Detector de Trafic Ultrasonic cu Transmisie de Date In Infrarosu

LUCRARE DE LICENȚĂ

Detector de trafic ultrasonic cu transmisie de date în infraroșu

Cuprins

CAPITOLUL 1 – Sisteme Inteligente

de Transport

1.1 Introducere

Sistemele Inteligente de Transport (ITS – Intelligent Transport Systems) reprezintă rezultatul aplicării unor tehnologii avansate în sisteme și metode de transport pentru sustentabilitatea, confortul și siguranța transportului pe căile rutiere, feroviare, navigabile interioare, aeroporturi, porturi și legăturilor dintre aceste tipuri de transport diferite. ITS-ul cuprinde o gamă vastă de tehnologii ce sunt aplicate sistemelor actuale de transport, pentru ajuta la eficientizarea traficului, reducerea congestiilor de trafic, creșterea mobilității, minimizarea impactului de mediu, reducerea consumului de energie și creșterea productivității economice.

Sistemele Inteligente de Transport cuprind o gamă largă de comunicații fără fir și fără linii, bazate pe tehnologiile informației, controlului și electronicii. Atunci când sunt integrate în infrastructura sistemului de transport și chiar în vehicule, aceste tehnologii sprijină monitorizarea și administrarea fluxului traficului, reducerea congestiei, furnizarea de rute alternative călătorilor, mărirea productivității, salvarea de vieți omenești și economisirea de timp și bani.

Sistemele inteligente de transport furnizează experților din domeniul transporturilor instrumente pentru colectarea, analizarea, prelucrarea, comunicarea și arhivarea datelor referitoare la caracteristicile sistemelor de transport.

Sistemele ITS sunt utilizate pentru:

automatizarea managementului traficului;

suportul operațiilor de transport public;

management la cerere;

servicii pentru informarea călătorilor și planificarea călătoriei;

managementul parcului de vehicule și al mărfurilor;

managementul incidentelor și suport pentru servicii de urgențe;

servicii de plată electronică și colectare a taxelor;

tehnologii avansate la bordul vehiculelor.

1.2 ITS – proiecte urbane și interurbane

Mediu urban

Soluții și proiecte legate de:

Echiparea arterelor intersecțiilor cu sisteme de semaforizare;

Sisteme de Management al Transportului Public;

Sisteme adaptive – cu detectoare de vehicule – în intersecții, artere, rețele de străzi;

Parcaje închise sau deschise;

Echipamente pentru sisteme de parcare;

Sisteme de informare a conducătorilor auto, a pietonilor și călătorilor din stații și din mijloacele de transport public.

Mediu interurban

Soluții și proiecte legate de:

Echiparea drumurilor în afară localităților, drumurilor expres, autostrăzilor;

Panouri de mesaje variabile;

Detectoare de trafic și mediu;

Speed enforcement;

Supraveghere video;

Echipamente și sisteme de taxare;

Sisteme Centrale de Management al drumurilor și autostrăzilor

1.3 Concepte ITS

Conceptele principale referitoare la fuctionalitatea sistemelor ITS au fost împărțite în următoarele 3 categorii:

coordonare – din această categorie fac parte acele concept propuse sau implementate de operatori sau acelea care sunt în primul rând funcrii ale unei organizații de trafic sau ale altei organizații;

implementarea – această categorie conține acele concept recomandate pentru implementare cu cel mai mare potențial în ceea ce privește beneficiile;

monitorizarea – această categorie reunește acele concept care pot fi implementate după o perioada de timp sau pot fi implementate mai devreme în condițiile în care tehnologia se modifică rapid de la o tehnologie mai puțin matură la una matură.

În cadrul ariei funcționale a ITS-ului mai sunt integrate urmatoarele concepte secudare:

managementul centralizat – ITS realizează unificarea și coordonarea de ansamblu a diferitelor acțiuni ale operatorilor de trafic sau ale autorităților competente.

trasarea de linii directoare – pentru implementarea sistemelor inteligente în transporturi, pe baza unor arhitecturi bine definite: Acțiunea în comun a factorilor de decizie pentru stabilirea celor mai adecvate subsisteme ITS pentru o anumită zonă sau regiune și trasarea liniilor directoare pentru realizarea implementării se fac pe baza arhitecturilor ITS la nivel național.

adaptibilitatea și integrarea cu sisteme conexe – reprezintă un concept ce presupune caracterul de permanentă adaptare a unui ITS la schimbările de natură tehnologică, socială, politică sau administrative și posibilitatea de interconectare cu sisteme diferite, aparținând eventual altor moduri de transport.

1.4 Sisteme avanste de management al traficului (ATMS)

Reprezintă subsisteme integrate, destinate dirijării asistate a traficului rutier urban sau interurban pe arii extinse, prin utilizarea tuturor categoriilor de tehnologii disponibile în acest domeniu: detecția și identificarea vehiculelor, comunicația de date și voce, prelucrarea datelor, distribuirea informațiilor.

Sistemele ATMS sunt, în general, destinate îmbunătățirii condițiilor de trafic și creșterii siguranței.

În cadrul ATMS fac parte Sistemele de Management al Traficului Urban (UTMC), sistemele telematice de management al semnalizării în intersecții (realizează un complex de semaforizare sincronizată a mai multe intersecții – cu undă verde și transmisii de informații de la un semafor la celălalt, ce poate fi dinamică, în funcție de valorile de trafic înregistrate de senzori). Unele sisteme de acest gen nu mai utilizează pentru semafoarele izolate transimisa sincronizării prin cablu, ci prin radio sau preiau semnalul de sincronizare de la sateliții GPS. Aceste echipamente devin și mai inteligente dacă sunt dotate cu televiziune cu circuit închis și permit o semnalizare dinamică.

1.5 Sisteme avansate de management al transportului public

Sistemele avansate de management al transportului public (APTS) sunt destinate managementului parcurilor de vehicule pentru transportul public, din mai multe puncte de vedere. Ele pot lucre în conjugație cu ATMS pentru asigurarea de prioritate la semafoare a vehiculelor de transport public care se situează în urma graficului de călătorie. Sunt dotate cu mijloace de detecție și identificare a vehiculelor pe rute, pentru a genrea situații de trafic în timp real și a permite operatorilor de transport public să ia decizii de plaificare și administrare a acestiua în condiții bune.

Aceste sisteme se mai numesc și PTM (Management al Transportului Public). Mai multe țări au dezvoltat astfel de sisteme. Până la ora actuală nu au avut loc implementări în care integrarea cu sistemele UTMC să fie realizată încă din fază de proiectare, însă aceasta este tendința.

1.6 Sisteme avansate de contol pentru vehicule (AVCS)

Sunt acea categorie de sisteme ITS destinate platformelor mobile de transport, cu aplicații ce inculd:

îmbunătățirea condițiilor de siguranță a conducerii vehiculelor;

sisteme de ghidare a vehiculelor pe drum;

sisteme de anunțare automată în caz de incident;

sisteme de detecție automată a obstacolelor pe drum.

1.7 Operațiuni pentru vehicule comerciale (CVO)

Reprezintă un set de aplicații destinate asistării operării vehiculelor comerciale, în genul sistemelor de management al resurselor intreprinderilor. Aceste aplicații se ocupă cu:

managementul flotelor de vehicule comerciale;

administrarea resurselor;

cântărirea automată;

clasificarea vehiculelor și managementul încărcăturilor.

1.8 Sisteme de management al traficului (UTC)

Sistemele de management al traficului (UTC – Urban Traffic Control) reprezintă modalități de dirijare și control centralizat al traficului rutier pe arii extinse, ce înglobează tehnologii ITS pentru detecția, prelucrarea, transmiterea și distribuția informațiilor legate de trafic. În ultima vreme se pune tot mai mult accentul pe combinarea sistemelor de management al traficului cu monitorizarea condițiilor de mediu și poluarei, dirijarea transportului public urban, realizdu-se astfel un grad tot mai mare de integrare a acestor sisteme.

Sistemele UTC pot oferi baza pentru un sistem de control extins, în general denumit Controlul și Managementul Traficului Urban (UTMC – Urban Traffic Management and Control). Acestea includ operarea de vehicule pentru servicii de urgență și prioritatea transportului public, cum a fi prioritatea autobuzelor și integrarea cu sistemele de informare, ca de exemplu panourile cu mesaje variabile, sisteme de informare a conducătorilor auto în timp real și sisteme de ghidare de rută, precum și informarea privind locurile de parcare.

Sistemele UTC trebuie să asigure siguranța și calitatea traficului, de aceea funcționarea corectă nu trebuie sa fie singura lor caracteristică, acestea trebuie să sesizeze peronalul de la mentenanță în cazul unor defecțiuni al unui automat de trafic, senzor, sisteme de comunicații etc. Pentru aceste sarcini se ocupă anumite sisteme auxiliare de monitorizare a stării de funcționare și de management al defectelor și reparațiilor.

Cele mai cunoscute sisteme sisteme UTC sunt: ITACA, SCOOT, UTOPIA, SCATS, RHODES, UTOPIA-SPOT. Mai jos este prezentat un tabel cu o comparație între caracteristicile câtorva sisteme, acestea avand acordate calificative:

1.8.1 Sistemul ITACA

Sistemul de reglare a traficului ITACA se încadrează în categoria sistemelor adaptive, deci necesită instalarea de sezori de trafic. Planurile de semnalizare pentru fiecare intersecție sunt optimizate în funcție de cererea de trafic (grad de ocupare și intensitate de trafic).

Sistemul de lucru al modelului adaptiv ITACA se bazează pe o structură ciclică în patru faze:

obținerea datelor de trafic din fiecare automat de trafic;

simularea comportamentului traficului;

optimizarea variabilelor din planul de temporizare ITACA pentru fiecare controler înmagazinat în calculator;

modificarea timpilor de semnalizare în automatele de trafic.

Datele de trafic sunt colectate prin detectoare de tip buclă (unul pe fiecare bandă) și detectoare electromagnetice, amplasate, de obicei, în amonte fața de linia de stop a semaforului care reglează traficul pentru fiecare legătură de intrare în intersecție. Apoi, automatele conectate la aceste bucle înregistrează și calculează cererea reală de trafic pentru fiecare bandă.

Aceste profile evaluează la fiecare cinci secunde, adică cu aceeași frecvență cu care calculatorul central transmite cererea de date de trafic (intensitate și timp de ocupare) la automatele de trafic. Pe baza datelor precedente, modulul adaptive dezvoltă profilele de ciclu ce sunt folosite de modelul de simulare.

Pe baza profilelor cererilor de trafic elaborate conform datelor de trafic, modulul adaptiv al sistemului ITACA dezvoltă, prin modele și algoritmi de simulare, o diagramă de intercorelare numită Vehicule-Timp prin intermediul căreia calculează evoluția începutului și sfârșitului coloanei, pe fiecare intrare, în intersecțiile semaforizate.

Optimizarea se realizează în mai multe faze după cum urmează:

optimizarea divizării în faze constă în definirea celei mai bune valori a timpilor pentru diferitele faze variabile care formează ciclul de semaforizare. Scopul acestei optimiăzri este minimizarea întârzierilor calculate prin modelul de simulare.

optimizarea decalajului constă în definirea celei mai bune coordonări între intersecțiile adiacente. Scopul acestei optimizări este minimizarea numărului de opriri și al întârzierilor totale, calculate cu ajutorul modelului de simulare.

optimizarea ciclului constă în definirea duratei acestuia pentru intersecțiile dintr-o subzonă, așa încât capacitatea acesteia să fie adaptată la cererea reală de trafic.

Sistemul ITACA asigură controlul, în timp real, al traficului rutier prin calcularea celei mai bune soluții pentru fiecare intersecție și prin adaptarea secvențelor de semnalizare în mod continuu, pentru a satisface cererea de trafic inregistrată de senzori.Sistemul produce schimbarea, într-o plajă restrânsă și în mod continuu, a unui set de parametrii de semnalizare, pentru evitarea efectelor negative, precum perturbarea traficului și întârzierile la restabilirea acestuia.

Datia.

Datele colectate la fiecare cinci secunde permit calculul numărului de vehicule ce călătoresc în zone înguste de drum de-a lungul unei “legături” dintre două intersecții, pentru a determina, totodată, și modul de distribuție a cererii de trafic pe perioadă unui ciclu. Scopul acestei acțiuni este de a atinge procesul de coordonare optim al semnalizării rutiere. Cunoașterea momentului în care vehiculele ajung la linia de stop a unei intersecții îi permit sistemului să determine poziționarea ferestrei de semnalizare permisivă (verde) în interiorul ciclului, astfel încât vehiculele să treacă prin intersecție fără oprire sau să oprească cel mult pentru o durată minimă de timp.

Aceste date colectate la 5 secunde sunt, apoi, utilizate de către un model de trafic, iar proiecțiile generate de simulări servesc la estimarea următoarelor valori:

lungimea coloanei de vehicule (cozii) pentru fiecare secundă a ciclului, produsă de durata actuală a culorii verzi a semaforului;

durata de parcurgere a legăturii, pentru fiecare secundă din ciclu;

numărul de opriri pe fiecare legătură, pentru fiecare secundă din ciclu;

cererea produsă de traficul de legătură.

ITACA nu necesită planuri de semnalizare pregătite în avans, deoarece calculează în mod dinamic cel mai adecvat plan, optimzând, în timp real, mișcările vehiculelor prin rețeaua de drumuri și intersecții acoperită.

Controlul adatpiv este o caracteristică a sistemelor inteligente de transport și trebuie supervizat, de asemenea, de un sistem intelligent, care poate analiza caracteristicile de trafic la nivelul întregii rețele rutiere de drumuri și intersecții. Cel mai flexibil instrument pentru această supervizare este un sistem expert. Acest sistem beneficiează de capabilitatile sistemului de bază de a implementa în mod dinamic planuri de semnalizare, prin direcționarea procesului de control în acest sens, în momentul recunoașterii anumitor condiții specifice de trafic, cum ar fi congestia sau precongestia.

1.8.2 Sistemul SCOOT

Sistemul SCOOT (Split Cyrcle Offset Optimisation Technique) permite relarea adaptivă a traficului pe baza măsurii cu ajutorul unor detectoare amplasate în amonte pe legaturile care intră în intersecții. Se creează planuri de semaforizare optimizate pentru un interval de timp și la fiecare ciclu se recalculează durata optimă de semaforizare. Sistemul poate raspunde rapid la modificările de traffic, dar acesta evită fluctuațiile mari în comportamentul controlului ca rezultat al schimbărilor temporare a tipului de traffic. În afara beneficiilor referitoare la educerea întarzierilor și congestiilor de traffic, se oferă și alte facilități, cum ar fi prioritatea autobuzelor sau detecția automată a incidentelor. În comparație cu sistemele cu timp SCOOT a dat rezultate mult mai bune decat sistemele de timp fix.

