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摘要:一直以来,高速公路隧道为交通事故多发场所。隧道入口处于两种不同运营环境之间,驾驶员会出现视觉差异,无法看清前方路况;同时隧道内外气温差异大,降雨降雪后,隧道积水无法及时蒸发,当隧道外部高速公路路面干燥时,隧道口和隧道内往往还存在冰层。
因此在冬季车辆侧滑导致连环车祸的情况经常发生。基于这一问题,我们采用无线传输、检测等技术,开发了一种高速公路隧道入口路面结冰检测及预报预警系统,旨在为驾驶员提供高速公路隧道入口的路面情况,减少事故发生。此外,本系统还可以对道路管理部门进行提示,使路面积冰得到及时清除。本文主要介绍该系统的组成和工作原理。
关键字:路面 结冰 检测 预报预警
1.系统组成
高速公路隧道入口路面结冰检测及预报预警系统主要组成部分有:单片机(包括主机和从机),温湿度检测模块,路面振动检测模块,GSM无线收发模块(两组)
1.1 单片机
1.1.1单片机的组成
● STC89C52芯片
● 串口下载芯片MAX232
● AD输入电位器
● 可更换晶振插座
● 精密电阻
● 时钟电池
● 12864LCD显示屏
● 电源指示灯
● 1*4矩阵按键
● 复位开关
● 电源开关
● GND接口
● 传感器接口
● 外接电源接口
● 串口接口
1.1.2单片机的功能
从机与温湿度检测模块、路面振动检测模块、GSM无线收发模块相连。温湿度检测模块检测路面温度、湿度,路面振动检测模块检测路面振动幅值,各模块将检测到的参数转化为数字信号传输到单片机中,单片机会将个参数与事先设置好的阈值进行对比,判断该处道路是否结冰,并形成相应的信号,通过GSM无线收发模块输出信号,传递到主机中去。主机与另一组GSM无线收发模块连接,主机接收到来自不同测点的从机传输的信息后,利用主机内存中存储的判断程序,判断出隧道入口路段的道路结冰情况。若该路段结冰,则主机通过GSM无线收发模块向显示屏发送信息,控制其显示警示语句,提醒驾驶员;同时主机通过指令,控制GSM模块自动编辑警示短信,发送到相关部门的终端设备上,提醒相关部门前来处理积冰。
1.2 温湿度检测模块
我们选用的温湿度检测模块为SHT10温湿度检测模块。SHT10传感器包括一个电容式聚合体测湿元件和一个能隙式测温元件,并与一个14 位的A/D 转换器以及串行接口电路在同一芯片上实现无缝连接,可以同时实现高质量的露点测量,低功耗,高性价比。SHT10的串行接口,在传感器信号的读取及电源损耗方面,都做了优化处理。此传感器外有铜烧结网保护层,使其抗车辆碾压能力增强。SHT10传感器在低温下工作性能良好,体积超小,因此本项目选择该传感器。
1.2.1 具体参数
采集周期:1s
响应时间:8s
测量范围:0—100%RH,-40—128℃
测湿精度:±4.5%RH
测温精度:±0.5℃,0.01%RH
分辨率: 0.01℃
供电电压:2.4V~5.5V
1.2.2 引脚说明
VDD:电源引脚
GND:地
DATA:串行数据,双向
SCK:串行时钟,输入口
(VDD和GND之间可增加1个100uF的电容器,用于去耦滤波。)
1.2.3 时序
(1)命令时序:发送一组“传输启动”序列进行数据传输初始化,如图2所示。其时序为:当SCK为高电平时DT翻转保持低电平,紧接着SCK产生1个发脉冲,随后在SCK为高电平时DATA翻转保持高电平。紧接着的命令包括3个地址位(仅支持“000”)和5个命令位。SHT10指示正确接收命令的时序为:在第8个SCK时钟的下降沿之后将DATA拉为低电平(ACK位),在第9个SCK时钟的下降沿之后释放DATA(此时为高电平)。
(2)测量时序(RH和T):“000 00101”为相对湿度(RH)量,“000 00101”为温度(θ)测量。发送一组测量命令后控制器要等待测量结束,这个过程大约需要20/80/320ms对应其8/12/14位的测量。测量时间随内部晶振的速度而变化,最多能够缩短30%。SHT10下拉DATA至低电平而使其进入空闲模式。重新启动SCK时钟读出数据之前,控制器必须等待这个“数据准备好”信号。接下来传输2个字节的测量数据和1个字节的CRC校验。MCU必须通过拉低DATA来确认每个字节。所有的数据都从MSB开始,至LSB有效。确认CRC数据位之后,通信结束。如果不使用CRC-8校验,控制器可以在测量数据LSB位之后,通过保持ACK位为高电平来结束本次通信。 测量和通信结束后,SHT10自动进入休眠状态模式。
(3)复位时序:如果与SHT10的通信发生中断,可以通过随后的信号序列来复位串口。保持DATA为高电平,触发SCK时钟9次或更多,接着在执行下次命令之前必须发送一组“传输启动”序列。这些序列仅仅复位串口,状态寄存器的内容仍然保留。 1.3 路面振动检测模块
