一种高速公路事故检测和信号灯控制系统的制作方法

本实用新型涉及高速公路信息化的技术领域，具体涉及一种高速公路事故检测和信号灯控制系统。

背景技术：

高速公路的快速发展，给人们的出行带来了方便，同时也引发了一系列行车安全问题。相比普通的交通事故，高速公路的交通事故具有损失大、危害重、救援难等特点。根据统计数据显示，2011年，我国高速公路共发生道路交通事故9564起，造成6412人死亡。二次事故多发问题形势严峻，以江西省为例，2011年的21起3人以上事故中，有3起是二次事故。因此，建立一种高速公路交通事故报警系统，快速发布报警信息，提高事故的报警速度，并向来车方向做出警示，将大幅减小二次事故的发生和事故的死亡率。

交通事故检测分为人工检测和自动检测。人工检测指监控人员通过监控中心的视频监视来判断事故的发生，进而实施现场救援，该方法效率低和实时性差。自动检测主要是利用安装在高速公路上的摄像机、微波检测器、环形感应线圈等来实现对车辆信息的采集，进而对交通流进行控制和判断事故的发生。哈尔滨工业大学研发的VTD2000系列交通信息采集系统和清华大学的智能交通系统VS3001均实现了交通流信息与部分交通事件的视频检测功能，但在实际的推广当中效果并不明显，还远远没有达到实际应用的要求，稳定性与可靠性有待实际验证。国家“七五”公关项目完成的广佛高速公路监控系统是我国第一条比较完备的高速公路监控系统；1993年6月建成的合宁高速公路监控系统是一套比较完善的国产化的大型电子系统工程；类似的还有沈大、沪宁高速公路监控系统。这些系统的应用主要集中在部分路段，欠缺预防二次事故的功能，从识别事故到应急处理的响应时间较长，且易受雨雪天气影响导致检测精度低，指示灯具功能单一且布设密度低。

本实用新型一种采用全新的通信线路、用简单可靠的方式识别事故和发布信息的监控系统。本实用新型监控中心可对高速公路的目标路段的指示灯发出控制命令，提供道路信息并引导车流。同时，系统可自动地对事故地点来车方向的车辆做出报警提示，以减少二次事故的发生。

技术实现要素：

针对高速公路交通事故报警速度慢、二次事故危害大的技术问题，本实用新型提出一种高速公路事故检测和信号灯控制系统。

为了解决上述技术问题，本实用新型的技术方案是：一种高速公路事故检测和信号灯控制系统，包括上位机系统和至少一个下位机系统，下位机系统通过互联网与上位机系统相连接，所述上位机系统包括显示器、工作站和交换机，显示器与工作站相连接，工作站与交换机相连接；所述下位机系统包括GPRS模块、网关节点、第一中继节点、第二中继节点、控制节点和灯具，网关节点通过GPRS模块与上位机系统的交换机相连接，网关节点与第一中继节点相连接，第一中继节点和第二中继节点设置在高速公路的两侧，第一中继节点通过ZigBee技术与高速公路对面的第二中继节点相连接，第一中继节点与第二中继节点均与控制节点相连接，控制节点与灯具相连接，灯具设置在高速公路两侧的护栏上。

进一步地，所述显示器通过VGA接口与工作站相连接，工作站通过RJ45接口与交换机相连接；所述网关节点通过RS232接口与GPRS模块相连接，交换机为以太网交换机，GPRS模块通过互联网与交换机相连接；所述网关节点通过CAN总线与第一中继节点相连接，第一中继节点和第二中继节点均通过RS485总线与控制节点相连接。

进一步地，所述网关节点的数量设有若干个，网关节点均通过GPRS模块与上位机系统的交换机相连接；每个网关节点下的第一中继节点和第二中继节点的数量均设有至少两个，第一中继节点之间通过CAN总线相连接；所述控制节点的数量设有至少两个，控制节点均与灯具相连接，控制节点之间通过RS485总线相连接。

进一步地，所述第一中继节点和第二中继节点的数量设有10个，相邻第一中继节点之间的距离为1Km，相邻第二中继节点之间的距离为1Km；所述控制节点的数量设有10个，相邻控制节点之间的距离为100m。

进一步地，所述灯具上设有报警按钮。

进一步地，所述网关节点为设有RS232接口和CAN控制器的单片机，RS232接口与GPRS模块相连接，CAN控制器与第一中继节点相连接。

进一步地，所述第一中继节点包括设有RS232接口、RS485接口和2个CAN控制器的单片机和第一ZigBee模块，RS232接口与第一ZigBee模块；所述第二中继节点包括设有RS485接口和RS232接口的单片机和第二ZigBee模块，第二ZigBee模块与RS232接口相连接，第二ZigBee模块通过ZigBee技术与第一ZigBee模块相连接；所述RS485接口均与RS485总线相连接。