Rețeaua de drumuri este împărțită în mai multe regiuni, fiecare conținând un anumit număr de noduri) intersecții semnalizate și treceri de pietoni care au același timp de ciclu și permit astfel corelarea. Nodurile pot avea ciclu dublu pentru trecerile de pietoni și intersecțiile mai putțin aglomerate.

Sistemul SCOOT optimizează trei parametric ce sunt adaptați la condițiile de traffic:

timpul de verde pentru fiecare intrare în intersecție; se evaluează efectul decalării schimbului de fază;

decalajul între semnale adiacente

timpul total al ciclului.

Modelarea acestor parametri are ca scop minimizarea timpului de verde pierdut și reducerea numărului de opriri și a întârzierilor prin sincronizarea semafoarelor. Fiecare dintre parametri estimează efectul unor schimbări incrementale minore în timpii de semnalizare asupra traficului din întreaga zonă. Este folosit un indice de performanță bazat pe predicția întârzierilor vehiculelor din fiecare legătură.

Optimizarea divizării pe faze este rulată pentru un nod, într-un punct optim, înaintea fiecărei schimbări de faze. Se ia în considerare efectul scurtării, prelungirii sau menținerii schimbării de fază și efectul acestei schimbări asupra gradului de saturație pe brațele de legătură. Gradul de saturație este definit ca raportul dintre fluxul maxim și fluxul mediu de trafic ce poatetrece peste o linie de oprire. În termeni SCOOT, aceasta se traduce prin raportul între cererea de flux și fluxul de eliberare maxim posibil. În practică înseamnă raportul între cererea profilului de trafic și rata de eliberare (sau gradul de ocupare la saturație) multiplicat cu durata de verde efectiv. Optimizarea divizării pe faze va încerca să minimizeze gradul maxim de saturație pe arterele care se apropiede nod. Dacă gradul mediu de saturație pe o perioadă de cinci minute este mai mare decât celdorit (de obicei 90%) atunci durata ciclului va crește, pentru a oferi o capacitate mai mare în nodul critic. S-a dovedit că prin aceasta sunt minimizate întârzierile. Dacă o arteră de legătură are traficul congestionat este inclusă cu gradul de saturație folosit de optimizare, în momentul luării deciziei. Termenul congestie va permite unei legături congestionate să încerce să obțină un timp de verde mai mare, indiferent de gradul de saturație arătat de model, permițând configurarea factorului de importanță a congestiei pentru artera de legătură.

Optimizarea decalajului este diferența între timpii de start de fază dintre noduri. O dată pe ciclu, optimizarea decalajului folosește profilul de trafic pentru predicția opririlor și întârzierilor din timpul ciclului, pentru toate legăturile din amonte și aval ale unui anumit nod.Prin aceasta se obține cel mai bun decalaj general pentru nod, iar momentul de start pentru nod este ajustat astfel încât să se apropie de acest punct ideal. Optimizarea realizează această predicție pentru fiecare legătură și apoi le însumează pentru un nod. După aceea este făcută alegerea pentru o deplasare spre decalaj, stabilindu-se întârzierea și opririle minime. Congestia pe o arteră este folosită și ea în optimizarea decalajului, astfel încât o legătură congestionată primește prioritate față de legăturile fără congestie. Gradul de prioritate este legat de factorul depondere al congestiei.

Optimizarea duratei ciclului operează asupra unei regiuni de noduri între care este de așteptat să existe trafic variabil. Inginerul de trafic alege această grupare. Optimizarea duratei rulează de obicei la fiecare cinci minute pentru fiecare regiune. În cadrul SCOOT există prevederea ca această optimizare să fie rulată de două ori mai des, dacă se observă o tendință de creștere sau scădere a fluxurilor de trafic. În acest moment, se calculează gradul de saturație pentru toate legăturile,pentru fiecare nod din regiune. Dacă vreunul dintre acestea este egal cu nivelul de saturație ideal (configurabil de utilizator, dar în general 90%), durata minimă a ciclului este crescută în trepte mici fixate. Dacă toate valorile sunt sub nivelul de saturație ideal, durata minimă efectivă aciclului este redusă în trepte mici fixate. Optimizarea ia în calcul toate duratele ciclurilor, de la durata minimă efectivă cea mai mare a ciclului în nodul critic, la durata maximă a ciclului din regiune, care este funcțională în momentul respectiv.

Acestea sunt considerate durate de încercare ale ciclului. Pentru reducerea întârzierilor în intersecțiile cu încărcare foarte mică, optimizarea ciclului poate dubla ciclul în noduri, dacă prin această acțiune se reduce întârzierea în rețea. Deoarece o astfel de schimbare poate produce reduceri ale întârzierilor dacă durata ciclului este schimbată cu valori mari, optimizarea cicluluieste singura optimizare care urmărește efectul schimbărilor mari.

O instanță tipică a unui sistem SCOOT bazat pe UTC trebuie să conțină o unitate centralăde procesare, echipamente de transmisie și terminale PC pentru operatori și imprimante. La sistem sunt legate mai multe stații (terminale adaptate pentru a lucra cu sistemul, PC-uri) și mai multe seturi de imprimante specializate pentru a genera istorice specifice și rapoarte de analiză. Specificațiile detaliate depinzând de nevoile particulare ale proiectului.

1.8.3 Sistemul UTOPIA-SPOT

Sistemul UTOPIA-SPOT reprezintă o strategie de management al traficului rutier urban ce combină optimizarea la nivel local, caracterizată de viteza de răspuns ridicată la schimbările de trafic, cu interacțiunea puternică cu celelalte intersecții și optimizarea globală pe arii extinse. Optimizarea la nivel local facilitează adaptarea unui sistem de prioritizare a transportului public urban, datorită vitezei de răspuns, ceea ce este mai greu realizabil cu o configurație centralizată, mai ales în mari aglomerări urbane, unde transportul public este bine reprezentat și cererea de prioritate la semafor ar putea sufoca sistemul de calcul centralizat. Optimizarea la nivel local reprezintă o funcție obiectivă de analiză a costurilor ce încorporează termeni de calcul pentru întârziere și opriri la stop de pe legăturile care aduc și eliberează traficul din intersecția în cauză, termeni legați de analiza cozilor de vehicule etc. Toți acești termeni sunt configurabili și au ponderi diferite, ce se pot adapta în funcție de caracteristicile legăturilor sau ale ariei supraveghere.

O rețea poate fi divizată într-un număr arbitrar de zone. La limitele acestor zone, interacțiunea dintre intersecțiile învecinate poate coordona în mod selectiv diferitele zone. Cele mai importante elemente în realizarea optimizării traficului sunt estimarea și predicția. UTOPIA-SPOT utilizează tehnici avansate în combinație cu configurațiile flexibile de detecție, precum și date istorice ce permit dirijarea traficului și în absența funcționarii detectoarelor, utilizând istoricul nivelurilor de trafic înregistrate la aceleași date și/sau în aceleași condiții. Realizarea optimizării la nivel local are și un alt mare avantaj, atât pentru sistemul de reglare a traficului, cât și pentru cel de management al transporturilor public: nu încarcă rețeaua cu mesaje, întrucât o bună parte din calculele de optimizare se realizează local, fără a mai fi nevoie să se transmită datele prin sistem. În acest mod se miscșorează durata de răspuns.

În general, optimizarea tradițională a rețelelor de drumuri și intersecții trebuie să se bazeze, în primul rând, pe măsurători ale traficului în rețea. Apoi, se calculează un anumit optim la nivelului rețelei, de exemplu pe durata unui ciclu de semnalizare pentru toată zona .În zonele controlate de sistemul UTOPIA-SPOT optimizările se fac mai întâi la nivelul fiecărei intersectii și apoi la nivelul zonal. La nivelul intersecției, optimizarea consideră că intersecțiile învecinate interacționează cu intersecția în cauză; în principiu, fiecare intersecție își calculează propria optimizare și ciclurile pot varia de la o intersecție la alta.

Un element tehnic semnificativ al sistemului SPOT este că acesta a fost proiectat inițial pentru a acorda prioritate vehiculelor de transport public. Ideea de la baza sistemului SPOT este să execute calculi pentru setarea semafoarelor, în timp real, cu scopul de a minimiza costul socio-economic total al sistemului de trafic.

SPOT este un program special, care operează pe un procesor separat, conectat la automatul de trafic al semaforului printr-o interfață specială. Procesorul poate fi o simplă placă sau poate fi un PC industial complet. Echipamentele SPOT din fiecare intersecție schimbă informații cu vecinele lor, folosind un sistem AVL pentru transportul public, și în același timp comunică cu software la nivel central. În UTOPIA-SPOT pot fi distinse trei niveluri:

nivelul central de calcul;

automatul de trafic;

semafoarele.

Unitatea SPOT este integrată în automatul de trafic și se ocupă de optimizarea locală, parte inteligentă a UTOPIA este concentrată stict în stradă. În acest mod este posibilă construirea treptată a unei rețele zonale, prin conectarea unităților SPOT la diverse intersecții.

UTOPIA realizează optimizarea chiar la nivel local, în intersecție, ceea ce aduce beneficii mari în privința timpului de răspuns și a reducerii nivelului de date transmis prin rețeaua de comunicații.

Sistemul SPOT are scopul de a minimiza timpul total pierdut de vehiculele private în timpul călătoriei lor, ținându-se cont de condiția că vehicul de transport public sau vehicule speciale (salvare, pompieri, poliție) să nu oprească în intersecțiile semaforizate.

Pentru fiecare intersecție sau zonă semaforizată (o zonă este formată din mai multe intersecții conectate) operează un control local, care interacționează cu controlul local al intersecțiilor învecinate, la nivel zonal. Intersecția este privită ca un sistem dinamic discret, în care timpul este divizat în trepte de trei secunde, iar topologia este modelată după un model standard de intersecție.

Pentru fiecare cantitate sau parametru legat de arteră, sunt definite o cantitate sau un parametru pentru legătura, corelată cu o regulă de corespondență. Ca rezultat, modelul de intersecție utilizat de controlul local este format, în principiu, din legături care corespund artereleor de intrare.Elementele implicate în model sunt:

viraje premise;

fluxuri de saturație (pe fiecare viraj);

timp de drum al traficului privat (pe legătură);

timp de traversare a traficului privat (pe viraj);

capacitatea legăturii;

regulile de corespondență arteră/legătură;

conectarea cu intersecțiile adiacente controlate.

Controlul local este format din două medele principale ce interacționează între ele: observatorul stării intersecției și controlul intersecției. Observatorul actualizează cea mai bună estimare a stării intersecției, pe baza tuturor datelor disponibile: numărători de trafic și grupul de semafoare. Elementele de stare ale intersecției sunt vehiculele ce trebuie servite pentru fiecare legătură de intrare, grupate în trepte de trei secunde. În această definire a stării intersecției, vehiculele de transport public sunt tratate în același mod ca vehiculele private.

Pentru garantarea optimizării și corectitudinii controlului la nivel de rețea, funcțiile (de exemplu funcția cost) au fost optimizate. Funcția ia în considerare starea intersecțiilor adiacente, astfel menținând o capacitate în buclă închisă de construire a unei coordonări dinamice a semnalelor, și se află sub restricțiile impuse de limitele date de controlul la nivel zonal.

UTOPIA se ocupă cu un sistem de trafic optimizat, pe baza fluxului de trafic, nu a vehiculelor individuale. UTOPIA răspunde, de asemenea, la situația reală din intersecție, dar “nu uită” situația intersecțiilor învecinate. UTOPIA poate controla intersecțiile din rețele variate, de la cele mici (3-10 intersecții) la intersecții foarte mari.

Sistemul UTOPIA-SPOT este flexibil și are, față de sistemul SCOOT, avantajul că nu încarcă rețeaua de comunicații cu mesaje, deoarece procesarea se face la nivel local sau zonal. De asemenea acest sistem mai are următoarele proprietăți:

poate identifica și recunoaște în timp real variațiile în condițiile de trafic;

acordă suficientă independență fiecărei intersecții pentru a permite modificarea strategiilor locale de semnalizare în conformitate cu cerințele traficului și coordonării intersecțiilor înlănțuite, în funcție de dinamică traficului;

asigură fiecare intersecție cu capacitatea de a schimba informațiile necesare pentru calculul variațiilor coordinate din planurile de semnalizare;

permite autodiagnosticarea prin intermediul unei monitorizări centralizate a stării întregii rețele de semafoare;

continuă să funcționeze și în cazul întreruperii unei componente fundamentale a rețelei;

asigură un grad înalt de modularitate și posibilitatea expansiunii rapide cu intersecții adiacente.

Sistemul UTOPIA-SPOT este folosit pentru prioritizarea în intersecții a vehiculelor de transport public în comun dar poate fi folosit cu o foarte mare ușurință și pentru prioritizarea vehiculelor speciale (poliție,pompieri,salvare) acestea având un regim special de prioritate în toate intersecțiile.

CAPITOLUL 2 – Rolul detectoarelor

de trafic in ITS

2.1 Generalități

Senzorul, detectorul sau traductorul, cum este denumit adesea, are rolul de a detecta trecerea sau prezența unui vehicul sau a osiilor acestuia printr-un anumit punct. Dispozitivul de procesare a semnalelor convertește mărimile de la ieșirea traductorului în semnale electrice. Dispozitivul de procesare a datelor este, de obicei, format din componente hardware și software destinate conversiei acestor semnale electrice în parametri de trafic. Acești parametri de trafic pot include: prezența, numărarea, viteza, clasificarea, intervalul între vehicule, direcțiea de deplasare, gabaritul, greutatea și durata de tranzit. Dispozitivul de procesare a datelor se poate constitui ca parte a senzorului (traductorului) sau poate fi reprezentat de un controler în afara acestuia, legat prin dispozitive de separare galvanică, cum ar fi, de exemplu, releele electromagnetice.

Sistemele de detecție sau supraveghere se pot clasifica cel mai bine după modul în care este afectat traficul la montarea acestora, acestea putand fi intrusive sau neintrusive.

Sisteme de detectie sau monitorizare cu interacțiune în trafic, numite și intrusive, sunt acele echipamente care, pentru instalare, este necesară efectuarea unor lucrari specifice (șanțuri, gropi în carosabil etc.) și care au ca efect întreruperea traficului și un grad redus de deplasare al sistemelor de detectie. Sistemele din aceasta categorie, considerate deja clasice sunt:

blucle inductive

magnetometrele

senzorii microbuclă

detectoarele pneumatice rutiere

detectoarele piezoelectrice rutiere cu cabluri sau alte tehnologii de cântarire în mișcare etc.

Sistemele de detecție sau monitorizare fară interacțiune în trafic, numite și neintrusive, sunt acele echipamente ieftine și fiabile ce pot fi montate și intreținute cu un minim de intervenție în fluența traficului și la care precizia de detecție este cel putin la nivelul celei a buclelor inductive. Din aceasta categorie fac parte tehnologiile mai noi, cum ar fi:

sistemele de detecție bazate pe procesarea imaginii video

radare cu microunde

radarele laser

detectoarele pasive cu radiații infraroșii (PIR)

detectoarele cu ultrasunete

ariile pasive acustice

combinațiile de tehnologii senzoriale, cum ar fi PIR cu microunde, Doppler sau PIR cu ultrasunete etc.

