基于光學(xué)偏振的結(jié)冰黑冰檢測系統(tǒng)

田芮玨 孫寧

摘? 要： 本文設(shè)計(jì)了一套基于光學(xué)偏振的結(jié)冰黑冰檢測系統(tǒng)，由供電模塊、溫濕度傳感器模塊、主處理器模塊、無線通信模塊等組成。目前的偏振檢測結(jié)冰黑冰無法區(qū)分結(jié)冰和積水造成誤判，系統(tǒng)通過硬件設(shè)備檢測道路的偏振和溫濕度信息，通過數(shù)據(jù)處理，實(shí)現(xiàn)結(jié)冰和黑冰的檢測。

關(guān)鍵詞： 偏振成像;道路結(jié)冰;道路黑冰

中圖分類號(hào)： TP39? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A? ? DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2020.10.050

本文著錄格式：田芮玨，孫寧. 基于光學(xué)偏振的結(jié)冰黑冰檢測系統(tǒng)[J]. 軟件，2020，41（10）：194197

【Abstract】： This paper designs a set of ice black ice detection system based on polarization imaging， which is composed of power supply module， temperature and humidity sensor module， main processor module， wireless communication module， etc. The current polarization detection of ice and black ice can not distinguish ice and water， resulting in misjudgment. The system detects the polarization and temperature and humidity information of the road through hardware equipment， and realizes the accurate detection of ice and black ice through data processing.

【Key words】： Vehicle dispatch; Raspberry Pie; Traffic flow monitoring

0? 引言

車輛在道路上行駛時(shí)惡劣天氣會(huì)讓汽車置于危險(xiǎn)之中。以部分地區(qū)冬季路面結(jié)冰為例，在結(jié)冰的道路上行駛的車輛會(huì)因打滑、甩尾等問題致使發(fā)生嚴(yán)重交通事故，特別是遭車輛急轉(zhuǎn)彎過程中會(huì)因車輛打滑造成車輛碰撞。目前，因極端惡劣的天氣導(dǎo)致的車輛道路行駛狀況較差成為誘發(fā)事故的主要原因。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全國由于不良天氣狀況導(dǎo)致的交通阻斷占總的三分之一[1]，國內(nèi)外解決這一問題的方法有：光學(xué)偏振法、模擬實(shí)驗(yàn)的結(jié)冰預(yù)測、紅外線傳感器探測等。例如：Muneo Yamada團(tuán)隊(duì)用光學(xué)偏振法來判斷地面是否結(jié)冰，光學(xué)偏振法主要是靠探測器和接收器接收到的光是否偏振判斷道路是否結(jié)冰[2]，但是水和冰的折射率相差不大，使用該方法不容易判斷路面上是積水還是已經(jīng)結(jié)冰，且沒有整合結(jié)冰情況的功能。熊竹和秦杰君用道路的溫度、降水量、相對(duì)濕度實(shí)驗(yàn)總結(jié)出結(jié)冰和融冰的情況，再通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算和預(yù)測道路結(jié)冰情況[3]。但是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)速度慢，不能及時(shí)對(duì)結(jié)冰做出預(yù)測而且會(huì)有一定偏差。高國龍用紅外線傳感器利用檢測馬路發(fā)射的紅外能量來確定溫度從而判斷地面有無結(jié)冰[4]，但是該方法只能及時(shí)告知司機(jī)減速慢行，沒有告知管理人員的功能。

本文結(jié)合了溫濕度和光學(xué)偏振兩種判斷方法，利用天氣狀況通過算法預(yù)測道路是否結(jié)冰和可能結(jié)冰的概率，利用光學(xué)偏振法測出地面是否有積水或結(jié)冰，再通過算法將天氣狀況的預(yù)測情況和光學(xué)偏振測出的結(jié)冰情況整合，更直接有效的發(fā)現(xiàn)路面的結(jié)冰情況，再將每年結(jié)冰情況整合，使誤差變小，極大程度上避免交通事故的發(fā)生。該系統(tǒng)成本較低，解決了判斷地面結(jié)冰或積水的誤差較大的問題。

1? 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于光學(xué)偏振的結(jié)冰黑冰檢測系統(tǒng)以光學(xué)偏振為核心，路側(cè)的檢偏器[5]和溫濕度傳感器上傳的路面偏振信息和溫度濕度并計(jì)算出路面是否有黑冰。系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，由路側(cè)的溫濕度傳感器和檢偏器進(jìn)行信息收集，

收集到的路面信息通過無線通信網(wǎng)絡(luò)將該信息上傳到主處理器，主處理器對(duì)上傳的信息進(jìn)行處理并計(jì)算出該路段黑冰形成情況，同時(shí)在上位機(jī)系統(tǒng)顯示結(jié)冰狀態(tài)并通知管理人員，最后管理人員派人進(jìn)行道路除冰。

2? 硬件電路設(shè)計(jì)

基于光學(xué)偏振的結(jié)冰黑冰檢測系統(tǒng)的硬件有溫濕度傳感器模塊、光學(xué)偏振模塊、無線通信模塊、車流量監(jiān)測模塊、主處理器模塊、數(shù)據(jù)收集模塊。

