ti物联网设计大赛参赛方案智能路灯及交通信息管理装置

1、TI 物联网设计大赛参赛方案项目名称：智能路灯及交通管理装置团队名称：菜鸟 1 号队员名字：赵吉阳，敏，一、 项目设计背景及概述随着的发展，人民生活水平的提高，汽车增加的速度远远超过道路的基础设施的建设速度，造成了大量的交通拥挤，交通设施的善会浪费时间，而且很可能造成事故。为了满足人们对实时路况和环境情况的及时了解，所以就有了智能交通管理装置的需求。本装置以 TI 的 MSP430F5438A为处理器，通，同时配置 PM2.5过当前路口摄像头的对于该路口的车流量有所传感器和温度传感器，对于当前的环境情况进行检测，对于上一个路口安装超声波传感器对该路段车流量情况进行，这样可以让车辆提前分流，提高

2、交通管理效率。利用对光照度的检测对路灯的亮灭进行智能目的，所有数据通过 WIFI 模块统一上传到上位机，使，可以达到节约能源的能够及时的了解实时路况，进而提高交通管理效率。二、 项目设计原理1、原理概述1 能通过摄像头图像并将图像以无线的方式发送给上位机 PC 机，要求所的图像具有较高的清晰度，传输过不能失真；2 上位机 PC 机利用 LabVIEW实现数字图像处理，利用背景差法可以检测出短时间静止的车辆（长时间静止的车辆可以归为背景），也不受车速快慢的限制图像处理采用 LabVIEW 的 IMAQ Vision 工具包，编程简单，图像处理较为理想；3 能利用 WIFI 无线收发模块实现数据的

3、发送与接收，要求数据的传输具有较高的速度，达到实时的要求；4 能利用下位机得出当前十字路口实时的路况。器拟采用 TI 公司的；MSP430F5438A5 可对实时环境情况进行监测，PM2.5、当前的温度；6 利用当前光照度的检测可以实现对路灯开关的智能，节约能源。7利用超声波检测的距离变化，可以对于该路段车流量进行，即可提前对该路段进行车辆分流。2、硬件设计原理（1）主电路本电路以 TI 公司的 MSP430F5438A 为主控，它是一个 16 位超低功耗微器，有 256KB 闪存、16KB RAM、12 位 ADC、4 个 USCI、32 位 HW 乘法器。图 1MSP430F5438A 原

4、理图系统采用外接 25MHz 晶振作为时钟信号。配置最小系统，留有 JTAG 口可以现场编程，RS232 串口可以通信。（2）PM2.5 灰尘传感器本电路中采用的是 GP2Y1010AU 灰度传感器，它是通过检测灰尘的浓度来发出脉冲，然后根据电间上的变化输出电压，然后通过判定式来得到 PM2.5的值。它的驱动脉冲周期 T：10ms，脉冲宽度 Pw：0.32ms，取样时间：0.28ms。判定值 = 检出浓度(mg/m3)K(V/(0.1 mg/m3) +无尘时输出电压 10(V)k 为检出感度。特性曲线为图 2PM2.5 的工作特性曲线（3）超声波传感器本电路中采用的超声波传感器为 HC-SR0

5、4 型号，有 Vcc、Trig（端）、Echo（接收端）、 Gnd 四个端口。它的使用是口发一个 10US 以上的高电平,就可以在接收口等待高电平输出.一有输出就可以开定时器计时,当此口变为低电就可以读定时器的值,此时就为此次测距的时间,方可算出距离.如此不断的周期测,就可以达到移动测量的值了。图 3 超声波传感器工作原理：采用 IO 触发测距，给至少 10us 的高电平信号; 模块自动发送 8 个 40khz 的方波，自动检测是否有信号返回； 有信号返回，通过 IO 输出一高电平，高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间测试距离=(高电间*声速(340M/S)/2。图 4 部分模块电路（

6、4）WIFI 模块本电路采用的是 RAK413WIFI 模块，它是一款完全符合 802.11b/g/n 无线协议的 WI-FI 模块，内部集成完整的 TCP/IP 协议栈， 支持 ARP、IP、ICMP、TCP、UDP、DHCP者 SPI 接口发送、DHCP SERVER、HTTP、DNS 等多种协议。主机通过 UART 或AT 命令与模块通信，用户可以方便、快速地使用本模块实现组网及数据收发，在 UART 接口下，模块最大传输速率可达 640kbps。RAK410 支持参数保存，重启后自动连接，减少系统组网时间。模块有 5 电源管理模式， 最小待机功耗为 0.5uA，完全满足客户低功耗设计。

7、图 5 wifi 模块电路图 6RAK413 模块WIFI 模块的数据发送与接收SPI 总线作为全双工接口，可以同时进行数据的收发，但是发送命令及接收返回值则为模式，即模块接收命令时不发送任何有效数据(都为 0)，发送返回值时模块也不接收任何主机发送过来的数据，如图图 7WIFI 数据发送接收如果模块有其他异常数据(无线连接、断开、TCP 断开、连接、无线数据， 详见接收数据)需要发送，模块会在接收空闲时或者在等待命令接收完毕后，首先发送异常数据，然后发送返回值，如图图 8异常数据发送（5）温度传感器采用 DS18B20 温度传感器，具有体积小，硬件开销低，能力强，精度高的特点。独特的一线接口