Alegerea unei anumite categorii de senzor pentru implementarea, de exemplu, a unui sistem de management al traficului cu centru dispecer (TMC) sau de management al transportului public de calatori (PTM), cu care acesta este in stransă legatură, se pote face corect numai după un studiu judicios al zonelor monitorizate și al celor învecinate, după o analiză cat mai completă a traficului și evoluției acestuia în decursul unei zile, al unei săptamani etc. Spre exemplu, prețul de cost pentru buclele inductive este cel mai mic la ora actuală și tehnologiile de instalare sunt foarte ieftine, însa sunt necesare lucrări în suprafața de rulare a caii rutiere. Un asemenea senzor este potrivit a fi montat cu precadere în zonele în care nu există sub stradă conducte sau cabluri, pentru că, în timp, acesta să nu fie afectat de eventualele lucrări de întreținerea acestor instalații. Asa cum s-a mentionat, există mai multe categorii de senzori, potriviți pentru cele mai uzuale aplicații ITS:

detector/radar pneumatic rutier

bucle inductive

senzori magnetici

benzi de presiune pentru cântarire din mers (WIM)

senzori piezoelectrici pentru aplicatii WIM

senzori capacitivi pentru WIM

procesoare video de imagini

radar cu microunde

radar loser

senzori IR pasivi sau activi

arii acustice active etc

2.2 Senzori uzuali în aplicațiile ITS

2.2.1 Bucle inductive

Cea mai larg utilizată categorie de senzori de trafic, cea mai robustă, este reprezentată de detectorul de tip buclă inductivă (DBI), care este cel mai comun senzor utilizat în aplicațiile de management al traficului. Forma și mărimea acestuia variază de la caz la caz, între pătrate, dreptunghiuri și cercuri cu diametre cuprinse în intervalul 1,5m – 2m.

Pincipalele componente ale DBI sunt una sau mai multe spire dintr-un conductor izolat amplasat intr-un locaș din drum, un cablu de alimentare care sosește dintr-o cutie de joncțiune situată pe marginea drumului, un dulap de echipament și unitatea electronică din interior, conectată la surse de alimentare fixe cu rezervare.

Aplicațiile se rezumă la detecția trecerii vehiculelor, a prezenței acestora, numarării vehiculelor sau determinarii gabaritului. Cu toate că buclele inductive nu pot determina, prin măsurare direcța, viteza vehiculelor, aceasta poate fi totuși aflată prin utilizarea unei perechi de bucle situate la distanță, cunoscută în același ax al drumului, sau o singură buclă prevazută cu un algoritm de masură, ale carui intrări trebuie sa fie lungimea buclei, lungimea medie a vehiculului timpul de staționare în zona activă a detectorului și numarul de vehicule numărate. Noile versiuni de detectoare buclă suportă și clasificarea vehiculelor, prin utilizarea unor frecvențe superioare de lucru, în vederea părtilor metalice specifice vehiculelor.

Bucla realizată din cateva spire este excitată cu semnale avand frecvențe cuprinse între 10 kHz – 50 kHz și functionează ca un element inductiv cuplat cu un modul electronic. Atunci cand vehiculul trece sau se oprește deasupra buclei, inductanța acesteia se micșoreaza. Ca urmare, are loc o creștere a frecvenței oscilatorului, sesizată de montajul electronic asociat, care transformă totul intr-un impuls ce este transmis controlerului, indicand astfel prezența unui vehicul.

Detectoarele de tip buclă inductivă comerciale operează cu inductanțe cuprinse între 20 si 200 μH, cu toate că, in general, există obiceiul de a menține acest domeniu doar in plaja 100 – 300 μH.

Fluxul magnetic generat este uniform de-a lungul buclei, cu excepția porțiunilor din capete. Intensitatea câmpului magnetic generat este :

unde – intensitatea câmpului magnetic [A/m]

– numărul de spire

– intensitatea curentului electric [A]

– lungimea conductorului [m]

Informațiile pot fi preluate din diverse puncte ale rețelei de drumuri. Detecția prea apropiată de linia de stop nu va permite sistemelor UTC să primească datele, să le proceseze și să comande semafoarele din aval în timp util pentru ca acțiunile dorite să poată să se desfășoare corect. Detecția realizată la jumătatea distanței reprezintă un bun compromis, însă comunicațiile și cablarea intersecțiilor implică costuri mai mari decât în alte cazuri.

Avantaje: Operarea acestui tip de senzori este foarte bine experimentată și cunoscută pentru toate aplicațiile la care este potrivită (volum trafic gabarit vehicule, prezență, direcție de deplasare si interval între vehicule). Prețul exclusiv al echipamentului este redus, designul este flexibil.

Dezavantaje: Probleme legate de instalare: intreruperea traficului, calitatea suprafeței drumului, intreținere, cost, manoperă etc. Buclele realizate din fire sunt susceptibile la agresiunile mediului, traficului, daunătorilor (rozatoare).

2.2.2 Senzori magnetici

Indică prezența vehiculelor prin detecția perturbațiilor create de aceseta în câmpul magnetic terestru.

Instalațiile moderne presupun realizarea de rețele de senzori magnetici, fară fir; acești senzori pot furniza informații suplimentare, care nu pot fi obținute din datele furnizate din buclele electromagnetice. Deoarece aceste retele se pot instala în timp foarte scurt, ele pot fi, de asemenea, folosite (și refolosite) pentru măsurari temporare de trafic rutier.

Există două tipuri de senzori magnetici:

magnetometrul cu două fluxuri: detectează schimbările survenite în componentele verticale și orizontale ale câmpului magnetic terestru ;

magnetometrul de inducție: detectează semnătura magnetică a vehiculului prin detecția schimbărilor ce apar in liniile de flux magnetic la deplasarea vehiculului prin acestea.

Cu aceste categorii de senzori s-au efectuat mai multe teste in teren, rata de detecție a vehiculelor fiind mai buna de 99% in cazul tuturor vehiculelor și 100% pentru toate vehiculele cu excepția motocicletelor. Estimatoarele lungimii vehiculelor și vitezei acestora realizate cu aceste categorii de senzori au precizie medie de circa 90%. Determinările efectuate de institute de cercetari din strainatate au relevat faptul ca acesti senzori sunt, de asemenea, capabili să dea informații privind formarea cozilor la semafoare, pe baza măsurării distanței dintre vehiculele care se succed. Rețelele de senzori magnetici sunt formate din noduri de senzori (NS) si un punct de acces (PA). Un NS cuprinde un senzor magnetic, un microprocesor, un modem radio și o baterie. Fiecare NS este lipit de centrul unei benzi sau încastrat în asfalt. Un dispozitiv NS este cu autoblocare. Masuratorile sunt realizate de senzor si, apoi, transmise via legatura radio către PA, amplasat la marginea drumului. PA poate fi realizat fie cu alimentare de la retea, fie cu alimentare din baterii solare, întrucat consumul de putere este mic.

Metoda de realizare wireless a rețelelor de senzori poate revoluționa aplicațiile din domeniul transporturilor, întrucat reduce foarte mult densitatea spațială a acestora. O rețea de senzori magnetici wireless permite mai multă flexibilitate și costuri de instalare și mentenanță mult mai mici decat buclele inductive, senzorii radar sau cei video.

Clasificarea vehiculelor se face pe baza unor algoritmi de selecție, în cel putin șase tipuri : autoturisme, vehicule pentru urgențe, microbuze, camionete, camioane si altele.

Avantaje: mai putin susceptibile la solicitările mecanice ale traficului; anumite modele pot transmite wireless; unele modele nu necesită tăierea pavajului.

Dezavantaje: nu pot sesiza vehicule staționare; unele variante au zone de detecție restransă.

2.2.3 Senzori pneumatici

Sunt o categorie de senzori relativ simplă, formată din senzori tubulari pneumatici ; se bazează pe variația bruscă a presiunii în interiorul tubului, atunci cand un vehicul trece cu roțile peste acesta. Impulsul de presiune închide un contact, transmoțand un semnal către un numarator sau analizator software de trafic.

Se amplasează perpendicular pe axa drumului pentru numărarea temporară a vehiculelor. Unele modele pot capta date despre spațiile dintre vehicule, întarzierea provocată de oprirea la semafor, întarzierea la semnalele de acordare a priorității.

Avantaje: durata redusă de instalare, robustețe, cost redus

Dezavantaje: imprecizie la calculul osiilor vehiculelor cu gabarit mare, rata de defectare mare.

2.2.4 Benzi de presiune pentru cantarire din mers

Benzile de presiune sunt în general, cele de cantarire din mers a vehiculelor. Pe masura ce vehiculele trec peste aceste benzi, sistemul de măsurare înregistreaza efortul măsurat de mărci tensiometrice și calculează sarcina dinamică. Sarcina statică este estimată din aceasta cu ajutorul unor parametrii de calibrare.

Se pot monta benzi singulare, perpendiculare pe axul caii de rulare, sau se pot monta benzi în perechi.

Domeniul de aplicare pentru sisteme de masurare cu o singura banda este cel al drumurilor la care volumul de trafic este modest.

Sistemul de masură cu doua benzi opereaza astfel :

sistemul este în stare de veghe atunci cand nu a fost accesat niciun vehicul;

primele roți ale vehiculului actionează prima banda sensibilă și activează sistemul.

Avantaje: se pot întrebuința si pentru aplicarea regulilor de circulatie; precizia este mai bună și nu necesită completa înlocuire a senzorilor (doar o ajustare din 5 in 5 ani).

Dezavantaje: nu sunt atat de precise precum cele cu celule tensiometrice și sunt mult mai scumpe decat cele cu senzori piezoelectrici; au avantajul simplitații constructive, însă lucrarile de inserție sunt costisitoare; întretinerea presupune o deosebită grijă la realizarea de lucrări de pavaj sau șanturi.

2.2.5 Senzori capacitivi

Sunt alcatuiți din straturi de piese metalice și material dielectric. Unele configurații sunt formate dintr-o bandă de oțel inoxidabil incojurată cu material poliuretanic pe fiecare parte. Suprafețele externe ale materialului poliuretanic sunt acoperite cu alte benzi de oțel.

La bornele acestui ansamblu se aplică o tensiune alternativă. În momentul în care un vehicul calcă cu roțile pe acest sensor, distanța dintre electrozii acestuia se micșorează, determinand creșterea capacitații. Senzorii capacitivi se mai fabrică și din benzi de aluminiu separate, din material izolant, la care aerul formează dielectricul.

Avantaje: pot monitoriza până la 4 benzi simultan; se pot folosi ca sisteme amovibile de măsurare, cât și ca sisteme permanente ;

Dezavantaje: în ceea ce priveste măsurarea (din mers) a greutății, nu sunt atat de precise precum benzile de presiune.

2.2.6 Radarul cu microunde

Cuvântul „radar” a fost derivat din funcția pe care o face: detecție radio și estimarea distanței. Termenul „microunde” provine de la lungimea de undă a energiei transmise, de obicei variând între 1 și . Acestea funcționează intr-o marjă de frecvență de 1 – 30 GHz. Senzorii cu microunde creați pentru a supraveghea traficul pe șosele folosiți în SUA sunt limitati de catre FCC să funcționeze la benzi de frecvență apropiate de 10,5, 24,0 și 34.0 GHz . Aceste cerințe, împreună cu alte restricții privind cantitatea de putere transmisă, au fost în comun acceptate de catre producatori, de aceea utilizatorii nu trebuie să aibă un permis special sau echipamente speciale pentru a verifica frecvența de ieșire sau puterea echipamentelor. Radarele la frecvențe mai mari de 30 GHz operează pe plaja unui spectru de unde milimetrice deoarece lungimea de undă pe care se transmite energia este exprimată în milimetrii. Cele mai disponibile radare cu microunde din comerț sunt folosite în aplicațiile de management a traficului transmit energie electromagnetică pe banda de frecvența X la o frecvența de 10,525 GHz . Frecvențele mai mari pot acoperi arii terestre mai mici, crescand exactitatea datelor stranse. Radarele montate pe autovehicule funcționează la frecvențe de la 76 la 77 GHz și suporta detecția obstacolelor și controlul automat a deplasarii.

Radarele cu microunde amplasate pe lateralul șoselei transmit energie catre o zonă a șoselei de la o antenă de deasupra. Aria în care energia radarului este transmisă este controlată de mărimea și distribuirea energiei pe raza de deschidere a antenei. Producătorii stabilesc mărimea antenei ținandu-se cont de zona de supraveghere. Când un autovehicul trece prin raza transmisă de antenă, o parte din energia transmisă este reflectată înapoi catre antenă. Energia care intră în zona de acceptare a datelor, date precum volumul, viteza, lungimea și ocupanții sunt calculate.

Două tipuri de senzori de radar cu microunde sunt folosiți în aplicații de manipulare a traficului cu undă continuă: CW Doppler și radare cu unde de frecvență cu modulație continuă. Tipul de date care sunt primite sunt dependente de forma undelor transmise. Senzorii CW Doppler transmit un semnal care este constant în frecvența tinandu-se cont de timp. Conform cu principiul Doppler, mișcarea unui autovehicul determină o schimbare în frecvența semnalului primit. Aceasta poate cauza detecția autovehiculului și să i se determine viteza. Senzorii Doppler care nu includ un echipament auxiliar care să detecteze parametrul de funcționarea, nu pot să detecteze vehiculele staționate.

Avantaje: insensibilitatea la variațiile climatice; permit măsurarea directă a vitezei vehiculelor sau monitorizarea simultană a mai multor benzi de circulație ;

Dezavantaje: utilizarea acestor senzori trebuie facuta numai după anumite teste preliminare; în general, utilizarea senzorilor radar în intersectii s-a dovedit ineficientă.

2.2.7 Detecția în trafic bazată pe procesarea imaginilor video

Datorită abilității de a transmite imagini in mișcare în circuit închis, facilitand operatorii umani în luarea deciziilor, camerele video și-au gasit rapid aplicarea în domeniul supravegherii sau detecției traficului rutier. Pe măsura ce tehnologiile s-au dezvoltat și automatizat, analiza imaginilor captate a început, la randul ei, sa fie automatizată, astfel încat aplicațiile din ziua de azi se desfasoară pe baza procesarii electronice a imaginilor. Sunt analizate automat scenele de interes și sunt extrase informațiile necesare supravegherii și controlului traficului.

Un sistem de procesare al semnalelor video este format din una sau mai multe camere, un calculator specializat pentru digitalizarea și procesarea imaginilor și software pentru interpretarea și conversia în flux de date.

