用者所负担的费用是以其传输资料单位 计算，并非使用其整个频道，理论上较为便宜。GPRS的传输速率可提 升至56甚至114Kbps。RS经常被描述成“2.5G”，也就是说这项技术 位于第二代(2G)和第三代(3G)移动通讯技术之间。它通过利用 GSM网络中未使用的TDMA通信，提供中速的数据传递。GPRS突破了GSM网只能提供电路交换的思维方式，只通过增加相应的功能实体 和对现有的基站***进行部分改造来实现分组交换，这种改造的投入 相对来说并不大，但得到的用户数据速率却相当可观。而且，因为不 再需要现行无线应用所需要的中介转换器，所以连接及传输都会更方 便容易长度的包(分组)，每个包的前面有一个分组头(其中的地址标 志指明该分组发往何处)。数据传送之前并不需要预先分配信道，建立 连接。而是在每一个数据包到达时，根据数据报头中的信息(如目的 地址)，临时寻找一个可用的信道资源将该数据报发送出去。在这种传 送方式中，数据的发送和接收方同信道之间没有固定的占用关系，信 道资源可以看作是由所有的用户共享使用。由于数据业务在绝大多数 情况下都表现出一种突发性的业务特点，对信道宽度的需求变化较大， 因此采用分组方式进行数据传送将能够更好地利用信道资源。
因特网5主要实体包括GPRS骨干网、GGSN、SGSN、本地位置 寄存器HLR、移动交换中心(MSC，拜访位置寄存器(VLR)、移动台、 分组数据网络(PDN)、短消息业务网关移动交换中心(SMS.GMSC)和 短消息业务互通移动交换中心(SMS.IWMSC)等。
数据实现分组发送和接收，56～115Kbps的传输速度，相对于GSM 的9.6kbps的访问速度而言，是非常的。GPRS拥有171.2kbps的访问 速度；在连接建立时间方面，GSM需要10-30秒，速度10倍于GSM， 还可以稳定地传送大容量的高质量音频与视频文件，可谓不一般的巨 大进步。而对于费用而言，GSM是按连接时间计费的，而GPRS只需 要按数据流量计费；GPRS对于网络资源的利用率而相对远远高于 GSM。
云端服务平台1，当各个模块将所收集到的信息整理后，通过因特 网5将数据发给云端服务平台1，云端服务平台1在收到各个模块传来 的数据后，进行数据处理与分析，然后发送数据给空气过滤器控制模 块41、隧道灯控制模块42、道路信息显示屏控制模块43，当车辆经过 时向行车驾驶员提供预警。
显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是 全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没 有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明 保护的范围。

Claims (8)

1.一种基于太阳能的高速公路物联网***，其特征在于：包括云端服务平台(1)及供电***(7)，所述云端服务平台(1)通过英特网(5)、至少一个传感网络(6)与终端传感器模块(3)及终端控制器模块(4)连接；
所述云端服务平台(1)包括云计算中心(11)、数据中心(12)及灾备中心(13)；
所述云计算中心(11)，用于实时处理全部终端节点的信息及管理控制整个网络的节点，以及向用户推送道路信息；
所述数据中心(12)，用于存储所有节点传送来的信息数据及云端服务平台(1)的管理信息数据，以及用户的使用信息数据；
所述灾备中心(13)，用于备份数据中心(12)的数据，保证在意外情况下数据中心(12)的数据不被丢失；
所述终端传感器模块(3)包括PM2.5检测模块(31)、能见度检测模块(32)、道路车辆检测模块(33)；
所述PM2.5检测模块(31)，用于检测高速公路沿线的PM2.5的数值，通过传感网的网关将数据汇总到云端服务平台(1)的数据中心(12)，并由云计算中心(1)实时计算处理；
所述道路车辆检测模块(32)，用于检测是否有车辆行驶，通过云端服务平台(1)计算处理后，提供给终端控制器模块(4)开/关相应的隧道灯；
所述能见度检测模块(33)，用于检测道路上的能见度，数据通过云端服务平台(1)计算处理后，提供给终端控制器模块显示能见度甚至通知高速入口关闭高速公路；
所述终端控制器模块(4)包括空气过滤器控制模块(41)、隧道灯控制模块(42)、道路信息显示屏控制模块(43)；
所述空气过滤器控制模块(41)，用于开/关空气过滤器净化高速公路的空气；
所述隧道灯控制模块(42)，用于开/关隧道灯，保证在无车辆行驶的情况下特别是深夜关闭隧道灯；
所述显示屏控制模块(43)，用于显示道路信息，包括堵车路段、危险路段、大雾路段、结冰路段、封闭路段；
所述供电***(7)，用于给各模块提供电能。
2.根据权利要求1所述的基于太阳能的高速公路物联网***，其特征在于：所述供电***(7)为太阳能供电***，利用太阳能电板产生电量，蓄电池储存，通过稳压电路将太阳能输出的12v直流电压稳压到5v供给各模块使用。
3.根据权利要求1所述的基于太阳能的高速公路物联网***，其特征在于：所述PM2.5传感器模块(31)为PM2.5传感器，能够测量空气中0.3～10微米悬浮颗粒物浓度。
4.根据权利要求1所述的基于太阳能的高速公路物联网***，其特征在于：所述道路车辆检测模块(32)为声音传感器，能将检测到的数据发送给云端服务平台(1)，通过云计算中心(11)实时处理后发送控制信息去控制相应的隧道灯开启和关闭。
5.根据权利要求1所述的基于太阳能的高速公路物联网***，其特征在于：所述终端控制器模块(4)采用单片机芯片，其型号为STC12C5052AD，其内存多，有5K Flash程序存储器，工作电压为5V，适应性强。
6.根据权利要求1所述的基于太阳能的高速公路物联网***，其特征在于：所述能见度检测模块(33)采用声音检测的方法，进行对能见度的检测。
7.根据权利要求1所述的基于太阳能的高速公路物联网***，其特征在于：所述空气过滤器控制模块(41)为HEPA空气过滤器。
8.根据权利要求1所述的基于太阳能的高速公路物联网***，其特征在于：所述传感网络(6)为3G/4G/5G网络。
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