8、，只需要一条口线通信 多点能力，简化了分布式温度传感应用 无需外部元件，可用数据总线供电，电压范围为 3.0 V 至 5.5 V 无需备用电源，测量温度范围为-55 C 至+125 。华氏相当于是-67 F 到 257 华氏度 -10 C 至+85 C 范围内精度为0.5 C。图 9DS18B20 传感器（6）光照度路灯要想测得环境中光照强度的值，必须要有一定的感光元件，硅光电池就是其中用的比较 多的一种传感器。光电池是一种特殊的半导体二极管，能将可见光转化为直流电。有的光电池还可以将红 外光和紫外光转化为直流电。本次设计所使用到的光电池是型号为 SP-10A 的二脚直插式硅光电池，其外形如图

9、 10 所示。图 10 SP-10A 硅光电池在图 1 所示的硅光电池中，顶部“E”型的方块区域即为受光区，改变这部分的光通量即会改变光电池的电动势。情况下“E”型右侧为正极，左侧为负极。读者可用万用表自行检测，通过不同程度的遮挡受光区，观察光电池的输出电压有何变化。硅光电池的工作原理：硅光电池是一种利用光生效应制成的光电转换器件，通过将光信号转变为电信号来检测待测量。光电池工作原理，当光照射PN结时，原子受激发而产生一空穴对，由于和空穴分别向两极移动而产生电动势，两极接入电路就能产生电流了。硅光电池是一种直接把光能转换成电能的半导体器件。它的结构很简单，个大面积的PN结如图2所示。部分是一图

10、11 硅光电池结构示意图硅光电池响应 短(10-1010-6s)，光电池转换效率高(目前转换效率高达275的硅光电池已经研制 )。若有lm2的这种光电池，在足够的阳光照射下，可以产生100多瓦的电能。硅光电池主要有两个方面的应用，即作为电源和作为光电检测器件的应用。硅光电池 作为测量元件使用时，应当作电流源，不宜作电压源。硅光电池的基本特性：硅光电池的基本特性：伏安特性、光照特性和光谱特性等。在本次设计中，主要使用了硅光电池的光照特性，因此在此主要。本特性，其他特性请读者自行查看硅光电池的光照特性指在不同光照强度下，硅光电池的短路电流和开路电压的大小。具体如图4所示。图 12 硅光电池的光照特

11、性曲线在图 3 所示的光照特性曲线中，可以清楚的看到，当照度在 2000Lx 之前，硅光电池的开路电压随着光照度的增加迅速上升，而照度在 2000Lx 之后，开路电压基本上趋于平坦，即达到了饱和状态（这是由硅光电池的内部特性决定的），但是其短路电流与照度的却比，这也就是在硅光电池工作原理部分最后提到硅光电池作为测量元件使用时，应当作电流源，不宜作电压源的。图 13 光照度路灯电路光电转换与信号前置放大电路。改进后的光电检测电路在放大器的输出和检测电路的输 出之间加一个 RC 滤波电路，这样就限制了放大器输出信号的带宽，滤掉经过放大的噪声和放大器本身的噪声。该电路具有较高的信噪比；电阻 R3 采

12、用了温度系数小的精密电阻，从而电流/电压转换放大电路的性。硅光电池电流的方向从上到下，由因此在R4上会产生一个压降，又由的特性“虚断”可得到该电流全部流经电阻R4，特性“虚短”可得到，的2端和3端电势相同，3端与地连接，故这两端电势均为零，从而1端输出的电势就等于R4上的压降，注意电流的流动方向是从R2的右端流向左端，因此1端的输出电压为正电压。根据硅光电池的光照特性曲线可知，硅光电池的短路电路与光照度比，带任何负载后形成的电流都不再是短路电流，也就谈不上与光照度5所示的电压所使用的电流就能看作是短路电流。比这个，下面来探讨为还是从特性出发，“虚短”特性表明，2端和3端电压相同，即硅光电池负载

13、电阻RL=0，相当于硅光电池工作时处于短路状态，因此硅光电池的电流就能看作短路电流；由于的输入电阻很大，因此可看成该短路i电流全部流经R2，所以输出端所得到的电压Vo为：Vo=iR2输出电压Vo是硅光电池的短路电流放大R2倍的结果，另外此电压也与从上式可知，光照度比。根据以上推导过程可以得到：光照度与I/V转换后输出的电压 的计算公式可由下式表示。Lx=Vox上式中Lx为所要显示的光照度，x为比例系数。比，因此光照度检测到的光照度经过处理将数据送给处理器，通过改变 IO 口的状态来路灯的亮灭。4、设计原理（1）LABVIEW 设计原理利用机器视觉系统进行几何量测量时，得到的图像是以像素为来表的