Sistemele bazate pe procesarea imaginilor (SPV) detectează vehicule pe baza informațiilor dintr-o scena de trafic, analizand schimbările care au loc între cadrele successive preluate. Algoritmii ce analizează imaginie sunt de tip alb-negru și fac acest lucru pe baza examinarii variației nivelurilor de alb-negru în grupuri de pixeli conținuți în cadrele video. Algoritmii sunt proiectați în vederea înlaturării variațiilor de gri de fond, cauzate de condițiile meteo, umbre, artefacte provocate de reflexii la tranzitie zi-noapte și pentru a obține obiectele identificate ca vehicule rutiere. Parametrii traficului rutier sunt calculati pe baza analizei cadrelor succesive.

La ora actuală sunt mai bine dezvoltate urmatoarele categorii de SPV :

Tripline – sistemul care lucrează pe baza permisiunii de la utilizator de a aloca un numar finit de zone de detecție in zona activă a obiectivului camerei video. Cand un vehicul traversează una dintre aceste zone, el este identificat prin schimbarile în atributele pixelilor cauzate de imaginea vehiculului în raport cu cea a drumului, în absenta sa. Detecția vehiculelor se face prin analize de suprafată și cu grile, prma identificand contururile, în timp ce a doua face o clasificare a patratelor dintr-o grilă pentru a observa starea dinamică a vehiculului: staționare sau mișcare. Aceste sisteme sunt folosite și pentru măsurarea vitezei prin măsurarea duratei de timp necesare unui vehicul pentru a tranzita o zonă observată, de lungime cunoscută.

Urmarire cu buclă inchisă – extensie a sistemelor precedente, ce permit detecția vehiculelor pe secțiuni mai extinse ale carosabilului. Urmăresc în permanență vehiculele în campul vizual al obiectivului. Odată validat, vehiculul este numărat și viteza sa este actualizată de algoritmul de urmărire. Aceste sisteme pot furniza date suplimentare, cum ar fi mișcarea vehiculelor de pe o bandă pe alta.

Urmarire prin asociere de date – sisteme ce identifică și urmaresc in mod particular anumite vehicule sau grupuri de vehicule ce trec prin zona activă a camerei video. Calculatorul identifică vehiculele prin căutarea ariilor de pixeli unic conectați. Aceste arii sunt apoi urmarite pe fiecare cadru captat pentru vehicul sau grup de vehicule selectat. Pe viitor, sistemele cu urmărire prin asociere de date vor permite informații despre perechile origine-destinatie și durata călătoriei, prin monitorizarea continuă a calatoriei, de la o camera la alta, a vehiculelor pe traseu.

SPV pot realiza funcțiile mai multor bucle inductive, pot asigura detecția vehiculelor pe mai multe benzi de circulatie la pret mai redus. Anumite SPV pot procesa datele de la mai multe camere video, extinzând astfel, aria controlata. Prin instalarea de SPV inlanțuite se pot obține și alte tipuri de informații (densitate, durata calătoriei, perechi origine-destinație pe categorii de vehicule)

Avantaje: pot fi folosite cu succes pe autostrăzi; precizia de detecție a vehiculelor scade odată cu scăderea întălțimii la care sunt montate; precizie mare;

Dezavantaje: vulnerabilitatea la obstacole ce pot obtura câmpul vizual al camerei; caracteristicile vremii (depuneri de condens, praf, gheata pe obiectiv); fixarea trebuie facută cat mai solid pentru a nu fi afectată de vibrații sau balans.

2.2.8 Detectoare pasive în IR

Senzorii IR cu o singură zonă de detecție măsoară: volumul, gradul de ocupare al benzii de circulație și momentul trecerii vehiculelor. Variația radiatiei depinde de suprafața, temperatura, dimensiunea și structura obiectului.

Sursa enegiei detectate de senzorii pasivi este emisă corpurilor cenușii, datorată temperaturii nenule de la suprafața obiectelor emisive. Emisia corpurilor cenuții are loc pe toata frecvența obiectelor care au temperatura nenulă (- 273,15 °C). Dacă emisivitatea obiectului este perfectă, adică este egală cu 1, obiectul este denumit negru. Majoritatea obiectelor au emisivitate mai mică de 1 și prin urmare sunt denumite corpuri cenușii.

Senzorii sunt proiectați să receptioneze energia emisă pe orice frecvența. Din considerații financiare, banda IR este considerată o bună alegere pentru senzorii de detecție a vehiculelor cu numar limitat de pixeli. Unele modele, ca și cel prezentat în figura de mai jos funcționează în banda cu lungimea de undă de la 8 la 14 µm și de aceea efectul de sporire al soarelui și schimbul intensitatii luminii de la mișcarea norilor este minimilizat.

Când un vehicul intră în câmpul de observație al senzorului, schimbarea în energia emisă este utilizată pentru a detecta vehiculele. Intrarea vehiculului în câmpul de observație al senzorului generează un semnal, care este proporțional cu produsul termenului de diferentă al temperaturii, când temperatura de la suprafața vehiculului și cea de la suprafața drumului sunt egale. Termenul emisivitații este egal cu diferenta dintre temperatura absolută de la suprafața drumului și temperatura emisiilor atmosferice, cosmice sau galactice.

În perioadele innorate, cu umiditate crescută și în zilele ploioase este mai mare decat în zilele senine, iar semnalul produs de vehiculele aflate în deplasare este mai scazut. Acest lucru nu poate deveni o problemă pentru un senzor bine proiectat și care lucrează pe lungimi de undă ale spectrului IR, în mod special pentru zonele relative mici de observație, tipice pentru aplicațiile de gestionare a traficului.

Avantaje: instalarea senzorilor IR nu necesită proceduri de intervenție asupra asfaltului; pot transmite mai multe fascicule pentru măsuratori mai precise a poziției, a vitezei sau clasei vehiculului; pentru modelele amplasate în lateralul drumului se poate face o detecție a prezentei vehiculelor pe mai multe benzi de circulație.

Dezavantaje: reflexiile razelor soarelui pot cauza semnale nedorite și confuze; particulele atmosferice și vremea nefavorabilă pot împrastia sau absorbi energia care în mod normal ar ajunge în planul de focalizare al senzorului; efectele de împrastiere sau de absorție sunt sensibile la concentrațiile de apă din ceață, abur, ploaie sau zapadă, dar și la alți factori nocivi ca fumul sau praful; au fost raportate și reduceri ale performanțelor pe timpul ploii, lapoviței sau ninsorii.

2.2.9 Arii de senzori acustici pasivi

Detectează trecerea vehiculelor, prezența, măsoară viteză pe baza energiei sonore din spectrul audio produsă de traficul rutier, dintr-o varietate de surse: motoare, vehicule, sunetul produs de cauciucuri pe suprafață drumului etc. Atunci când un vehicul pătrunde în zona monitorizată, algoritmul de procesare a semnalelor electrice furnizate de senzori recunoate diferența și este livrat în ieșire un impuls de prezența vehicului. Pentru o corectă discriminare a zgomotului de fond de cele produse de vehicule, sunetele sunt filtrate și atenuate.

Senzorul detectează vehiculele prin măsurarea diferenței de timp înregistrate la recepționarea sunetelor de către microfoanele din partea superioară a ariei față de microfoane din partea inferioară, față de o linie de separare orizontală sau verticală. Acest decalaj de timp se modifică la apropierea unui vehicul. Mărimea și formă zonei active de detecție depind de deschiderea ariei, de bandă de lucru și de instalarea fizică a senzorilor.

Avantaje: nu necesită lucrări de pavaj; nu sunt afectați de precipitații iar la unele modele este posibilă oprirea pe mai multe benzi de circulație.

Dezavantaje: precizia scade odată cu scăderea temperaturii; nu se recomandă pentru zone în care traficul este lent sau staționează.

2.2.10 Senzori cu ultrasunete

Acești senzori transmit vibrații mecanice pe frecvențe cuprinse între 25 – 50 kHz, peste spectrul audio ce poate fi perceput de urechea umană. Cei mai mulți senzori de acest tip lucrează cu forme de undă pulsatorii și permit numararea vehiculelor, detecția prezenței acestora și livrează informații despre gradul de ocupare a benzii de circulație. Cu ajutorul formelor de undă pulsatorie este masurată distanța dintre suprafața drumului si vehicul, pe baza analizei modificărilor ce apar în unda reflectată atunci cand un vehicul se interpune în zona radiată de fasciculul de ultrasunete. Atunci cand este interpretată o alta distantă decat cea de fundal, cand drumul este liber, senzorul interpretează ca prezența a unui vehicul.

Partea electronică poate fi amplasată atat în senzor, cat și în dulapul cu echipamente de langă drum. Energia în impulsuri transmisă în două unghiuri cunoscute catre o zonă de măsurare permite determinarea vitezei vehiculelor care trec prin această zonă, pe baza de măsurare de timp necesară acestora petnru a tranzita zona.

Senzorii cu ultrasunete care lucrează în impulsuri transmit serii de impulsuri de lațime și și avand o perioadă de repetiție între 33 si 170 ms. Este masurată durata necesară impulsului ultrasonic pentru a parcurge dus – întors distanța pană la vehicul.

Sistemele automate cu impulsuri repetitive reduc efectele reflexiilor multiple și imbunantatesc detecția vehiculelor ce se deplasează cu viteză sporită.

Avantaje: nu este necesara efectuarea de lucrari la pavaj; permit operarea simultană pe mai multe benzi de circulatie.

Dezavantaje: schimbarile de temperatură și turbulențele atmosferice pot afecta performantele senzorilor cu ultrasunete ; unele modele eu elemente de compensare electronică în temperatură.

CAPITOLUL 3 – Principiul detecției cu ultrasunete

3.1 Caracteristici generale

Ultrasunetele sunt vibrații mecanice cu frecvențe mai mari de 20 000 Hz, ce au de obicei intensitate redusă. Ultrasunetele cu intensitate mare se obțin prin procedee electromecanice care se bazează pe fenomenul piezoelectric și / sau pe fenomenul magnetostricțiune. De asemenea ele fi generate cu fluiere. Ultrasunetul este total nedetectabil de către urechile omului dacă nu este ajutat de instrumente capabile să transfere ultrasunetul într-un sunet audibil.

Sunetul se propagă sub formă de unde longitudinale, teoretic prin orice mediu (aer, apă, sticlă, metal etc.). O undă este o perturbație care face să vibreze particulele mediului prin care trece. În asemenea unde, particulele peste care trece unda, sunt făcute să vibreze pe o linie paralelă cu direcția în care se deplasează undă.

3.2 Proprietățile ultrasunetului

Energia unei unde sonore se diminuează pe măsură ce se îndepărtează de sursă. Deoarece undele sonore se desfășoară în sfere extinse, energia lor este dispersată pe o suprafață mare. Acest fenomen este cunoscut sub numele de atenuare. Sunetul audibil este mai considerabil decât ultrasunetul cu aceeași energie, deoarece lungimea de undă a unui sunet audibil este mai mare decât lungimea de undă a ultrasunetului.

Din acest motiv, ultrasunetul este mai dirijat către sursele sale decât sunetele audibile de frecvență mai joasă. Această caracteristică direcțională face mai ușoară localizarea exactă a sursei ultrasunetului, chiar în medii foarte zgomotoase și răsunătoare.

Dacă vrem să ascultăm ultrasunete, avem nevoie de un instrument capabil să transfere frecvențe înalte într-un nivel pe care putem să-l auzim (normal 200-5000 Hz este un interval de ascultare comodă). Dacă vrem să ascultăm doar ultrasunetul, avem nevoie de un detector cu anumite filtre care să elimine zgomotele audibile sau "parazite". Dacă vrem să măsurăm energia ultrasunetului, detectorul trebuie să aibă capacități de măsurare digitală. Acest echipament poate înregistra în general măsurările pe un cip de memorie on-board și să transmită datele la un program de calcul.

3.3 Generatorul de ultrasunete piezoelectric

Unii dielectrici cristalini formați din dipoli permanenți care au centru de simetrie (adică toate substanțele feroelectrice) prezintă așa numitul efect piezoelectric direct. Acesta constă în următoarele: dacă un astfel de cristal este supus la o deformare elastică, de exemplu la întindere (cazul din stânga fig. 3.2) sau la comprimare (cazul din dreapta fig.3.2) , atunci dipolii săi moleculari se vor roti într-un mod determinabil și cristalul se polarizează, conform celor două cazuri din figură. Pe fețele opuse solicitărilor mecanice apar sarcini electrice legate care creează o diferență de potențial (deci și un câmp electric) între ele. Mărimea polarizației, a diferenței de potențial este proporțională cu mărimea deformării mecanice. La schimbarea sensului de deformație se schimbă și semnul polarizării electrice.

Cele mai cunoscute cristale piezoelectrice naturale sunt cuarțul, sarea Seignette, metatitanatul de bariu, etc.

La aceleași cristale s-a observat și efectul piezoelectric invers. Acest efect se materializează astfel: la aplicarea unei diferențe de potențial pe fețele care se electrizau înainte, în funcție de mărimea acesteia, apare proporțional o deformare mecanică de întindere sau de comprimare, deformare datorată rotației provocate a dipolilor mecanici.

În figura de mai sus este prezentată situația în care cristalul a fost tăiat încât pe direcția de aplicare a efortului exterior este perpendiculară pe direcția suprafețelor care se electrizează. Un astfel de efect piezoelectric se numește efect piezoelectric longitudinal.

Intensitatea undelor ultrasonore emise este maximă atunci când este îndeplinită condiția de rezonanță pentru frecvența fundamentală, adică, ca și la undele staționare la coarda vibrantă: , unde este lungimea lamei.

Pentru obținerea ultrasunetelor pe baza efectului piezoelectric se folosesc diferite montaje electronice, dintre care două sunt mai cunoscute: montajul în rezonanță și montajul în oscilație.

3.4 Generatorul de ultrasunete magnetostrictiv

Fenomenul de magnetostricțiune directă a fost descoperit de James Prescott Joule încă din 1848 și constă în proprietatea substanțelor feromagnetice de a se dilata sau contracta în procesul lor de magnetizare. Există și un fenomen de magnetostricțiune inversă care constă în faptul că o bară feromagnetică deja magnetizată este supusă din exterior unor deformări mecanice, intensitatea sa de magnetizare creste sau scade în funcție de mărimea deformației imprimate. Intensitatea manifestării magnetostrictive depinde de natura materialului feromagnetic, de tratamentul la care a fost supus, de temperatura de lucru, de intensitatea câmpului magnetic utilizat și de lungimea barei.

Dacă bara feromagnetică folosită nu este magnetizată înainte, la introducerea ei într-un câmp magnetic alternativ, va emite ultrasunete la o frecvență dublă față de cea a curentului care alimentează bobina.

Dacă bara feromagnetică folosită a fost magnetizată înainte într-un câmp magnetic constant, la introducerea sa într-un câmp magnetic alternativ al unei bobine, aceasta se va deforma mecanic numai la alternanța câmpului magnetic exterior care-i intensifică câmpul magnetic propriu. Undele ultrasonore produse în această situație vor avea aceeași frecvență cu cea a curentului alternativ care alimentează bobina.

