高速公路團(tuán)霧氣象信息采集自動控制系統(tǒng)設(shè)計

周步偉,楊 云,殷 彬,胡 松,汪祺瑞

(華東交通大學(xué)電氣與自動化工程學(xué)院，江西 南昌 330013)

0 引言

高速公路為國民經(jīng)濟(jì)和社會的發(fā)展發(fā)揮了巨大作用，各大中城市都已被高速公路網(wǎng)互聯(lián)，形成了四通八達(dá)的高速公路網(wǎng)。近年來，由于團(tuán)霧[1]等低能見度天氣導(dǎo)致的交通事故愈發(fā)增多，給人們的出行安全造成了很大威脅。同時，由于團(tuán)霧具有突發(fā)性、低能見度性、流動性等特點(diǎn)，對于高速公路行駛的車輛來說非常危險。因此，針對此類氣象條件帶來的安全駕駛隱患，提出了一種高速公路團(tuán)霧氣象信息采集自動控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以自動地對高速公路沿線進(jìn)行氣象數(shù)據(jù)采集與分析，通過北斗衛(wèi)星定位，在可變信息情報板上實(shí)時提供該路段的氣象信息，提醒過往駕駛員做好預(yù)防應(yīng)急措施。

1 信息采集自動控制系統(tǒng)設(shè)計

信息采集自動控制系統(tǒng)[2-3]是針對高速公路上低能見度環(huán)境開發(fā)的系統(tǒng)，包括信息采集單元、控制單元、執(zhí)行顯示單元三個部分。

信息采集自動控制系統(tǒng)原理如圖1所示。

圖1 信息采集自動控制系統(tǒng)原理圖

形成團(tuán)霧的條件有溫度、濕度、光照和風(fēng)速。這四個參數(shù)由各自的傳感器進(jìn)行測量。將測得參數(shù)與設(shè)定團(tuán)霧形成的期望值進(jìn)行對比。若誤差在一定范圍內(nèi)，主控制中心判別后進(jìn)行相應(yīng)的控制行為，發(fā)送團(tuán)霧發(fā)生路段信息至執(zhí)行機(jī)構(gòu)，即可變信息情報板顯示。由于需要準(zhǔn)確提供發(fā)生路段信息，因此采用北斗定位[4]模塊作為定位設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對霧區(qū)路段距離的判斷。

具體實(shí)踐中，這四個參數(shù)是互相耦合作用，每個參數(shù)缺少或不準(zhǔn)確都難以實(shí)現(xiàn)對團(tuán)霧的準(zhǔn)確預(yù)測。因此，本文選用分布式多傳感器聯(lián)合測量，確保每一個參數(shù)都能準(zhǔn)確被測量。其中，無線通信部分和存儲部分在STM32W18控制器內(nèi)部實(shí)現(xiàn)。

2 主控制器

根據(jù)系統(tǒng)被控參數(shù)處理與分析的實(shí)際情況，選用的控制器可以是微處理器或可編程邏輯器等。對于參數(shù)處理和控制并不過于復(fù)雜的信息采集自動控制系統(tǒng)而言，選用一般微處理器即可滿足要求。通過微處理器對各個傳感器的測量值進(jìn)行分析處理，將信息利用通用分組無線技術(shù)(general packet radio service，GPRS)[5]無線通信協(xié)議[6]發(fā)送至執(zhí)行機(jī)構(gòu)，由可變信息情報板顯示，從而保證對前方路段團(tuán)霧的實(shí)時預(yù)警。

使用STM32W108[7]芯片作為主控制器。這是由意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的32位完全集成的芯片，具有低功耗、低成本、高性能等特點(diǎn)。與主流型號STM32系列相比，該芯片最大特點(diǎn)是支持嵌入式無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的系統(tǒng)級芯片平臺，采用先進(jìn)的ARM Cortex-M3處理器，徹底消除了32位微處理器在嵌入式系統(tǒng)中應(yīng)用的障礙。

3 檢測傳感器

氣象信息采集自動控制的必要條件是及時、準(zhǔn)確地獲取各項參數(shù)的實(shí)時信息。因此，選擇合適的檢測傳感裝置十分重要。

傳感器連接電路如圖2所示。

圖2 傳感器連接電路

3.1 溫度傳感器

選用STLM20W87F這一低能耗、高精確度的模擬溫度傳感器[8]，其測量溫度范圍隨電壓而改變。當(dāng)供電電壓為2.4 V，其范圍為-30～+130 ℃。同時，該溫度傳感器實(shí)現(xiàn)超低靜態(tài)電源電流僅為8 μA。因此，其工作時自身發(fā)熱對溫度測量的影響可以忽略。