由于经费等原因,我们采用SW-18020P振动模块代替路面振动结冰传感器,在实验中可达到相同效果。
1.3.1 SW-18020P模块的特点
(1)比较器输出,信号干净,波形好,驱动能力强,超过15mA
(2)工作电压:3.3V-5V
(3)输出形式:数字开关量输出(0和1)
(4)设有固定螺栓孔,方便安装
(5)小板PCB尺寸:3.2cm x 1.4cm
(6)使用宽电压LM393比较器
1.3.2 模块接线说明
VCC:接电源正极
GND:接电源负极
DO:数字量信号输出
AO:用此震动传感器此功能无效
1.4 GSM无线收发模块
我们选用的GSM无线收发模块为GTM900。GTM900开发板适用于GSM远程控制、智能家电系统、远程报警等应用,它基于STC12C5A60S2单片机,此单片机有两个串口,这样可以一个串口与GTM900通信,负责短信收发,另一个串口与PC通信实现程序的下载及调试信息的打印。
GTM900开发板有两种工作模式,单片机开发模式及无线Modem模式,这两种模式可以通过硬件跳线来配置。单片机开发模式,通过跳线配置GTM900与单片机通信,此时单片机的串口1与GTM900通信,而串口0与PC通信,可以实现程序的下载及运行时调试信息的打印。 无线Modem模式,通过跳线配置GTM900与PC直接通信。通过电脑可以直接控制GTM900,实现短信收发、拨打电话等功能。
GTM900内置了TCP/IP协议栈,除了具有GSM的所有功能外,还具有GPRS数据通信功能,可以通过TCP、UDP协议与远端服务器通信,进行数据传输。
2.系统工作原理
2.1工作过程
(1)温湿度传感器、路面振动传感器采集相应参数,并通过单片机进行分析判断
(2)当路面温度低于0摄氏度,湿度大于90%时,若路面振动幅值在给定范围内,则判断为该测点结冰,否则判断为该测点未结冰。当路面温度与湿度不满足条件时,判断为该测点未结冰。
(3)每个测点将结冰情况发送给主单片机,进行综合分析,判断路段是否结冰
(4)路段结冰时,主单片机控制显示屏显示提醒信息,控制GSM模块编辑短信,发送到相关部门终端设备。
2.2程序框图
2.3电路原理图
2.3.1 主机电路原理图
2.3.2 从机电路原理图
3.结论
高速公路隧道入口路面结冰检测及预报预警系统基于利用无线传输、检测等技术,实现了冬季隧道入口结冰情况的检测与判断,方便驾驶员提前了解前方路况,采取相应措施安全通过,能有效的避免由于驾驶员操作不当引起的车辆侧滑,极大地提高了冬季行车安全,减少了重大交通事故的发生。
因此在冬季车辆侧滑导致连环车祸的情况经常发生。基于这一问题,我们采用无线传输、检测等技术,开发了一种高速公路隧道入口路面结冰检测及预报预警系统,旨在为驾驶员提供高速公路隧道入口的路面情况,减少事故发生。此外,本系统还可以对道路管理部门进行提示,使路面积冰得到及时清除。本文主要介绍该系统的组成和工作原理。
关键字:路面 结冰 检测 预报预警
1.系统组成
高速公路隧道入口路面结冰检测及预报预警系统主要组成部分有:单片机(包括主机和从机),温湿度检测模块,路面振动检测模块,GSM无线收发模块(两组)
1.1 单片机
1.1.1单片机的组成
● STC89C52芯片
● 串口下载芯片MAX232
● AD输入电位器
● 可更换晶振插座
● 精密电阻
● 时钟电池
● 12864LCD显示屏
● 电源指示灯
● 1*4矩阵按键
● 复位开关
● 电源开关
● GND接口
● 传感器接口
● 外接电源接口
● 串口接口
1.1.2单片机的功能
从机与温湿度检测模块、路面振动检测模块、GSM无线收发模块相连。温湿度检测模块检测路面温度、湿度,路面振动检测模块检测路面振动幅值,各模块将检测到的参数转化为数字信号传输到单片机中,单片机会将个参数与事先设置好的阈值进行对比,判断该处道路是否结冰,并形成相应的信号,通过GSM无线收发模块输出信号,传递到主机中去。主机与另一组GSM无线收发模块连接,主机接收到来自不同测点的从机传输的信息后,利用主机内存中存储的判断程序,判断出隧道入口路段的道路结冰情况。若该路段结冰,则主机通过GSM无线收发模块向显示屏发送信息,控制其显示警示语句,提醒驾驶员;同时主机通过指令,控制GSM模块自动编辑警示短信,发送到相关部门的终端设备上,提醒相关部门前来处理积冰。
1.2 温湿度检测模块
我们选用的温湿度检测模块为SHT10温湿度检测模块。SHT10传感器包括一个电容式聚合体测湿元件和一个能隙式测温元件,并与一个14 位的A/D 转换器以及串行接口电路在同一芯片上实现无缝连接,可以同时实现高质量的露点测量,低功耗,高性价比。SHT10的串行接口,在传感器信号的读取及电源损耗方面,都做了优化处理。此传感器外有铜烧结网保护层,使其抗车辆碾压能力增强。SHT10传感器在低温下工作性能良好,体积超小,因此本项目选择该传感器。