3.5 Principii și parametrii de măsurare

Deoarece lungimile de undă mai mici sunt mai sensibile la schimări în mediul prin care trec, multe aplicații de analiză a materialelor vor beneficia din folosirea frecvențelor cele mai înalte pe care piesa le poate suporta. Impulsurile sonore sunt în mod normal generate și recepționate de către traductorii piezoelectrici care au fost cuplați acustic la materialul de testat. În cele mai multe cazuri, un singur traductor cuplat pe o parte a piesei de testat servește și ca emițător și ca receptor (modul impuls/ecou), deși în anumite situații care implică atenuări puternice sau materiale de împrăștiere, traductori de transmiterea separat de cei de recepționare sunt folosiți pe parțile opuse ale piesei (prin modul de transmisie). O undă sonoră este lansată prin excitarea traductorului fie cu un vârf de tensiune fie cu un impuls de undă continuu. Unda sonoră se propagă prin materialul testat, ori se va reflecta în partea îndepărtată pentru a se întoarce în punctul său de origine (impuls/ecou), ori va fi recepționat de un alt traductor la acel punct (prin transmisie). Semnalul recepționat este amplificat și analizat. O varietate de instrumentație comercială este disponibilă în acest scop, utilizând procesarea semnalului analog și digital.

Un avantaj semnificativ al testării cu ultrasunete față de metodele de analiză a materialelor este acela că poate fi adesea realizat în proces sau on-line. Unde sonore de înaltă frecvență pot fi transmise cu succes în interiorul și exteriorul materialelor în mișcare fără contact direct, prin intermediul folosirii unei băi de apă sau vapori de apă ca mediu de cuplaj. Măsurările pot fi deasemenea realizate în containere închise prin cuplarea energiei sonore prin perete. Deoarece undele sonore penetrează specimenul test, proprietățile materialului sunt măsurate în volum mai exact decât doar la suprafață. Este chiar posibil uneori, prin folosirea unei rețele selective, să se analizeze doar unul din straturile unui material farbricat.

Parametrii de măsurare relevanți vor fi tipic unul sau mai mulți din următorii:

viteza sunetului/timpul de trecere a impulsului: viteza sunetului este în general parametrul ultrasonic cel mai simplu de măsurat. Viteza sunetului într-un mediu omogen este legată direct de modulul de elasticitate și de densitate; astfel, schimbări ale modulului de elasticitate sau densității va afecta timpul de trecere a impulsului printr-o probă de grosime dată. În plus, varierea gradelor de neomogenitate poate avea efect asupra vitezei sunetului.

atenuarea: energia sonoră este absorbită sau atenuată cu diferite rate în diferite materiale, conduse într-un mod complex de efectele interactive ale densității, durității, vâscozității și structurii moleculare. Atenuarea crește în mod normal cu frecvența într-un material dat.

împrăștierea: undele sonore reflectă din granițele dintre materialele neasemănătoare. Schimbări în structura granulară, orientarea fibrelor, porozitatea, concentrația de particule și alte variații microstructurale pot afecta amplitudinea, direcția și conținutul de frecvențe ale semnalelor împrăștiate. Efectele de împrăștiere pot fi monitorizate indirect prin observarea schimbărilor în amplitudine a ecoului reflectat sau a unui semnal prin transmisie.

conținutul (spectrul) de frecvențe: toate materialele tind să acționeze la anumite grade ca filtre trece jos, atenuând sau împrăștiind componentele de frecvență înaltă a unei lățimi de bandă a undei sonore mai mult decât componentele de joasă frecvență. Astfel, analiza schimbărilor în conținutul de frecvențe rămas dintr-o bandă largă selectată a unui impuls care a trecut prin materialul testat poate urmări efectele combinate ale atenuării și împrăștierii cum s-a descris mai sus.

În unele aplicații datele ultrasonice cum ar fi viteza poate fi direct folosită pentru calcularea proprietăților (modulul de elasticitate). În alte cazuri, testarea ultrasonică este o tehnică comparativă, unde, cu scopul de a stabili un protocol de test într-o aplicație dată, va fi necesar să se evalueze experimental standarde de referință reprezentând șirul de stări ale materialului care vor fi cuantificate. De la asemenea standarde va fi posibil să se înregistreze cum variază parametrii de transmitere a sunetului cu schimbări în proprietățile specifice ale materialului, iar apoi, din informațiile de bază va fi posibil să se identifice sau să se prezică schimbări similare în probele test.

3.6 Aplicații ale ultrasunetelor

Mai jos este prezentat un sumar a unor aplicații specifice de analiză a materialelor unde au fost folosite și documentate tehnicile ultrasonice:

detector de distanță: pe principiul radarului, măsurand diferența de timp de la trimiterea unui semnal ultrasonic pana la întoarcerea lui se poate identifica distanța pană la un obstacol.

modulul de elasticitate: modulul lui Young și modulul de tăiere în materialele nedispersive, omogene, pot fi calculate din viteza undelor longitudinale și transversale (împreună cu densitatea materialului). Folosirea ghidurilor de undă adesea permit măsurări la temperaturi mari.

nodularitatea în fier forjat: concentrația grafitului în fierul forjat și modelul și forma sa pot fi cuantificate prin măsurarea vitezei.

rata de refacere în epoxizii și beton: viteza sunetului în aceste materiale se schimbă cu cât ele sunt mai întărite; astfel, măsurarea vitezei sunetului poate fi corelată cu gradul de protejare până la întărire. Testarea betonului de obicei necesită accesul la ambele fețe pentru cuplarea printre transmisii.

concentrațiile lichidelor: rata de amestec a două lichide cu viteze ale sunetului diferite poate fi corelată cu viteza sunetului în soluție la o temperatură dată.

densitatea pastelor: rata de amestec lichid sau solid a pastelor de tipul noroi de foraj și hârtie cu noroi la o anumită temperatură dată, poate fi corelată cu viteza sunetului și/sau atenuarea.

densitatea în ceramice: uniformitatea densități în ceramicile verzi și lucioase pot fi verificate prin mijloacele măsurării vitezei sunetului.

polimerizarea în materialele plastice: în materialele plastice și alți polimeri, variațiile în structura moleculară cum ar fi lungimea sau orientarea lanțurilor polimerului vor rezulta în schimbări corespunzătoare a vitezei sunetului și/sau atenuarea.

dimensiunea și distribuția particulelor sau porozităților: schimbările în dimensiunea sau distribuția particulelor sau porozităților într-un mediu solid sau lichid va afecta amplitudinea și frecvența ultrasunetului împrăștiat.

dimensiunea granulelor în metale: schimbări în dimensiunea sau orientarea granulelor în oțel, fier forjat, titan și alte metale, vor determina schimbări în amplitudinea, direcția și/sau conținutul de frecvențe a ultrasunetului împrăștiat.

anizotropia în solide: variații în viteza sunetului, împrăștiere și/sau atenuare peste diferite axe ale solidului pot fi folosite pentru a identifica și cuantifica anizotropia.

măsurarea frecvenței: termometrele ultrasonice au fost folosite la măsurarea temperaturilor foarte înalte (peste 3000 0C) prin monitorizarea schimbărilor vitezei sunetului într-un mediu de referință.

sisteme de evitare a coliziunilor de trafic: folosindu-se în special pe principiul detectorului de distanță, astfel determinandu-se distanța pană la un obiect, evitandu-se astfel o coliziune.

CAPITOUL 4 – Detector de trafic cu ultrasunete

-descrierea aplicației-

4.1 Introducere

Sistemul pe care l-am proiecatat, reprezintă un detector de trafic ultrasonic cu transmisie de date în infraroșu. Acesta este format din două module: modulul de detecție – modulul ce realizează detecția traficului și modulul de numărare – modulul pe care este afișat numarul de autovehicule detectate.

Modulul de detecție este compus din: microcontroler, senzorul ultrasonic de distanță, afisajul LCD (pentru afisarea distanței dintre senzor si un obiect), led roșu și verde, led infraroșu si buzzer. Modulul de numarare este compus din: microcontroler, afișaj cu șapte segmente cu doi digiți și un receptor de infraroșii.

Principiul de functionare este simplu. Când detectorul ultrasonic de distanță din cadrul modului de detecție identifică un obstacol, în intervalul 40 – 60 cm, microcontrolerul din acest modul trimite un semnal de 38 Khz în LED-ul IR, lumina infraroșie a acestuia fiind receptată de catre receptorul de infraroșii, din cadrul modulului de numărare. Astfel contorul microcontrolerului din cadrul modului de numărare va incrementa numărul de autovehicule detectate.

O altă funcție secundară a modului de detecție poate fi aceea de senzor sau asistent de parcare atunci când senzorul ultrasonic de distanță detecteză un obstacol intr-un interval mai mic de 40 cm.

Distanța până la un primul obstacol întâlnit de senzorul ultrasonic va fi afișată întotdeauna pe ecranul LCD din cadrul moduluilui de detecție, dacă aceasta este sub aproximativ 450 cm, distanța maximă pe care o poate detecta senzorul de distanță ultrasonic. Aplicția a fost programată pentru a îndeplini următoarele funcții cand distanța detectată este sub 60 cm:

când distanța detectată este în intervalul 40 – 60 cm, modulul de detecție va trimite cu ajutorul LED-ului IR un semnal infraroșu de 36KHz catre detectorul de infraroșii din cadrul modului de numarare, va ține aprins continuu ledul verde și va da un semnal sonor în buzzer de 1320 Hz de 250 ms pentru fiecare autovehicul detectat.

când distanța detectată este în intervalul 30 – 40 cm, modulul de detecție va aprinde intermitent ledul verde, acesta fiind 300 ms aprins și 300 ms stins și va da un semnal sonor intermitent în buzzer de 880Hz, pornit pentru 300 ms și oprit pentru 300 ms.

când distanța detectată este în intervalul 20 – 30 cm, modulul de detecție va aprinde intermitent ledul rosu, acesta fiind 150 ms aprins și 150 ms stins și va da un semnal sonor intermitent în buzzer de 880Hz, pornit pentru 0,8 s și oprit pentru 0,4 s.

când distanța detectată este în intervalul 10 – 20 cm, modulul de detecție va aprinde intermitent ledul roșu, acesta fiind 110 ms aprins si 110 ms stins și va da un semnal sonor intermitent în buzzer de 880Hz, pornit pentru 110 ms și oprit pentru 110 ms.

când distanța detectată este în intervalul 0 – 10 cm, modulul de detecție va aprinde intermitent ledul roșu, acesta fiind 75 ms aprins si 75 ms stins și va da un semnal sonor intermitent în buzzer de 880Hz, pornit pentru 75 ms și oprit pentru 75 ms.

Detecția autovehiculelor se face cu ajutorul senzorului de distanță HC-SR04. Principiul acestuia aceluiasi cu cel al sonarului, distanța calculandu-se în funcție de timpul de la emiterea unui semnal și până la întoarcerea acestuia. Aceasta aplicație a fost programată ca detectarea unui autovehicul sa fie în intervalul 40 – 60 cm.

Pentru transmisia în infraroșu, microcontrolerul modului de detecție genera catre LED-ul IR un tren de impulsuri la o frecvență de 38 KHz pe o durata de 500, ms atunci cand este detectat de catre senzorul ultasonic de distanță un obstacol în intervalul 40 – 60 cm. Acest semnal infraroșu va fi perceput de receptorul de infraroșii, TSOP4838, din cadrul modului de numărare. Acest receptor de infraroșii este sensibil numai la lunima infraroșie ce are o frecvență de 38 KHz. Cât timp receptorul de infraroșii primeste un semnal de 38 KHz, el dă un semnal de 5 V în pinul de comandă. Dacă acest semnal are mai mult de 300 ms, microcontrolerul modulului de numărare va incrementa contorul.

Distanța maximă pe care poate fi emis semnalul infraroșu între cele două module este de aproximativ 5 m. Un dezavantaj al acestui tip de comunicație este acela că între emițătorul IR și receptorul IR nu trebuie sa fe afle nici un obstacol, iar acestea trebuie să fie poziționate pe acceași linie geometrică pentru ca distanța de emitere sa fie cat mai mare. S-a folosit acest tip de comunicație, in schimbul comunicației radio, pentru ca această aplicație sa fie folosită într-un mediu puternic perturbat de radiații electomagnetice sau în medii în care este interzisă folosirea undelor radio (medii in care ar putea exista interferențe radio, de exemplu în medii cu explozii).

Numărarea în cadrul modului de numărare se realizează în softul microcontroler prin incrementarea contorului (ce atunci cand se deschide sau se resetează modului este inițializată cu “0”). Afisajul cu 7 segmente cu doi digiți poate afisa cel mai mare număr ”99”, asa că atunci cand contorul micocontrolerului va ajunge la 100, contorul va fi inițializat din nou cu 0.

Distanțele alese pentru însușirea functiilor aplicației au fost alese doar pentru demonstrarea aplicativității acestui sistem, nefolosindu-se parametrii din alte sisteme. Acestea pot fi schimbate prin reprogramarea microcontrolerului.

4.2.Schemele bloc ale modulelor

4.2.1 Schema bloc a modului de detecție:

Schema bloc a modulului de detecție este alcatuită din urmatoarele blocuri: bloc de alimentare, bloc de detecție, bloc de prelucrare, bloc de afișare, bloc de transmitere infraroșu, bloc de semnalizare luminoasă și bloc de semnalizare sonoră.

Descrierea blocurilor din cadrul schemei bloc a mdulului de detecție:

BLOC DE ALIMENTARE – reprezintă ansamblul electronic ce contribuie la alimentarea electrică a modulului. Ea este reprezentată de un stabilizator de tensiune de 5 V, LM7805, impreună cu niște condensatori de filtraj.

BLOC DE DETECȚIE – reprezintă senzorul de distanță HC-SR04.

BLOC DE PRELUCRARE – reprezintă microcontrolerul Atmega328 ce procesează toate funcțiile din acest modul.

BLOC DE AFISARE – reprezintă afișajul LCD, 1602A, pe care este afisată distanța pana la un obstacol, detectată de senzorul de distanță.

BLOC DE TRANSMITERE INFRAROȘU – reprezintă LED-ul IR ce transmite semnal catre modulul de recepție.

BLOC DE SEMNALIZARE LUMINOASĂ – este format din cele doua LED-uri: roșu si verde ce sunt comandate de microcontroler în cadrul anumitor funcții din sistem.

BLOC DE SEMNALIZARE SONORĂ – este format din buzze, ce este comandat de microcontroler in cadrul anumitor funcții.

4.2.2 Schema bloc a modului de numărare:

Schema bloc a modulului de numărare este alcatuită din urmatoarele blocuri: bloc de alimentare, bloc de recepție, bloc de prelucrare, bloc de afișare.

Descrierea blocurilor din cadrul schemei bloc a mdulului de detecție:

BLOC DE ALIMENTARE – reprezintă ansamblul electronic ce contribuie la alimentarea electrică a modulului. Ea este reprezentată de un stabilizator de tensiune de 5V, LM7805, impreună cu niște condensatori de filtraj.