溫度傳感器輸出電壓與環(huán)境溫度存在下列關(guān)系：

V0=(-3.88×106×T2)+(-1.15×102×T)+

1.8639

(1)

經(jīng)變換后可得：

(2)

式中：T為環(huán)境溫度；V0為輸出電壓。

在實(shí)際使用時，STLM20W87F傳感器輸出電壓V0通過GPIO引腳進(jìn)入中控制器，由模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(analog to digital converter，ADC)處理后，可得環(huán)境測量溫度值。

3.2 濕度傳感器

采用SHT15濕度傳感器[9]作為測量環(huán)境濕度的器件。它是一款電容型濕度敏感元件，與1個14位的A/D轉(zhuǎn)換器相連，具有測量范圍寬、精度高等特性，可以識別0.03%的環(huán)境相對濕度變化，精度達(dá)到±2%。

3.3 光照傳感器

采用PO188光電集成光照傳感器，暗電流小、低照度響應(yīng)、靈敏度高，電流隨光照增強(qiáng)呈線性變化。

使用時，直接將PO188輸出信號傳送至主控制器的ADC端口進(jìn)行接收處理。

PO188光照傳感器額定參數(shù)如表1所示。

表1 PO188光照傳感器額定參數(shù)

3.4 風(fēng)速風(fēng)向傳感器

采用電流型風(fēng)速風(fēng)向一體化傳感器EC-8SX[10]，風(fēng)速輸出脈沖信號，風(fēng)向輸出電壓信號。該傳感器風(fēng)速測量范圍為0～70 m/s，可360°測風(fēng)向，風(fēng)速精確度為±(0.3+0.03V) m/s，風(fēng)向?yàn)椤?°，滿足高速公路沿線的風(fēng)速、風(fēng)向測量要求。

4 控制執(zhí)行顯示機(jī)構(gòu)

選用可變信息情報板[11]作為前方路段團(tuán)霧預(yù)警信息發(fā)布的設(shè)備，以發(fā)光二極管(light emitting diode，LED)作為顯示單元的交通信息顯示裝置，具有圖形和文字顯示功能。該設(shè)備可以在低能見度環(huán)境下有效顯示道路信息，提醒過往駕駛員注意前方路段危險。STM32主控制器通過GPRS無線傳輸方式將團(tuán)霧信息發(fā)送至可變信息情報板，使之實(shí)時顯示。

5 系統(tǒng)軟件設(shè)計

信息采集自動控制系統(tǒng)主程序流程如圖3所示。

圖3 主程序流程圖

根據(jù)定時器控制程序的進(jìn)程，按照建立GPRS網(wǎng)絡(luò)、接收無線數(shù)據(jù)、采集環(huán)境氣象數(shù)據(jù)、北斗定位、STM32W108處理并發(fā)送數(shù)據(jù)至可變信息情報板的順序，每5 min對氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行更新，實(shí)時將高速公路沿線出現(xiàn)團(tuán)霧等低能見度天氣氣象數(shù)據(jù)顯示在可變信息情報板上，避免駕駛員駛?cè)腱F區(qū)。

6 系統(tǒng)檢驗(yàn)與測試

為驗(yàn)證系統(tǒng)預(yù)測團(tuán)霧的真實(shí)效果，選取昌銅高速公路某路段進(jìn)行實(shí)地檢驗(yàn)與測試。試驗(yàn)中，沿著昌銅高速隨機(jī)選取約5 km的范圍設(shè)置傳感器，可變信息情報板放置在所選取路段端口。試驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際情況對比如表2所示，表明本系統(tǒng)能可靠、有效地實(shí)現(xiàn)預(yù)期功能。

表2 試驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際情況對比

7 結(jié)束語

本設(shè)計采用GPRS無線通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)對高速公路沿線的環(huán)境氣象數(shù)據(jù)的采集和傳輸，解決了團(tuán)霧預(yù)警難度大、效率不高等問題。該方案利用北斗衛(wèi)星定位技術(shù)，能準(zhǔn)確將產(chǎn)生團(tuán)霧地點(diǎn)的坐標(biāo)信息發(fā)送至可變信息情報板，保證過往駕駛員能夠及時得到提醒警示，達(dá)到安全駕駛通過霧區(qū)路段降低事故發(fā)生率的目的。

鑒于本文只進(jìn)行了整個系統(tǒng)的設(shè)計與探討，因此后續(xù)工作的重點(diǎn)是將道路氣象采集信息與交通管理部門進(jìn)行數(shù)據(jù)共享，同時采用更加便捷、高效的通信網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)，以期更加完善的系統(tǒng)整體功能。