2.1? 供電模塊

該系統(tǒng)中主處理器使用5v直流電壓，溫濕度傳感器模塊使用5 V直流電壓，無線通信模塊使用2.97-3.63 V直流電壓，供電模塊使用錳酸鋰電池組[6]為電源，使用IC7805穩(wěn)壓芯片。7805三端穩(wěn)壓IC的性能非常穩(wěn)定，因?yàn)閮?nèi)部電路具有過壓保護(hù)、過流保護(hù)、過熱保護(hù)功能[7]。該芯片因?yàn)榫哂休^為良好的溫度系數(shù)所以該產(chǎn)品在各界應(yīng)用很廣泛。該芯片還可以通過本地調(diào)節(jié)來消弭噪音影響從而解決與單點(diǎn)調(diào)節(jié)相關(guān)的分散問題。

2.2? 處理器模塊

該系統(tǒng)使用MCS-51單片機(jī)[8]，通過處理器對(duì)道路的溫度濕度以及的分析處理，讓管理人員即時(shí)發(fā)現(xiàn)道路結(jié)冰程度和黑冰的形成。MCS-51單片機(jī)在實(shí)際運(yùn)用中算是應(yīng)用范圍最寬泛的，也是基礎(chǔ)入門的一種單片機(jī)。能兼容Intel 8031指令系統(tǒng)的全部單片機(jī)便被稱為MSC-51單片機(jī)。該系列剛開始在市場上發(fā)售的是Intel的8004單片機(jī)，后來Flash rom技術(shù)[9]迅速發(fā)展，使得Intel的8004單片機(jī)在各個(gè)方面發(fā)展極快，因?yàn)樗母黜?xiàng)性能卓越，所以在各個(gè)系統(tǒng)中被普遍應(yīng)用。

2.3? 無線通信模塊

定該系統(tǒng)使用MT7681模塊。MT7681是一款高度集成的Wi-Fi的SoC的單芯片， 提供GPIO和PWM智能控制。采用ulP TCP/IP協(xié)議棧[10]。能提供回調(diào)API供用戶編程。該芯片支持802.11n，能輕松為嵌入式設(shè)備設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)[11]，整合電源管理單元、低雜訊放大器、射頻切換器，所有功能都整合在40針腳的封裝中，為現(xiàn)今尺寸最小的支持IEEE802.11n標(biāo)準(zhǔn)的SoC。

2.4? 溫濕度傳感器模塊

計(jì)該系統(tǒng)使用DHT21（AM2301）溫濕度傳感器測量道路的溫度和濕度。AM2301濕敏電容數(shù)字溫濕度模塊是一款含有己校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器[12]。它使用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)使產(chǎn)品極為可靠和穩(wěn)定。該傳感器品質(zhì)優(yōu)越、響應(yīng)極快、抗干擾能力強(qiáng)、性價(jià)比極高[13]。而且該傳感器體積極小，功耗極低，系統(tǒng)集成簡單快捷，信號(hào)傳輸距離甚至可達(dá)20米以上，使它成為各種應(yīng)用場合的最佳選擇。

3? 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用Visual Basic 6.0開發(fā)設(shè)計(jì)，搭建結(jié)冰程度和黑冰檢測界面。

以如圖5所示，系統(tǒng)主界面由結(jié)冰程度、傳感器狀態(tài)、道路車輛流量、設(shè)備報(bào)修、結(jié)冰黑冰檢測總匯、個(gè)性化設(shè)置所構(gòu)成，分別實(shí)現(xiàn)道路結(jié)冰程度和黑冰的檢測、傳感器狀態(tài)檢測、道路車輛流量監(jiān)測、設(shè)備的報(bào)修、年月結(jié)冰黑冰統(tǒng)計(jì)、軟件界面的設(shè)置功能。

如圖6所示，管理員登入軟件后進(jìn)入主界面，該軟件的核心是檢測路面黑冰是否形成，光學(xué)偏振裝置和溫濕度傳感器對(duì)道路信息進(jìn)行收集，主處理器通過收集的信息計(jì)算出道路是否形成黑冰并上傳到上位機(jī)系統(tǒng)供管理人員查看。傳感器狀態(tài)界面可以檢測設(shè)備是否有故障，當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)管理人員能通過設(shè)備報(bào)修界面上報(bào)該設(shè)備出現(xiàn)故障的問題并讓維修人員維修設(shè)備。道路車輛流量界面能監(jiān)測每天道路的車流量[14]做出日流量圖，結(jié)冰黑冰檢測總匯界面能統(tǒng)計(jì)每月出現(xiàn)的黑冰天數(shù)并作出月統(tǒng)計(jì)圖[15]。

圖7是道路選擇，管理人員可以通過直接輸入和GPS定位[16]兩種方式選擇具體的道路，這里以江蘇省南京市玄武區(qū)龍?bào)绰窞槔?，道路選擇完畢后點(diǎn)擊確定進(jìn)入結(jié)冰黑冰檢測界面。

圖8是道路結(jié)冰黑冰檢測界面，管理人員進(jìn)入該界面后能直接看出該路段的溫濕度情況和該路段是否形成黑冰。

4? 結(jié)語

本文以光學(xué)偏振為核心，收集道路的偏振和溫濕度信息，處理器對(duì)收集到的信息進(jìn)行數(shù)據(jù)分析后計(jì)算出路面是否形成黑冰，通過無線通信將數(shù)據(jù)上傳到上機(jī)位系統(tǒng)，最后通知管理人員進(jìn)行除冰。該系統(tǒng)能分辨出結(jié)冰和積水，盡早發(fā)現(xiàn)路面黑冰情況進(jìn)行除冰，減少交通事故的發(fā)生概率。

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