BLOC DE PRELUCRARE – reprezintă microcontrolerul Atmega328 ce procesează toate funcțiile din acest modul.

BLOC DE AFIȘARE – reprezintă afișajul cu șapte segmente cu doi digiți pe care este afișat numărul autovehiculelor detectate.

4.3 Schemele electronice si calblajele modulelor

4.3.1 Schema electronică a modului de detecție:

4.3.2 Cablajul PCB al modului de detecție:

4.3.3 Schema electronică a modului de numărare:

4.3.4 Cablajul PCB al modului de numărare:

4.4 Componentele aplicației

4.4.1 Mircontronerul ATmega328

Microcontrolerul folosit în ambele circuite este Atmega328, un microcontroler CMOS de 8 biți de mică putere bazat pe arhitectura RISC AVR îmbunătățită. Frecvența de lucru în cadrul montajelor este 16MHz, fiind asigurată printr-un cristal de cuarț extern, frecvența maximă de operare pe care o poate suporta microcontrolerul fiind de 20MHz. Microcontrolerul putând executa până la 131 de instrucțiuni per ciclu de ceas.

Forma constructivă a acestui circuit integrat este în capsulă PDIP având 14 pini dispuși pe două laturi. Acest controler este similar cu modelele Atmega8, Atmega48, Atmega88 sau Atmega168, singurele diferențe între acestea fiind doar memoria RAM și cea flash.

Caracteristicile principale ale acestuia sunt:

32KB de memorie Flash reinscriptibilă pentru stocarea programelor ;

1KB de memorie RAM ;

1KB de memorie EEPROM ;

2KB de memorie SRAM;

10000 de cicluri scriere/ștergere pentru memoria flash și EEPROM

plajă de temperatură pentru folosință de la -40°C pană la 85°C ;

două numărătoare/temporizatoare de 8 biți ;

un numărător/temporizator de 16 biți ;

6 canale PWM;

termometru intern;

conține un comparator analogic ;

conține o interfață master/slave SPI;

conține un modul USART pentru comunicație serială (port serial) ;

dispune de un cronometru cu oscilator intern ;

oferă 23 de linii I/O organizate în patru porturi ( PB, PC, PD).

Există o magistrală generală de date la care sunt conectate mai multe module:

unitatea aritmetică și logică (ALU) ;

registrele generale ;

memoria RAM și memoria EEPROM ;

liniile de intrare (porturile – I/O Lines) și celelalte blocuri de intrare/ieșire.

Aceste ultime module sunt controlate de un set special de registre, fiecare modul având asociat un număr de registre specifice.

Dispunerea si descrierea pinilor microcontrolerului Atmega328

După cum se vede în schița din dreapta, majoritatea pinilor sunt pini de date de intrare și ieșire (cei gri), ce se conectează pentru îndeplinirea funcțiilor microcontrolerului intr-un circuit. Pentru folosirea micirocontrolerului într-un circuit, trebuie neapărat să se folosescă toți pinii marcați cu roșu în schiță. Pinii albaștri sunt pini de comunicație serială de date, pe cand cei versi sunt pini de comunicatie ISP.

Pinii ce trebuiesc folositi obligatoriu pentru utilizarea microcontrolerullui:

Vcc – alimentare;

GND – masă;

Reset – un nivel scăzut la acest pin mai mare ca durată decât o valoare prestabilită, va genera o inițializare.

XTAL 1 – intrare pentru amplificatorul inversor al oscilatorului ;

XTAL 2 – ieșire pentru amplificatorul inversor al oscilatorului.

AVCC – pin de alimentare pentru convertorului analog-digital. Trebuie conectat extern la Vcc, chiar dacă ADC nu este folosit. Dacă ADC este folosit , ar trebui conectat la Vcc printr-un filtru trece-jos.

AREF – pinul de referință analogică pentru Convertorul A/D.

Pentru programarea microcontrolelor am flosit o placă de dezvoltare Arduino Uno R3. În cazul acestei plăci de dezvoltare limbajul de programare folosit este Arduino, acesta fiind un limbaj de programare personalizat de producător. Arduino este un limbaj de tip high-level fiind mai puțin complex comprativ cu microC-ul, dar la bază este construit în totalitate pe structura microC.

Pentru a fi mai accesibil, producătorul a predefinit anumite funcții care au fost redenumite în noul limbaj. Ca exemplu, în continuare am scris o secvență ce aprinde intermitent un LED conectat la un port la intervale de 0,5 secunde.Pentru observa diferențele și asemănările dintre limbaje, în tabelul de mai jos regăsim două secvențe de cod care îndeplinesc aceeali funcție:

Parcurgănd liniile de cod se observă similitudini între „void main” în microC și „void setup” în Arduino, „while(1)” preia denumirea de „void loop” etc. În limbajul dezvoltat de Arduino se încearcă apropierea codului de limbajul natural, folosindu-se mai multe cuvinte în detrimentul simbolurilor și carcaterelor speciale. Limbajul Arduino la compilare trece prin trei transformări și nu doar prin două așa cum se întâmplă în cazul compilatorului de microC. La compilare codul Arduino este transformat în microC, apoi este preluat de un alt compilator care îl transformă în assambler, iar de aici este adus în format .hex ce se încarcă în controller.

O bună parte a memoriei flash (aproximativ 0,5 KB) este utilizată doar pentru rularea unui bootloader necesar personalizării controlerului (nu poate fi programat prin USB decât din softul Arduino). Atunci cand am programat microcontrolarele pentru apilcație, pinii ce trebuiau programati sunt vazuți de compilator ca aceia din cadrul placii de dezvoltare Arduino. Dupa cum este prezentat in fig.

Codul sursă cu care au fost programate microcontrolerele din cadrul modulului de detecție și modululi de numărare sunt prezente in cadrul copitolului “Anexe”. Mai jos sunt prezentate pseudocodurile ambelor module.

Pseudocodul modululi de detecție:

Pseudocodul modululi de numărare:

În tabelul de mai jos sunt prezentați pinii și microcontrolerul și funcția lor din cadrul modulului de detecție și modulului de numărare:

4.4.2 Stabilizatorul de tensiune LM7805

Stabilizarea tensiunii de alimentare pentru microcontrolerele din modulul de detecție si modulul de numărare s-a facut cu ajutorul stabilizatorului de tensiune LM7805. Acesta este un stabilizator de tensiune nereglabil, cu tensiunea de ieșire de 5V și curent maxim de ieșire de 1A cu carcasă TO-220.

Un stabilizator de tensiune continuă este un cuadripol, care menține tensiunea de ieșire în limite foarte strânse (teoretic constantă), indiferent de variația tensiunii de intrare, a curentului prin sarcină, sau a temperaturii mediului ambiant, în domenii specificate prin standard sau norme tehnice. Stabilizatoarele de tensiune continuă fac parte din structura surselor de alimentare alaturi de transformator, de blocul redresor si de blocul de filtraj. 

LM7805 are 3 pini:

pinul 1 – pinul de intrare, unde aplică tensiunea electrică pentru stabilizare;

pinul 2 – pinul de masă;

pinul 3 – pinul de ieșire, al tensiunii stabilizate de 5V;

În circuitele modului de detecție si numărare s-a folosit configurația pentru aplicații tipice, din cadrul foii de catalog a stabilizatorului, cu condensatore nepolarizate pe intrare și ieșire, de 0,33 μF, respectiv 0,1 μF, pentru filtrare.

Caracteristici tehnice ale stabilizatorului de tensiune LM7805:

tensiune de ieșire: 5V

curent de ieșire maxim: 1,5A

tensiune maximă de intrare: 35V

carcasă: TO-220

tolerață tensiunii de ieșire: 4%

numar pini: 3

tip montare: THT

tip regulator tensiune: nereglabil

temperatura minimă de operare: 0 °C

temperatura maximăa de operare: 150 °C

4.4.3 Senzor de distanță cu ultrasunete HC-SR04

Detecția distanței din cadrul modulului de detecție se face cu ajutorul unui senzor cu ultrasunete de distanță HC-SR04.

Senzorul de ultrasunete HC-SR04, este un senzor compatibil cu orice microcontroler, ce funcționează pe principiul sonarului pentru a detecta distanța până la un obiect, oferind un interval al distanței măsurate: de la 2 cm până la 450 cm, cu precizie de până la 3 mm. Modulul include atât Transmițătorul (T) care trimite semnalul cât și Receptorul (R) care îl recepționează.

Ultrasunetele au o frecvență ridicată (în principiu 40kHz). La început este trimis un semnal de 10 μs, apoi o serie de 8 impulsuri de 40 kHz. Receptorul așteaptă ecoul: dacă răspunsul este între 150 μs – 25 ms se detectează un obstacol; iar dacă timpul este peste 38 ms nu se detectează nimic).

Distanța este calculată folosind formula , unde este lungimea, este viteza sunetului în aer (344 m/s la temperatura ambiantă de 20°C), iar este diferența de timp de la trasmitere până la recepționare; timpul este înjumătățit deoarece distanța este parcursă în ambele sensuri. Trebuie ținut cont că viteza sunetului este afectată de densitatea aerului (iar densitatea este afectată în principal de temperatură și altitudine).

Parametrii tehnici:

tensiunea de lucru: 5 V (DC)

curent static: < 2 mA

semnal ieșire: semnal de frecvență electric, 5 V – nivel inalt, 0 V – nivel scăzut

unghi senzor: nu mai mult de 15°

distanta de detectare: 2 cm – 450 cm

precizie înalta: pana la 0.3 cm

frecvența de operare : 40 Hz

semnal trigger intrare: TTL impuls 10 μs

semnalul echo ieșire: ieșire TTL semnal PWL

dimensiuni: 45 mm x 20 mm x 15 mm

Schema electronică a senzorului HC-SR04:

Senzorul HC-SR04 folosește pentru crearea semnalului de emisie și pentru receptarea semnalului intors un microcontroler STC11F, un microcontroler chinezesc bazat pe a arhitectura microcontrolerului Intel 8051. Pentru stabilitatea frecvenței acest, mirocontroler are atasat un oscilator cu cuarț de 4 MHz. Pentru emiterea și receptarea semnalelor se folosesc traductoarele ultrasonice T40-16 și R40-16 .

Modulul are 4 pini:

Vcc – alimentare: 5 V

Trig – care transmite semnalul

Echo – cel care asteaptă ecoul

GND – reprezintă masa

4.4.4 Afisajul LCD

Modulul de detecție are conectat un afisaj LCD alfanumeric pentru afisarea distanței detectate de senzorul de distanță HC-SR04. Afisajul LCD folosit se numeste 1602A, una afisaj LCD alfanumeric ce este bazat pe controlerul HD44780, capabil să afiseze 16  caractere pe două randuri de culoare albă pe un fundal albastru.

Caracteristici tehnice ale afisajului 1602A:

tensiune de alimentare: 5V

tip afișaj: LCD

tip afișaj: alfanumerice???

tehnologia afișajului: STN Negative

număr de semne (coloane x rând) : 16×2

culoare fundal: albastru

dimensiuni fereastră: 66 x 16mm

IIiuminare: LED

tipul controlerului: HD44780

culoare lumină de fundal: albă

dimensiuni: 80 x 36 x 13.2mm

numărul de pini: 16

tip dispunere pini: 1×16

Descrierea pinilor afisajului LCD 1602A :

Modulele LCD cu controler propriu pot fi interfațate cu unități cu microprocesor de 4 sau 8 biți. În cadrul interfeței de date este de 8 biți, datele se transferă folosind magistrala de date de la DB0 la DB7, pe cand în cadrul interfeței de 4 biți, datele se transferă folosind magistrala de date de la DB4 la DB7, pinii de la DB0 la DB3 rămanand neconectați sau se pot conecta la masă. Modul de transfer de date din cadrul interfeței de 8 biți este in felul urmator: mai întai se setează caracterul de afisat pe bus-ul de 8 biti, apoi seteză modul date (RS=1), apoi se creează un impuls pe semnalul Enable. În cadrul interfeței de 4 biți, mai întai se setează biții MSB (4-7) pe bus-ul de 4 biți (D4-D7), apoi setezi modul date (RS=1), apoi un impuls pe semnalul Enable; urmează biții LSB (0-3) pe bus-ul de 4 biți (D4-D7), apoi se creează un impuls pe semnalul Enable.

Controlerul LCD contine 3 blocuri de memorie:

DDRAM Display Data RAM

CGRAM Character Generator ROM

CGROM Character Generator RAM

Memoria DDRAM se folosește pentru stocarea caracterelor afișate pe ecran și poate memora 80 caractere, din care o parte sunt cele afișate direct pe ecran, ea poate scrisă, dar și citită. Continutul ei se pierde la deconectarea de la alimentare.

Functionarea este in felul următor: se configureză ecranul să incrementeze adresa automat (shift right) și să configureze adresa de start pentru mesajul care se afisează (ex. 0x00 hexa). Apoi, toate caracterele trimise pe liniile D0-D7 vor fi afișate de la stanga la dreapta. În acest caz, afișarea începe de la primul caracter din rând deoarece adresa inițiala este 0x00. Daca se trimit mai mult de 16 caractere, toate vor fi memorate, dar numai primele 16 vor fi vizibile. Pentru a afișa și restul, se va folosi comanda SHIFT, care mută fereastra vizibilă spre celelalte zone din memorie, caracter cu caracter.

Memoria CGROM conține un set standard de caractere, toate variantele care le poate afisa controlerul respectiv. Fiecare caracter are alocată o zonă de memorie CGROM.

Memoria CGRAM conține simbolurile definite de utilizator, pe lângă cele standard. Poate fi un simbol grafic de 5×8 pixeli. Pentru fiecare caracter sunt necesari 64 bytes. Din fiecare byte, doar primii 5 biți sunt utilizati.

4.4.5 LED-urile de avertizare

Un LED este o diodă semiconductoare ce emite lumină la polarizarea directă a joncțiunii p-n.

În cadrul modulului de detecție există două leduri de 3 mm, unul verde si altul roșu, asestea se aprind intermtent în funcție de distanța detectată de senzorul de distanță, atunci cand acest modul este folosit ca asistent de parcare pentru autovehicule. Atunci când modulul de detecție este folosit ca numarător de trafic ledul verde va fi continuu aprins iar cel roșu va fi stins.

Ledul verde se numește HB3B-143, iar caracteristicile lui tehnice sunt urmatoarele:

tensiune de alimentare: 2,15V

curent nominal: 20mA

diametru diodă LED: 3mm

culoare diodă LED: verde

luminozitate: 20-40mcd

unghi luminozitate: 40°

lungime undă: λd 567nm

lentilă diodă: difuză, colorată

plaja temperaturilor de funcționare: de la -25 °C până 85 °C

montare: THT

LED-ul roșu se numește HB3B-142, caracteristicile lui tehnice sunt aceleași cu ale LED-ului HB3B-143 prezentate mai sus, cu exceptia tensiunii de alimentare, care este de 2,20V și lungimii de undă, ce are valoarea de 658nm.