1.2.1 具体参数
采集周期:1s
响应时间:8s
测量范围:0—100%RH,-40—128℃
测湿精度:±4.5%RH
测温精度:±0.5℃,0.01%RH
分辨率: 0.01℃
供电电压:2.4V~5.5V
1.2.2 引脚说明
VDD:电源引脚
GND:地
DATA:串行数据,双向
SCK:串行时钟,输入口
(VDD和GND之间可增加1个100uF的电容器,用于去耦滤波。)
1.2.3 时序
(1)命令时序:发送一组“传输启动”序列进行数据传输初始化,如图2所示。其时序为:当SCK为高电平时DT翻转保持低电平,紧接着SCK产生1个发脉冲,随后在SCK为高电平时DATA翻转保持高电平。紧接着的命令包括3个地址位(仅支持“000”)和5个命令位。SHT10指示正确接收命令的时序为:在第8个SCK时钟的下降沿之后将DATA拉为低电平(ACK位),在第9个SCK时钟的下降沿之后释放DATA(此时为高电平)。
(2)测量时序(RH和T):“000 00101”为相对湿度(RH)量,“000 00101”为温度(θ)测量。发送一组测量命令后控制器要等待测量结束,这个过程大约需要20/80/320ms对应其8/12/14位的测量。测量时间随内部晶振的速度而变化,最多能够缩短30%。SHT10下拉DATA至低电平而使其进入空闲模式。重新启动SCK时钟读出数据之前,控制器必须等待这个“数据准备好”信号。接下来传输2个字节的测量数据和1个字节的CRC校验。MCU必须通过拉低DATA来确认每个字节。所有的数据都从MSB开始,至LSB有效。确认CRC数据位之后,通信结束。如果不使用CRC-8校验,控制器可以在测量数据LSB位之后,通过保持ACK位为高电平来结束本次通信。 测量和通信结束后,SHT10自动进入休眠状态模式。
(3)复位时序:如果与SHT10的通信发生中断,可以通过随后的信号序列来复位串口。保持DATA为高电平,触发SCK时钟9次或更多,接着在执行下次命令之前必须发送一组“传输启动”序列。这些序列仅仅复位串口,状态寄存器的内容仍然保留。 1.3 路面振动检测模块
由于经费等原因,我们采用SW-18020P振动模块代替路面振动结冰传感器,在实验中可达到相同效果。
1.3.1 SW-18020P模块的特点
(1)比较器输出,信号干净,波形好,驱动能力强,超过15mA
(2)工作电压:3.3V-5V
(3)输出形式:数字开关量输出(0和1)
(4)设有固定螺栓孔,方便安装
(5)小板PCB尺寸:3.2cm x 1.4cm
(6)使用宽电压LM393比较器
1.3.2 模块接线说明
VCC:接电源正极
GND:接电源负极
DO:数字量信号输出
AO:用此震动传感器此功能无效
1.4 GSM无线收发模块
我们选用的GSM无线收发模块为GTM900。GTM900开发板适用于GSM远程控制、智能家电系统、远程报警等应用,它基于STC12C5A60S2单片机,此单片机有两个串口,这样可以一个串口与GTM900通信,负责短信收发,另一个串口与PC通信实现程序的下载及调试信息的打印。
GTM900开发板有两种工作模式,单片机开发模式及无线Modem模式,这两种模式可以通过硬件跳线来配置。单片机开发模式,通过跳线配置GTM900与单片机通信,此时单片机的串口1与GTM900通信,而串口0与PC通信,可以实现程序的下载及运行时调试信息的打印。 无线Modem模式,通过跳线配置GTM900与PC直接通信。通过电脑可以直接控制GTM900,实现短信收发、拨打电话等功能。
GTM900内置了TCP/IP协议栈,除了具有GSM的所有功能外,还具有GPRS数据通信功能,可以通过TCP、UDP协议与远端服务器通信,进行数据传输。
2.系统工作原理
2.1工作过程
(1)温湿度传感器、路面振动传感器采集相应参数,并通过单片机进行分析判断
(2)当路面温度低于0摄氏度,湿度大于90%时,若路面振动幅值在给定范围内,则判断为该测点结冰,否则判断为该测点未结冰。当路面温度与湿度不满足条件时,判断为该测点未结冰。
(3)每个测点将结冰情况发送给主单片机,进行综合分析,判断路段是否结冰
(4)路段结冰时,主单片机控制显示屏显示提醒信息,控制GSM模块编辑短信,发送到相关部门终端设备。
2.2程序框图
2.3电路原理图
2.3.1 主机电路原理图
2.3.2 从机电路原理图
3.结论
高速公路隧道入口路面结冰检测及预报预警系统基于利用无线传输、检测等技术,实现了冬季隧道入口结冰情况的检测与判断,方便驾驶员提前了解前方路况,采取相应措施安全通过,能有效的避免由于驾驶员操作不当引起的车辆侧滑,极大地提高了冬季行车安全,减少了重大交通事故的发生。