14、对示的。如果要给出实际的测量结果数值，必须建立数字图像像素与实际应。因此在测量之前，需要首先对从图像坐标系转换到工作台坐标系的转换系数进行标定。标定实际上就是确定每一个像素所表示的实际物理。标定的准确与否，将直接影响图像测量系统的测量精度。传统的标定对畸变图像的标定比较繁琐，用标定的结果数据也不方便。该文解决这一问题。了一种基于 LabVIEW平台的标定，可以很在 LabVIEW 平台下对机器视觉系统进行标定与其他的标定显著的不同是：传统的标定基于 IMAQ Vision是简单的确定像素与实际之间的比例；而包的标定可以用优化的算法将复杂的标定与图像结合，实现了像素坐标到实际工件坐标的转换，并将

15、标定的结果与模式识别模板、无损文字叠加等一起保存为 png 文件，方便地应用到后续处理中。基于LabVIEW 的标定共有两种：(1)基于点阵模板进行的，需要输入点阵模板在 x方向和 y 方向两点之间的实际距离；(2)是直接输入一系列像素点的坐标和相对应的实际坐标。(2)在实际测量中是不容易实现的，因此这里主要讨论第一种。标定的过程分为标定模板的学习、标定的进行、标定个步骤：1）模板的学习的储存与3机器视觉系统实际的成像总会产生畸变，畸变线性畸变和非线性畸变。线性畸变是由于镜头的安装没有严格的与工作平面垂直，而非线性畸变是由于视觉系统设计的复杂性和工艺水平等因素的影响。为了校正畸变，常常采用具有

16、明显分辨特征的点阵模板进行标定，如采用均匀分布的圆形点阵模板，如图 9 所示。图 9 圆形点阵模板在 LabVIEW 函数选板中选择函数一 视觉与 Vision Utilities一Calibration,有 9 个与标定相关的节点。其中最主要的一个节点是 IMAQ LearnCalibration Template，即学习模板的节点。这个节点是整个标定过程的，有3 个主要的输入端：image，Calibration LearnSetup，Grid Descriptor。image 输入端用于输入标定模板的图像。Grid Deseriptor 输入端就是输入相应点阵模板的信息，这些主要X St

17、ep、Y Step、Unit，分别代表在点阵模板茗方向上相邻两个圆圆心的实际距离，Y 方向上相邻两个圆圆心的实际距离以及距离的。Calibration LearnSetup 输入端主要是用于设置标定的种类，简单的标定、线性标定和非线性标定。当精度要求不高，不需要考虑畸变的影响的时候，将此输入端设置为简单的标定。但是在精度要求高的时候也需要考虑畸变的影响，这时将 Calibration LearnSetup 输入端设置为非线性畸变，因为按照非线性畸变进行标定也可以考虑到线性畸变的影响。设置完成后，该模板的标定模板图像中，作为接下来图像标定的依据。2）标定的进行将包含在对模板学习后，开始对到的图像

18、进行标定。在 LabVIEW 中选择 IMAQ SetCalibration Info 节点，该节点有两个输入端 Image Src 和 Image Dst，Image Src 输入端连接设置后的模板图像，Image Dst 就是需要标定的图像。两幅图像必须有相同的类型和大小。Image Dst 图像将根据 Image Src 中的标定进行标定。经过了这个节点，图像的显示并没有改变，但是标定已经完成。此后再对图像中的工件进行几何量的测量时，得到的结果就是实际的结果，不再需要换算，就是在Grid Descriptor 中定义的Unit。此节点的输出Calibrated Image 包含有和Ima

19、geSrc 一样的标定，可以作为下一次标定的 Image Src。如果需要显示畸变后的图像，再连接一个 IMAQ Correct Calibrated Image 节点即可。3)标定标定和的与是包含在图像就是对图像的和图像中的，因此对标定的的和。通过 IMAQ Write Image And Vision Info节点可以将包含标定And Vision Info 节点可以的图像保存为 prig 文件；通过 IMAQImage。通过png 文件，获得相应的图像和标定这两个节点的应用，可以方便的保存并对位置不变，就不需要重新标定。标定，只要摄像头和工作台的相要用现实世界的来表述测量结果，除了确定各

20、个像素与实际的变换外，还需要定义一个坐标系。定义一个坐标系需要、角度以及极轴的方向。在安放点阵模板时将模板与测量工作台对齐，这样就可以利用点阵模板来确定坐标系。测量坐标系也可以分为直接坐标系和非直接坐标系。直接坐标系采用最左下方的圆点圆心作为，非直接坐标系采用最左上方的圆点圆心作为原点，再根据点阵模板的两条边沿作为茗轴和 Y 轴。定义好坐标系后，测量得到的结果将在新的坐标系下，用实际给出。为了使结果更加明显，这里以一种畸变比较严重的情况来说明。在有畸变的情况下，点阵模板的图像如图 10。在相应的环境下了一幅硬币的图像如 11 图。图 10 畸变的点阵模板图 11 畸变的硬币在这里知道点阵模板中两个圆点间的距离是 063cm。根据上面的步骤学习点阵模板，对硬币图像进行标定，然后求出硬币的面积并且进行图像得到