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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。