Pentru a le asigura o durată de viață mai mare fiecare dintre aceste leduri a fost conecatat in serie cu o rezistență. Pentru calcularea rezistentei am folosit legea lui Ohm, unde rezistența este egală cu raportul dintre tensiune si intensitate: .

De exemplu: => => 140 Ω, deci rezistența minimă pe care o puteam folosi pentru leduri este 140 Ω, totuși eu am folosit o rezistență de 470 Ω pentru o luminozitate mai mică și o durată de viață mai mare a LED-urilor.

4.4.6 Buzzerul pentru avertiare sonoră

În cadrul modulului de detecție am folosit un buzzer pentru a produce sunete de avertizare,la o frecvență de 880 Hz, în funcție de distanța detectată atunci cand modulul funcționează ca asistent de parcare. Atunci cand modulul de detecție funcționează ca detector de trafic acesta va emite un semnal, la o frecveță de 1320 Hz, de jumatate de secundă atunci cand detectează un autovehicul.

Buzzerul folosit de mine se numește LD-BZPN-2312 și are urmatoarele caracteristici tehnice:

tip traductor sunet : piezoelectric

caracteristici : fară generator incorporat

frecvența maximă de rezonanță:  4kHz

curent de lucru: 5mA

plaja temperaturilor de lucru: de la -20°C până la 60°C

diametru : 23mm

înaltime : 5mm

domeniu tensiuni de lucru : 1 – 30 V

nivel acustic maxim: 80dB (d=0.3 m)

capacitanța : 24nF

frecvența de măsurare a capacitanței : 120Hz

toleranta pulsatiei rezonante : +/- 500Hz

terminale : cabluri

toleranta capacitantei: 30%

Pentru limitarea volumului acustic al buzzerului, acesta a fost înseriat cu o rezistență de 470 Ω.

4.4.7 Afisajul cu șapte segmente

În cadrul modulului de numărare, pentru afișarea numarului de autovehicule detectate, s-a folosit un afisaj cu șapte segmente si doi digiți. Acest afisaj LED esteun afisaj de culoare verde, cu catod comun, numit DC56-11GWA.

Pentru limitarea numarului de pini folosiți din cadrul microcontrolerului, afisajul a fost multiplexat. Pinii echivalenți din cei doi digiți au fost șuntați și conectați la microcontroler, iar catodele fiecarui digit au fost conectate la masă prin colectorul și emitorul unui tranzistor NPN, și anume 2N2222, baza acestora fiind conectată la anumiti pini ai microcontrolerului. Colectorul și emitorul tranzistorului sunt șuntate atunci cand microcontrolerul da o tensiune pozitivă in baza acestuia. De asemenea pentru această multiplexare s-a folosit si o librarie numită “Multiplex7Seg.h”.

Specificațiile tehnice ale acestui afisaj sunt urmatoarele:

tip afișaj: LED

montare: THT

tip afișaj: dublu, cu șapte segmente

înălțimea semnelor: 14mm

culoare: verde

luminozitate: 2-10.5mcd

electrod comun: catodul

raster terminale: 2.54mm

distanță între rânduri: 15.24mm

număr pini: 18

curent de lucru: 10mA

tensiune de alimentare (pe segment): 2,20V

lungime undă: 568nm

dimensiuni: 19.05 x 25mm

Dispunerea pinilor acestui afisaj este prezentă în figura următoare:

4.4.8 Emițătorul și receptorul infraroșu – comunicația IR

Comunicația IR reprezintă folosirea tehnologiei semnalelor infraroșii în sisteme sau echipamente, pentru transferarea de date wireless. Tehnologia IR este folosită pentru comunicații și control de bandă scurtă sau medie, în detectoare în scop de protecție (detectori de mișcare, detectori de foc), transfer de date, echipamente de control, sisteme robot, comunicații laser, microfoane fără fir, căști, modemuri, mouse, printere și alte periferice. Comunicația infraroșu reprezintă cel mai ieftin mod ce comunicație wireless, doaarece nu este necesară folosirea multor piese electronice.

Pentru comunicația IR este necesară folosirea unui emițător și a unui receptor infraroșu. Emițătorul IR poate fi un LED infraroșu, iar receptorul IR este diodă sensibilă la lumină infraroșie, aflată intr-o capsulă cu trei pini: alimentare, masă și pin de control. Aceste componente pot fi incorporate și amândouă într-o singură capsulă, cum sunt de exemplu detectoarele de distanța cu infraroșii sau modulele de transmitere de date prin infraroșii.

Posibilitățile de comunicare între sisteme sunt nenumărate, putându-se realiza sisteme ce comunică între ele prin infraroșu, sisteme interfațate cu un host computer prin infraroșu, dar una dintre cele mai cunoscute aplicații este sistemul comandat prin telecomandă TV.

Un dezavantaj al comunicației IR il reprezintă faptul că pentru asigurarea acesteia, nu trebuie sa existe nici un obstacol între emițător si receptor. Comunicația IR nu se poate realiza decat sub anumite unghiuri (acestea putand sâ varieze în funcție de caracteristicile tehnice ale emițătorului si receptorului) după cum se vede in figura de mai jos.

Ca și în majoritatea protocoalelor de comunicație, fiecare șir de biți este precedat de un bit de start, de obicei emițătorul transmite doi identificatori (numere), unul reprezentând comanda iar celălalt sistemul care trebuie să primească comanda.Majoritatea comenzilor infraroșii (în special cele ale telecomenzilor TV) sunt codificată pe șapte biți, iar recepția pe cinci biți, uneori poate fi prezent și un bit toggle (imediat după bitul de start), care este folosit la obținerea diferenței între o comandă și repetările ei.

Codificarea unui semnal infraroșu se face ca în figura următoare:

Pe data de 28 iunie 1993, un grup de 120 de reprezentanți din 50 de companii de calculatoare au creat o asociație numitã Infrared Developers Association (IrDA) cu scopul de a standardiza comunicațiile în infraroșu. Tehnologia era deja pusã la punct în telecomenzile TV și la transferul de date între Notebook-uri, dar se simțea nevoia unui standard. Primul standard, bazat pe portul serial RS232 a fost aprobat în 1994. Acest standard folosește specificațiile portului serial, aceeași structurã de date dar din pãcate și limitele vitezei. În 1995 a fost aprobat un nou standard de mare vitezã care împinge limita de vitezã la 1 Mbps.  

În cadrul comunicațiilor fară fir (wireless), standardul IrDA face parte din categoria transmisiei infraroșu directe, o comunicație punct la punct. Între echipamente trebuie sã existe vizibilitate directã. În afara acestui tip de comunicație mai existã comunicația infraroșu difuzã, o comunicație ce permite legãturi multiple și care nu necesitã vizibilitate directã între echipamente, dar care necesitã materiale speciale de construcție a clãdirilor. 

Avantajele comunicației infraroșu sunt evidente: ușurarea portabilitãții aparatelor, eliminarea cuplajelor cablate (nu se mai întrerup firele și nu se mai întâmplã ca un conector sã nu facã contact), eliminarea perturbațiilor electromagnetice radiate, deci implicit eliminarea interferențelor electromagnetice. Aceste avantaje sunt majore în zonele de lucru cu regim special, cum ar fi centralele nucleare, laboratoarele de cercetare și mãsurãri de precizie, acceleratoarele de particule etc. Aceste avantaje au dus la rãspândirea echipamentelor cu interfațã IrDA. Faptul cã perifericele în infraroșu se fabricã în multe exemplare a dus firesc și la scãderea prețurilor, care le face accesibile.

În cadrul modulului de detecție, pentru asigurarea comunicației acestuia cu modulul de numrare a fost intetregrat un LED infraroșu. Atunci când senzorul de distanță dinc cadrul modulului de detecție detectează un obstacol între 40-60 cm, microcontrolerul acestui modul generează un semnal la o frecvență de 36 KHz către LED-ul infraroșu. Semnalul va fi receptat de receptorul de infraroșii din cadrul modulului de numărare.

LED-ul infraroșu folosit de mine se numște TSAL5300 și are urmatoarele specificașii tehnice:

tip: diodă emițător infraroșii

curent nominal: 100mA

tensiune de alimentare: 2,60V

diametru diodă LED: 5mm

lungime undă: λd 940nm

lentilă diodă: transparentă, albastră

putere optică: 100mW

unghi luminozitate: 45°

montare: THT

plaja temperaturilor de funcționare: -40 °C pâna la 80 °C

În cadrul modulului de numărare pentru receptarea semnalelor infraroșii primite de la modulul de detecție este facută cu ajutorul unui receptor de infraroșii de 38KHz. Când acest receptor identifică o undă infraroșie la o frecvență de 38KHz pentru 500 ms, este incrementat contorul integrat în modulul de numărare.

Receptorul de infraroșii folosit se numește TSOP4838 și are următoarele specificații tehnice:

frecvență de operare: 38kHz

rază de recepție: 45 m

unghi maxim de recepție:45°

tensiune minimă de alimentare:2.5V

tensiune maximă de alimentare:5.5V

putere de conum: 50 mW

lungime undă: λd 940nm

tip diodă: diodă amplificată

temperatura minimă de operare: -25°C

temperatura maximă de operare:85°C

numar pini: 3

montare: THT

dimensiuni: 6 x 5.6 x 6.95 mm

4.4.9 Tabelul componentelor utilizate pentru realizarea modulelor

Modulul de detecție:

Modulul de numărare:

CAPITOLUL 5 – Fiabilitatea sistemului

5.1 Introducere

Fiabilitatea unui sistem depinde de fiabilitatea componentelor electronice din care este alcătuit. Teoretic, media timpului de bună funcționare a componentelor electronice este foarte mare, însă fiabilitatea ansamblului depinde și de condițiile de folosire, deoarece erorile generate de fiecare componentă se adună și măresc eroarea ansamblului.

De aceea, pentru a avea o performanță ridicată în ceea ce privește fiabilitatea unui sistem se recomandă ca dispozitivele componente să fie folosite în spații climatizate pentru a reduce variațiile de temperatură și umiditate ce pot afecta buna funcționare a echipamentelor.

Timpul de bună funcționare poate fi prelungit dacă sistemul este verificat periodic pentru evitarea decalibrării excesive a unor componente, curățarea contactelor și a conectorilor precum și inspectarea stării cablajelor în cazul în care mediul de lucru prezintă umiditate ridicată.

În tehnica actuală, fiabilitatea este văzută ca o problemă fundamentală, pentru ca ea reprezintă un parametru principal al calității, permițând bună comportare în timp a elementelor și sistemelor, în conditiile de influență pe care o exercită factorii interni și externi. Prin aceasta, mai este definită ca reprezentând dinamica în timp a calității.

5.2 Fiabilitatea unui sistem

În condiții reale de utilizare, componentele din structura echipamentelor sunt supuse unui ansamblu de solicitări. Pentru componentele electrice și electronice, principalele tipuri de solicitări sunt: electrice, termice și mecanice (șocuri, vibrații etc.). Prin urmare, solicitarea reală este complexă și constă în aplicarea unor energii, dintre care cel puțin una este utilă în regimul de funcționare a sistemului respectiv. Dar, în afară de energii, componentele sunt supuse și unor influențe datorită materialelor care există în mediul ambiant: aer, apă, substanțe corosive etc. Prin pătrunderea acestora în masa componentelor, se pot produce modificări ale unor proprietăti fizice utile; ca și în cazul energiilor, aceste solicitări se manifestă printr-un proces de uzură (deteriorare).

Cu alte cuvinte, în condiții reale, componentele echipamentelor sunt expuse unui regim de uzură atât din partea sarcinii utile cât și din partea ambianței. Totodată și componentele exercită o inf1uență asupra mediului ambiant, prin degajări de energie și de material (căldură, vibrații, gaze etc.).

Defectarea reprezintă un parametru negativ în cadrul fiabilitații. Pentru studierea unei defecțiuni, trebuiesc luate în calcul urătoarele:

defectarea unei componente coincide cu momentul în care aceasta urmează o lege complet nouă de comportare (din punct de vedere funcțional);

defectarea este o consecință a faptului că energia înmagazinată (în componentă) depășește o anumită valoare critică;

punctul la nivelul căruia se manifestă defectul poate fi apreciat ca fiind rezistența componentei; această rezistență trebuie înteleasă în sensul unei proprietăți de a se opune defectării.

Uneori, în sistemele tehnice, defectarea unei componente antrenează și defectarea altora; în acest caz se produce o defectare în avalanșă, cauza fiind noua repartizare de energie care se face după o defectare.

În cazul general, pentru o componentă oarecare se demonstrează și se verifică experimental următoarea relație, numită ecuația fundamentală de deteriorare:

unde: – reprezintă rezistența instantanee, – rezistența inițială, constantă data de concentrația materialelor în mediu și de natura lor, – parametru timp, – baza logaritmilor naturali și – o funcție ce depinde de energiile ce intră în procesul de reacție dintre substanțele componente și ale ambianței.

Dacă factorii din mediul ambiant nu variază (ambianță constantă),

, ecuația anterioară se poate pune sub forma:

, de unde rezultă: .

Deci, în conditii de ambianță constantă, rezistența descrește exponențial în timp. Dacă, în aceleași conditii, solicitarea aplicată (s) este egală cu rezistența componentei, are loc defectarea. Prin urmare, dacă , atunci și relația de mai sus se poate scrie:

.

5.3 Media timpului de bună funcționare (MTBF)

Un sistem tehnic se găsește în stare de funcționare până la prima apariție a uneia sau mai multor defectări, categoric simultane, când sistemul nu mai poate îndeplini una sau mai multe dintre funcțiunile prevăzute.

Media timpului de bună funcționare (MTBF) reprenintă intervalul de timp mediu, statistic determinat, în care un sistem funcționează până la prima defectare. Există produse reparabile și produse nereparabile (cu un ciclu unic de folosință, ca de exemplu de exemplu, un element galvanic).

Produsele reparabile sunt produse complexe la care fiecare dintre subansamble are o altă durată de viață.

Durata de viață reprezintă intervalul de timp determinat de la punerea în funcție și până la consumarea integrală a rezervei de funcționare, când uzura este totală și obiectul este casat și reciclat. Durata de viață normală reprezintă intervalul de timp în care instalația respectivă este utilizată cu profit.

Media timpului de bună funcționare a unui sistem se identifică în funcție de suma fiabilității fiecarei componente pe care o are, unde k. MTBF este egală cu raportul dintre și ;i reprezintă numărul de ore în care sistemul poate sa funcționeze

MTBF pentru modulul de detecție se calculează dupa urmatorul tabel:

MTBF = = = 50226,01 h

Un an are 8760h, rezulta MTBF = = 5,73 ani

MTBF pentru modulul de numărare:

MTBF = = = 56369,78 h

MTBF = = 6.43 ani

Daca acest sistem este folosit într-un caz real, se recomandă verificări periodice, indiferent de media timpului de bună funcționare sau de condițiile factorilor externi.