进一步地，所述控制节点为设有RS485接口和I/O接口的单片机，RS485接口与RS485总线相连接，I/O接口与灯具相连接。

进一步地，所述网关节点、控制节点、第一中继节点和第二中继节点上均设有电源模块，电源模块包括线性稳压器，电源模块与电源相连接；电源包括太阳能板和蓄电池，太阳能板与蓄电池相连接。

本实用新型将CAN总线、RS485总线、ZigBee通信和GPRS无线通信技术相结合，实现了事故快速报警、事故地点定位和报警指示灯控制等功能，且其报警速度快、正确率高，实时性强、可靠性高，具有较高的应用价值。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型的结构示意图。

图2为本实用新型网关节点的原理图。

图3为本实用新型第一中继节点的原理图。

图4为本实用新型第二中继节点的原理框图。

图5为本实用新型控制节点的原理图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

如图1所示，一种高速公路事故检测和信号灯控制系统，包括上位机系统和至少一个下位机系统，下位机系统通过互联网与上位机系统相连接，一个上位机系统可以与多个下位机系统相连接。上位机系统包括显示器1、工作站2和交换机3，显示器1与工作站2相连接，工作站2与交换机3相连接，交换机3将下位机系统采集的数据传送至工作站2，同时交换机3将工作站2发出的控制指令传送至下位机系统，显示器1用于显示工作站2采集的数据。上位机系统位于监控中心，操作人员在工作站2上发出对下位机系统中的灯具的控制指令，这些指令信息包括限速信息、靠左或靠右行驶信息以及报警信息。下位机系统包括GPRS模块5、网关节点4、第一中继节点6、第二中继节点9、控制节点7和灯具8。网关节点4通过GPRS模块5与上位机系统的交换机3相连接，网关节点4与第一中继节点6相连接，第一中继节点6和第二中继节点9设置在高速公路的两侧，第一中继节点6通过ZigBee技术与第二中继节点9相连接，第一中继节点6与第二中继节点9均与控制节点7相连接，控制节点7与灯具8相连接，灯具8设置在高速公路两侧的护栏上。第一中继节点6与第二中继节点9轮询的与控制节点7进行通信，当控制节点连接正常时，控制节点7返回正常的帧信息，若高速公路上有事故发生，某个控制节点7与第一中继节点6或第二中继节点9的通信线路被撞断时，第一中继节点6或第二中继节点9将无法接收到相应控制节点7的应答信息，此时第一中继节点6或第二中继节点9将检测到该信息，该信息传送至网关节点4，网关节点4根据信息内容会直接向下发布指令，控制事故点来车方向的一定范围内灯具8的报警闪烁，提醒后方车辆减速，以防止二次事故发生；同时，网关节点4通过GPRS模块5向上位机发出报警信息。

优选地，显示器1通过VGA接口与工作站2相连接工作站2通过RJ45接口与交换机3相连接，实现数据和视频的传输。网关节点4通过RS232接口与GPRS模块5相连接，交换机3为以太网交换机，GPRS模块5通过互联网与交换机3相连接。网关节点4通过CAN总线与第一中继节点6相连接，第一中继节点6和第二中继节点9均通过RS485总线与控制节点7相连接。

优选地，灯具8上设有报警按钮，若高速公路上有事故发生，事故当事人可以按下灯具8上的报警按钮进行报警，第一中继节点6和第二中继节点9将收到带有报警按键按下的信息时，发出报警信息。

优选地，网关节点4的数量设有若干个，网关节点4均通过GPRS模块5与上位机系统的交换机3相连接。

每个网关节点4下的第一中继节点6和第二中继节点9的数量均设有至少两个，第一中继节点6之间通过CAN总线相连接。CAN总线具有较高的位速率和高抗电磁干扰性，并具有自动检错功能，可较好的保证系统的可靠性。控制节点7的数量设有至少两个，控制节点7均与灯具8相连接，控制节点7之间通过RS485总线相连接。距离较近或高速公路对面的第一中继节点6和第二中继节点9之间通过ZigBee技术相连接，可以实现数据和控制指令的稳定传输。第二中继节点9与控制节点7之间通信的控制指令和数据信息，通过与网关节点4相连接的第一中继节点6进行传输。第二中继节点9检测到报警信息将通过距离较近或高速公路对面的第一中继节点6上传，也通过距离较近或高速公路对面的第一中继节点6接收网关节点4的指令，并转发给与其连接的控制节点7，从而控制灯具8的发光。

