基于高速公路自能源的LED交通标志
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摘要 通过能量转换器将高速公路中车辆行驶过程中的风能、声能、振动能、光能中的一种或几种转换成电能，利用所生产的电能智能控制LED交通标志发光，在低能见度情况下以远优于普通反光膜标志的视认性能实现远距离道路识别，本文针对此相关问题进行了分析。
【关键词】高速公路 自能源 LED交通标志
高速公路自能源，即一种具有强耦合性、互补性、开放性，能够实现智能控制，将高速公路中不同种类能源转换成自己所需能源，集生产与消费于一身的自治能源主体。基于高速公路自能源的LED交通标志主要设置在超速道外侧，它包括道路自能源转换器、电能储存器、智能控制模块、LED光组。伴随社会经济的不断发展，高速公路里程会不断发展，同时在多样复杂的路况条件下，如何确保行车安全是道路交通行业发展需要关注的首要问题。设计和应用自能源的LED交通标志对于保证道路交通安全具有現实意义。
1 高速公路交通标志应用现状
高速公路通过技术手段预防由于道路状况、道路环境、道路线形、气候等客观因素造成的交通事故，在路边设置反光膜标志是常用方法，以黄光反光膜标志为主。而根据相关部门的实地调研及数据调查统计，在弯道、上下坡度大的坡道等地形复杂路段，司机视野会不断变化，雨雾天气、夜间能见度低以及隧道等不良道路通行条件下，道路反光膜标志的视认性能会显著降低，甚至不能被识别，极易引发交通事故。在夜晚、隧道内部、包括雨雾天气等光线暗的环境中设置更为有效的道路标识，让驾驶员更容易正确判断行车方向和障碍物，可以极大地减少事故，增加交通安全性。
2 高速公路自能源的LED交通标志设计与应用
2.1 LED交通标志的设计原理
以声控开关作为车辆目标检测器，利用车辆行驶过程中较大的噪声（车辆行驶过某点，声音大概为70分贝，具体数值因具体车辆和车速以及距离而定），设置出发声音传感器的阈值，若声音传感器被触发则说明将有车辆即将通行，输送信号给MCU以点亮该LED光组。与此同时，该LED标志灯桩内的智能控制模块通过无线模块发送编序为0的信息，几乎瞬时的告知下一LED标志灯桩有车即将来临。下一LED标志灯桩则点亮自身的LED光组。以此类推，因此可通过算法改进的方式，控制当有车来临时，同时点亮了从第1个到第N个LED标志，即控制0到L（实例优选为L=300m）的路段当车经过上一个LED标志灯桩后，声音传感器到N个的电平信号会逐渐减少，上一个LED灯桩熄灭自己的LED光组的同时会发送编序为1的信息，告知车已经经过该点，此第N+1个LED标志灯，以保证始终有距离车为L的范围内所有的LED标志灯都点亮。
2.2 能量转换器的设计与应用
能量转换器是LED交通标志应用的关键。通过能量转换器将道路上汽车行驶时产生的风能、噪声能、振动能以及灯光能中的一种或多种能源，转换为电能储存到电能储存器中。本设计主要以风能转换为主，汽车在行车道带来的风使得风叶片转动，带动发电机产生交流电，再经过整流器使得交流变成直流，最后将电传输给储电系统，在储电的同时又通过放电直接将直流电提供给负载。
2.3 电能储存器的设计与应用
锂离子储电系统包括锂离子电池和电池保护电路以及稳压电路。能量转换器转换得的交流电，通过整流器流出的直流进入锂离子储电系统内。
首先稳压电路将电压降到一定的数值，然后给锂离子电池充电，当电池充满后，电池保护电路自动断开充电，将多余的电通过电线传到地下。在负载需要用电时，电能储存器可以及时的给负载提供电能。
2.4 其他传感器与场景的应用
根据自身传感器的性质，亮灯的方式有以下针对各类有需求的场景性进行识别和优化：
2.4.1 夜间启动
LED交通标志内的智能控制模块中使用DS1302时钟芯片，DS1302为涓流供电，功耗极低。利用时钟芯片的输出信号，MCU可以计算出当前的具体时间（年、月、日、时、分、秒）。为此可以做到每个季节的夜间能开启该系统，而天明之后开始关闭。
2.4.2 白天的阴暗天气
智能控制模块采用接近人眼分光的GY30光强传感器，利用GY30接近人眼分光的特性，可较为准确的得出对人而言此时的光照能见度情况，设置阈值，针对实时天气的光照变化，并将信息发送给控制核心—MCU，再由MCU输出控制信息。可在阴暗天气（阴暗天气的可能受雾霾、雨雾的影响）情况下开启系统，在能见度低下时，能够通知MCU开启LED标志。在不同能见度低下的情况下，还可通过光强传感器输出的具体信号，以MCU输出PWM的形式控制标志灯的亮度，而在天气可见光充分良好的情况下又能关闭。
2.4.3 雨雾天气使用温湿度传感器
DHT11，使系统在能见度低的天气下，唤醒系统工作。我们都知道雨天或者大雾天气环境的湿度会上升，在大量实验数据进行检测的基础上通过对DHT11调整好阈值。当超过或者等于该湿度阈值时，识别天气为雨雾天气，唤醒该系统进行工作，保证道路的安全性。
3 结语
利用高速公路自能源驱动LED交通标志，整个系统采用自能源，系统能源自给自足，不需要另外布线，降低布线成本和人力成本。不需要电网和受限于日照和安装场地的太阳能供电，小电源各自独立，可以避免规模集中供电情况下发生交通事故时由于触电引发二次事故，在高速公路领域具有可行性与适用性。
参考文献
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