CAPITOLUL 6 – Anexe

6.1 Codurile sursă

6.1.1 Codul sursă al modulului de detecție

#define ECHOPIN 7 // se defineste pinul ECHO

#define TRIGPIN 6 // se defineste pinul ECHO

#define buzz 4 // se defineste pinul pentru buzzer

#define led_ir 3 // se defineste pinul LED-ului IR

int led_verde = A5; // se initializează pinul ledului verde

int led_rosu = A4; // se initializează pinul ledului roșu

#include <LiquidCrystal.h>

LiquidCrystal lcd(8, 9, 10, 11, 12, 13);

void setup()

{

tone(buzz, 880);

tone(led_ir, 38000);

pinMode(led_verde, OUTPUT);

pinMode(led_rosu, OUTPUT);

pinMode(ECHOPIN, INPUT);

pinMode(TRIGPIN, OUTPUT);

lcd.begin(16, 2);

lcd.print(" Iorgu Mihai ");

lcd.setCursor(0, 1);

lcd.print("");

delay(1000);

lcd.clear();

lcd.print(" Prioiect de ");

lcd.setCursor(0, 1);

lcd.print(" licenta ");

delay(1000);

lcd.clear();

}

void loop(){

digitalWrite(TRIGPIN, LOW);

delayMicroseconds(2);

digitalWrite(TRIGPIN, HIGH);

delayMicroseconds(10);

digitalWrite(TRIGPIN, LOW);

float distance = pulseIn(ECHOPIN, HIGH);

distance= distance/58;

lcd.setCursor(0, 0);

lcd.print(" Distanta este: ");

lcd.setCursor(2, 1);

lcd.print(" ");

lcd.setCursor(5, 1);

lcd.print(distance);

lcd.print(" cm");

delay(200);

if (distance <= 40 && distance > 30)

{

digitalWrite(led_verde, HIGH);

digitalWrite(led_rosu, LOW);

delay(300);

digitalWrite(led_verde, LOW);

digitalWrite(led_rosu, LOW);

delay(25);

tone(buzz, 880);

delay(300);

noTone(buzz);

delay(25);

noTone(led_ir);

}

if (distance <= 30 && distance > 20)

{

digitalWrite(led_verde, HIGH);

digitalWrite(led_rosu, LOW);

delay(150);

digitalWrite(led_verde, LOW);

digitalWrite(led_rosu, LOW);

delay(25);

tone(buzz, 880);

delay(150);

noTone(buzz);

delay(25);

noTone(led_ir);

}

if (distance <= 20 && distance > 10 )

{

digitalWrite(led_verde, LOW);

digitalWrite(led_rosu, HIGH);

delay(110);

digitalWrite(led_verde, LOW);

digitalWrite(led_rosu, LOW);

delay(25);

tone(buzz, 880);

delay(110);

noTone(buzz);

delay(25);

noTone(led_ir);

}

if (distance <= 10 && distance > 0)

{

digitalWrite(led_verde, LOW);

digitalWrite(led_rosu, HIGH);

delay(75);

digitalWrite(led_verde, LOW);

digitalWrite(led_rosu, LOW);

delay(25);

tone(buzz, 880);

delay(75);

noTone(buzz);

delay(25);

noTone(led_ir);

}

if (distance > 40 && distance <= 60)

{

digitalWrite(led_verde, HIGH) ;

digitalWrite(led_rosu, LOW);

tone(buzz, 1320);

delay(500);

noTone(buzz);

delay(250);

tone(led_ir, 38000);

delay(500);

noTone(led_ir);

delay(250);

}

if (distance > 60)

{

digitalWrite(led_verde, HIGH);

digitalWrite(led_rosu, LOW);

noTone(buzz);

noTone(led_ir);

}

if (distance <= 0 && distance > 450)

{

digitalWrite(led_verde, LOW) ;

digitalWrite(led_rosu, LOW);

noTone(buzz);

noTone(led_ir);

}}

6.1.2 Codul sursă al modulului de numărare

#include <Multiplex7Seg.h>

byte digitPins[] = {9, 10};

byte segmentPins[] = {2, 3, 4, 5, 6, 7, 8};

int buttonState = 0;

unsigned int adc;

int contor = -1;

bool go_by_switch = true;

int last_input_value = LOW;

void setup() {

Multiplex7Seg::set(1, 2, digitPins, segmentPins);

}

void loop() {

if(go_by_switch) {

int switch_input_value = digitalRead(11);

if(last_input_value == LOW && switch_input_value == HIGH) {

counter = (counter + 1);

}

last_input_value = switch_input_value;

Multiplex7Seg::loadValue(contor);

delay(85);}

if (contor = 100){

contor = 0;}

}

6.2 Cablajele folosite pentru imprimare

Cablajul modulului de detecție:

Cablajul modulului de numărare:

6.3 Lista abrevierilor

ALU – („Arithmetic Logic Unit”) Unitatea aritmetică și logică;

APTS – („Advanced Public Transports System”) Sistemele avansate de management al transportului public;

ATMS – („Advanced Traffic Management System”) Sisteme avanste de management al traficului;

AVCS – („Advanced Vehicule Control System”) Sisteme avansate de contol pentru vehicule;

CMOS – („Complementary Metal–Oxide–Semiconductor”) Semiconductor complementar metal-oxid;

CPU – („Central Processing Unit”) Unitate centrală de prelucrare;

CVO – („Commercial Vehicle Operation”) Sisteme de management al încărcăturii și al parcului de vehicule;

CW – („Continuous Wave”) Undă continuă;

DBI – Detectorul de tip Buclă Inductivă;

GPS – („Global Positioning System”) Sistem de poziționare global;

IR – („Infrared”) Infrarosu;

IrDA – („Infrared Developers Association”) Asociația dezvoltatorilor de aplicatii infrarosu;

ITS – („Intelligent Transport Systems”) Sisteme Inteligente de Transport;

LCD – („Liquid Crystal Display”) Ecran cu cristale lichide;

LED – („Light Emitting Diode”) Diodă emițătoare de lumină;

MTBF – („Mean Time Between Failures”) Media timpului de bună funcționare;

NS – Noduri de senzori;

PA – Punct de acces;

PCB – („Printed Circuit Board”) Cablaj imprimat;

PIR – („Passive Infrared sensor”) Senzor infraroșu pasiv;

PTM – („Public Transport Management”) Managementul transportului public;

PTM – („Public Transport Management”) Managementul transportului public;

PWM – („Pulse-width modulation”) Modulare în pulsuri;

SPV – Sistemele bazate pe Procesarea imaginilor Video;

THT – („Through-Hole Technology”) Montare prin găuri;

TMC – („Traffic Managemet Center”) Management al traficului cu centru dispecer;

UTC – („Urban Traffic Control”) Control de trafic urban;

WIM – („Weigh In Motion”) Benzi de presiune pentru cântarire din mers;

6.4 Index figuri și tabele

Fig. 1.1 – Congestie trafic;

Fig. 1.2 – Arhitectura sistemului SCOOT;

Fig. 1.3 – Schema bloc sistemului UTOPIA-SPOT;

Fig. 1.4 – Coordonare UTOPIA-SPOT;

Fig. 2.1 – Bluclă inductivă;

Fig. 2.2 – Radar cu microunde;

Fig. 2.3 – Detectoare de trafic pasive în IR ;

Fig. 3.1 – Diferența dintre ultrasunete și sunete audibile;

Fig. 3.2 – Diferența dintre generatorul de ultrasunete piezoelectric și cel magnetostrictiv;

Fig. 4.1 – Schema bloc a modului de detecție;

Fig. 4.2 – Schema bloc a modului de numărare;

Fig. 4.3 – Schema electronică a modului de detecție;

Fig. 4.4 – Cablajul PCB al modului de detecție;

Fig. 4.5 – Schema electronică a modului de numărare;

Fig. 4.6 – Cablajul PCB al modului de numărare;

Fig. 4.7 – Pinii microcontrolerului ATmega32;

Fig. 4.8 – Arduino Uno R3;

Fig. 4.9 – Pinii microcontrolerului ATmega 328 în placa de achiziție Arduino;

Fig. 4.10 – Pseudocodul modululi de detecție;

Fig. 4.11 – Pseudocodul modululi de numărare;

Fig. 4.12 – LM7805;

Fig. 4.13 – Configurație pentru aplicații tipice cu LM7805;

Fig. 4.14 – HC-SR04;

Fig. 4.15 – Diagrama timpului pentru HC-SR04;

Fig. 4.16 – Schema electronică a senzorului HC-SR04;

Fig. 4.17 – Afisajul LCD 1602A;

Fig. 4.18 – LED-uri;

Fig. 4.19 – Buzzer LD-BZPN-2312;

Fig. 4.20 – Afisaj cu șapte segmente și doi digiți;

Fig. 4.21 – Pinii afisajului cu șapte segmente și doi digiți;

Fig 4.22 – Unghiurile pentru transmiterea sennalului infraroșu;

Fig. 4.23 – Codificarea semnalului infraroșu;

Fig. 4.24 – LED IR – TSAL5300;

Fig. 4.25 – Receptor IR – TSOP4838;

Fig. 6.1 – Cablajul modulului de detecție folosit pentru imprimare;

Fig. 6.2 – Cablajul modulului de numărare folosit pentru imprimare.

6.5 Index tabele

Tabel 1 – Caracteristici ale unor sisteme UTC;

Tabel 2 – Comparație între limbaju microC și Arduino;

Tabel 3 – Pinii folosiți din cadrul micocontrolelor ATmega328 ;

Tabel 4 – Pinii afisajului LCD 1602A;

Tabel 5 – Componentele din cadrul modulului de detecție;

Tabel 6 – Componentele din cadrul modulului de numărare;

Tabel 7 – MTBF pentru modulul de detecție;

Tabel 8 – MTBF pentru modulul de numărare.

Concluzii finale

Sistemul prezentat in această lucrare poate avea o importață desosebită in cadrul transporturilor (nu neapărat doar al celor rutiere), deoarece acest sistem folosind microcontrolere, poate interacționa cu alte sisteme.

Microcontrolerul modului de detecție a fost programat pentru a îndeplini functia de detector de trafic și asistent de parcare, dar daca este folosit în realitate, acesta trebuie sa îndeplinească o singură funcție. Parametrii cu care a fost prorgamat, nu sunt alesi astfel încat să definescă un sistem real, deja existent, ci doar pentru a demonstra aplicativitatea acestui sistem in cadrul transporturilor. Parametrii se pot modifica prin reprogramarea micocontrolerului.

Un detector de trafic poate avea mai multe aplicativități in cadrul transporturilor. De exemplu daca acest sistem, cand este folosit ca numărator de trafic, ar putea comunica cu un centru de comanda, ce ar putea asigura undă verde într-o intersecție, astfel imbunatățind confortul traficului. O altă aplicativitate a unui numărator de trafic, poate fi aceea de stingerea sistemelor de iluminare din cadul unei autostrăzi, sau de limitare a puterii acesteia, atunci cand nu este detectat nici un autovehicul, pentru facilitarea unei economiei în cazul energiei electrice.

Acest sistem poate fi folosit folosit și ca asistent de parcare, montandu-se in exteriorul autovehicului, langă peretele garajului sau lângă un obstacol din parcare, soferul putând sa apecieze distanța in funcție de semnalele luminoase si sonore.

Comunicația între modulul de detecție și modulul de numărare este o comunicație infraroșu. Aplicativitatea acestui tip de comunicație se poate realiza în mediile unde exista puternice interferențe magnetice sau unde alte tipuri de comunicații (de exemplu radio) sunt interzise. Emițătorul și receptorul infraroșu au fost montate în niste terminale, deci dacă acestea se doresc a fi înlocuite, se pot înlocui foarte ușor cu alte kituri de comunicație wireless (de exemplu radio, bluetooth, GSM etc) sau cu conectoare între module, micorcontrolerele acestuia trebuind sa fie reprogramate in funcție de modul de comunicație ales.

Bibliografie

Behrouz A. Forouzan – Data communications and networking. Editura McGraw-Hill, New York, 2007

Bernard Sklar – Digital Communications: Fundamentals and Applications. Editura Prentice Hall, New Jersey , 2001

Corneliu Mihail Alexandrescu, Gheorghe Stan, Marius Minea – Managementul Centralizat Al Traficului Rutier Urban. Editura Centrului Tehnic, București, 2007

Douglas H. Williams – PDA Robotics: Using Your Personal Digital Assistant to Control Your Robot. Editura McGraw-Hill, New York , 2003

Eugen Lupu – Sisteme cu microprocesoare. Prezentare, programare și aplicații. Editura Albastră, Cluj-Napoca, 2003

George D. Oprescu – Caleidoscop de electonică. Editura Albatros, București, 1987

Iulian Bădescu – Microprocesoare. Editura Politehnica București, 2002

John G. Proakis, Masoud Salehi – Digital Communications. Editura McGraw-Hill, New York, 2007

Mircea Ciugudean – Stabilizatoare de tensiune cu circuite integrate liniare. Editura de Vest, București, 2001

Mohammad Ilyas, Imad Mahgoub – Handbook of Sensor Networks: Compact Wireless and Wired Sensing Systems. Editura CRC Press, Boca Raton, 2004

www.adelaida.ro

www.adelectrocom.ro

www.alltransistors.com

www.arduino.cc

www.atmel.com

www.datasheetcatalog.com

www.mikroe.com

www.niqro.3x.ro

www.robofun.ro

www.tehnic.go.ro

www.tme.eu

Bibliografie

Behrouz A. Forouzan – Data communications and networking. Editura McGraw-Hill, New York, 2007

Bernard Sklar – Digital Communications: Fundamentals and Applications. Editura Prentice Hall, New Jersey , 2001

Corneliu Mihail Alexandrescu, Gheorghe Stan, Marius Minea – Managementul Centralizat Al Traficului Rutier Urban. Editura Centrului Tehnic, București, 2007

Douglas H. Williams – PDA Robotics: Using Your Personal Digital Assistant to Control Your Robot. Editura McGraw-Hill, New York , 2003

Eugen Lupu – Sisteme cu microprocesoare. Prezentare, programare și aplicații. Editura Albastră, Cluj-Napoca, 2003

George D. Oprescu – Caleidoscop de electonică. Editura Albatros, București, 1987

Iulian Bădescu – Microprocesoare. Editura Politehnica București, 2002

John G. Proakis, Masoud Salehi – Digital Communications. Editura McGraw-Hill, New York, 2007

Mircea Ciugudean – Stabilizatoare de tensiune cu circuite integrate liniare. Editura de Vest, București, 2001

Mohammad Ilyas, Imad Mahgoub – Handbook of Sensor Networks: Compact Wireless and Wired Sensing Systems. Editura CRC Press, Boca Raton, 2004

www.adelaida.ro

www.adelectrocom.ro

www.alltransistors.com

www.arduino.cc

www.atmel.com

www.datasheetcatalog.com

www.mikroe.com

www.niqro.3x.ro

www.robofun.ro

www.tehnic.go.ro

www.tme.eu