如图1所示，第一中继节点6和第二中继节点9的数量设有10个，第一中继节点6包括节点B1-节点B10，第二中继节点9包括B1’节点-B10’节点。B1’节点-B10’节点分别设置在节点B1-节点B10所在高速公路的对面。相邻第一中继节点6之间的距离为1Km，相邻第二中继节点9之间的距离为1Km。控制节点7的数量设有10个，相邻控制节点7之间的距离为100m。第一中继节点6下的控制节点7为节点C1-C10，第二中继节点9下的控制节点7为节点D1-D10。下位机系统采用三层网络布局，第一层是网关层，该层包括网关节点和GPRS模块，采用GPRS无线通信；第二层是中继层，该层的中继节点包括第一中继节点（B1节点-B10节点）和第二中继节点（B1’节点-B10’节点），采用CAN总线通信和ZigBee无线通信；第三层是控制层，该层的控制节点包括C1-C10节点和D1-D10节点，采用RS485总线通信。

如图2所示，网关节点4为设有RS232接口和CAN控制器的单片机，该单片机为STM32F103VET6微控制器，RS232接口的电路选用SP3232芯片，RS232接口与GPRS模块5相连接。CAN控制器选用TJA1050芯片，CAN控制器与第一中继节点6相连接。网关节点4上设有电源模块选用AMS1117-3.3芯片，实现将电压5V转为3.3V。

如图3所示，第一中继节点6包括设有RS232接口、RS485接口和2个CAN控制器的单片机和第一ZigBee模块。RS232接口与第一ZigBee模块相连接，RS485接口与RS485总线相连接。第一中继节点6的单片机核心选用STM32F105R8T6，它是针对需要互联和实时性能的应用而设计的互联型32位ARM微控制器。第二中继节点9包括设有RS485接口和RS232接口的单片机和第二ZigBee模块，选用宏晶科技（STC）公司的STC12C5A32S2单片机，它是高速、低功耗、超强抗干扰的1T单片机，其完全兼容传统8051单片机的指令集，且运行速度较传统51单片机快8至12倍，可满足系统的功能、功耗和可靠性需求。RS232接口与第二ZigBee模块相连接，第二ZigBee模块与第一ZigBee模块相连接，RS485接口与RS485总线相连接。第一中继节点6和第二中继节点9上设有电源模块，电源模块选用基于TPS54331芯片的单片开关电源电路实现电压12V转5V和基于AMS1117-3.3芯片实现电压5V转3.3V。第一中继节点6与第一ZigBee模块分开设计，第二中继节点9与第二ZigBee模块分开设计，提高了ZigBee模块的通用性。

如图4所示，控制节点7为设有RS485接口和I/O接口的单片机，RS485接口与RS485总线相连接，I/O接口与灯具8相连接，控制灯具8和采集灯具8上的报警按键信息。

网关节点4、控制节点7、第一中继节点6和第二中继节点9上均设有电源模块，电源模块包括线性稳压器，电源模块与电源相连接。电源包括太阳能板和蓄电池，太阳能板与蓄电池相连接。

网关节点4的作用是：转发上位机指令和处理第一中继节点6和第二中继节点9发送来的报警信息。网关节点4接收上位机系统的指令后提取指令内容，再按照CAN总线的数据帧格式将信息转发给第一中继节点6。在收到第一中继节点6的报警信息时，网关节点4首先提取报警地点信息，根据该信息设置接收指令的起始节点地址，进而下发指令给第一中继节点6进而去控制来车方向一定距离内的灯具闪烁报警灯。第二中继节点9通过RS485总线轮询向与其连接的控制节点D1-D10发送确认连接的指令，并用串口中断接收各个控制节点D1-D10返回的答复指令，以此判断各个控制节点7所处位置是否发生事故导致RS485总线被刮擦、撞断或者有报警按键按下。一旦第二中继节点9判断有事故发生或有报警按键按下，便停止检测，转而通过ZigBee模块10向其匹配的第一中继节点6发送报警信息；在串口中断收到第一中继节点6对报警信息的答复后，便等待控制命令；否则再次向第一中继节点6发布一次报警信息。第一中继节点6在实时检测与其连接的控制节点7的工作过程，第二中继节点9检测与其连接控制节点7的类似，一旦检测到事故发生，第一中继节点6便通过CAN控制器发送报警信息给前一个第一中继节点6或网关节点4的CAN控制器，然后等待控制命令。报警的第一中继节点6前面的各个第一中继节点6不分析CAN控制器中断接收到的信息，而直接在中断程序中将信息通过CAN控制器发送给前一个CAN控制器。控制节点7的主要功能是中断接收第一中继节点6或第二中继节点9的确认连接信息，若位于其后面的灯具8的报警按键未被按下，则返回正常的信息；一旦报警按键被按下，便在中断程序中设置相应标志位，并返回带有报警按键被按下的消息给相应的第一中继节点6或第二中继节点9。

本实用新型的下位机系统负责道路事故和报警按键信息的采集和上传、上位机系统控制指令的接收和转发以及灯具的信号控制；上位机系统提供了人机交互界面，负责显示道路事故报警信息和发布信号灯具的控制命令。采用基于CAN总线和RS485总线的树形系统结构，可靠性好、可拓展性强。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。