一種基于北斗定位系統(tǒng)的道路積水檢測(cè)裝置

南京信息工程大學(xué) 李雅寧 韋 瀾

道路安全關(guān)系著百姓生活的各個(gè)方面，如何防止道路交通事故的發(fā)生，是一個(gè)重要的問題。2019年，國內(nèi)道路交通事故造成67759人死亡，約27.5萬人受傷。尤其在特殊天氣狀況下，發(fā)生了不計(jì)其數(shù)的道路交通安全事故。由此可見，不良天氣條件極大增加了道路安全事故發(fā)生的可能性。

當(dāng)前，全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GNSS）在輔助道路車輛行駛上，產(chǎn)生了巨大的作用，實(shí)時(shí)的交通導(dǎo)航，路況報(bào)告，都為安全行駛提供了良好的保障。GNSS 在地理定位，路徑規(guī)劃和道路選擇等應(yīng)用上已經(jīng)趨于成熟，但是在道路氣象信息預(yù)報(bào)、預(yù)警上，仍有很大的應(yīng)用空間。很多情況下，突發(fā)的天氣狀況以及小范圍內(nèi)因天氣原因造成的道路狀況的改變，無法由廣域的氣象預(yù)報(bào)信息獲得，而局域的氣象信息只能提供天氣狀況的參考，無法完全作為行程規(guī)劃的依據(jù)。

針對(duì)目前道路交通因積水問題產(chǎn)生的擁堵，及安全事故等各種問題，基于北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng)的定位特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了實(shí)時(shí)道路積水檢測(cè)系統(tǒng)。道路積水檢測(cè)系統(tǒng)包括硬件積水檢測(cè)系統(tǒng)和配套軟件上位機(jī)，遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)顯示積水狀況和位置信息。一旦檢測(cè)到積水，系統(tǒng)自動(dòng)報(bào)警；上位機(jī)軟件具備數(shù)據(jù)的顯示和統(tǒng)計(jì)功能，能定點(diǎn)顯示當(dāng)前位置，并在界面內(nèi)繪制出各個(gè)時(shí)間段的積水信息圖像。同時(shí)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，積水信息可以通過無線傳輸模塊同步上傳到云端，用戶可登錄系統(tǒng)查看信息。該系統(tǒng)相較于市面上的水位檢測(cè)系統(tǒng)，更加簡易、低功耗、更易安裝應(yīng)用，且成本更加低廉；使用北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng)，定位更加精確，時(shí)間精度更高；使用開關(guān)液位傳感器，數(shù)據(jù)處理更加便捷；使用基于LoRa擴(kuò)頻的無線傳輸模塊，數(shù)據(jù)傳輸更加穩(wěn)定。此外，該系統(tǒng)還可接入互聯(lián)網(wǎng)，搭建服務(wù)器平臺(tái)公開氣象數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)城市降水實(shí)時(shí)播報(bào)。本系統(tǒng)能有效地在雨水天氣幫助車輛規(guī)避積水路段，減少發(fā)生因積水過深導(dǎo)致車輛排氣管進(jìn)水，車輛拋錨的事故的可能性，保障車輛的行駛安全。

1 系統(tǒng)總體方案

本文所設(shè)計(jì)的道路積水檢測(cè)裝置采用基于Cortex-M3內(nèi)核的STM32單片機(jī)作為主控芯片，該芯片具有高性能、低功耗、豐富片內(nèi)外設(shè)的特點(diǎn)，負(fù)責(zé)系統(tǒng)的主要控制行為：根據(jù)主控器設(shè)定的閾值，接收開關(guān)液位傳感器傳回的積水?dāng)?shù)據(jù)，并根據(jù)積水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行道路積水狀況的判斷；接收北斗定位模塊傳回的實(shí)時(shí)定位數(shù)據(jù)，提供車輛當(dāng)前的精確位置信息；系統(tǒng)將道路狀況數(shù)據(jù)和積水?dāng)?shù)據(jù)利用LoRa無線擴(kuò)頻模塊，傳輸給上位機(jī)系統(tǒng)，上位機(jī)系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析顯示，并利用大數(shù)據(jù)車輛反饋的道路積水狀況，為車輛規(guī)劃行車路徑。系統(tǒng)的設(shè)計(jì)框架如圖1所示。

圖1 積水檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)框架

北斗定位模塊是基于SkyTraS1216F8-BD芯片設(shè)計(jì)的GPS/北斗雙模定位模塊和3m有源天線共同組成，基于NMEA-0183通信協(xié)議，更新速率20Hz，能夠達(dá)到精準(zhǔn)的地理定位。

LoRa無線擴(kuò)頻模塊是基于遠(yuǎn)距離無線電（Long Range Radio，LoRa）線性調(diào)頻擴(kuò)頻的調(diào)制技術(shù)實(shí)現(xiàn)的射頻器件，采用SX1268射頻芯片，通過UART串口進(jìn)行數(shù)據(jù)的收發(fā)，通信距離為10km，能夠保證物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的遠(yuǎn)距離通信和信號(hào)有效性。系統(tǒng)利用LoRa無線擴(kuò)頻模塊與STM32單片機(jī)、電腦上位機(jī)之間實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)交互，STM32單片機(jī)利用LoRa模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送出去，電腦上位機(jī)利用LoRa接收串口數(shù)據(jù)后通過ACCESS數(shù)據(jù)庫進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，并在上位機(jī)上進(jìn)行數(shù)據(jù)的顯示和分析。

2 數(shù)據(jù)采集

開關(guān)液位傳感器選用的是紅外光學(xué)液位計(jì)，傳感器模塊將檢測(cè)到的液位通過光學(xué)傳遞，改變材料的導(dǎo)電率，將液位信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)進(jìn)行輸出，利用AD0809模數(shù)轉(zhuǎn)換器，將傳感器的電壓信號(hào)采集、放大并輸出給STM32單片機(jī)。ADC0809芯片是一個(gè)8位的逐次逼近型數(shù)模轉(zhuǎn)換器（Analog to Digital Converter，ADC），芯片內(nèi)置一個(gè)8位AD轉(zhuǎn)換器，一個(gè)地址鎖存譯碼開關(guān)，一個(gè)8路模擬開關(guān)以及一個(gè)三態(tài)輸出鎖存器，ADC0809具有控制簡單、低功耗、低成本的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，在不需要較高精度的場(chǎng)景下，是一個(gè)良好的選擇方案。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 北斗定位模塊數(shù)據(jù)處理

北斗模塊同外部設(shè)備的通信接口采用UART串口方式進(jìn)行通信，采用的輸出協(xié)議為NMEA-0183協(xié)議，控制協(xié)議為SkyTraq協(xié)議。NMEA-0183協(xié)議是GPS/北斗導(dǎo)航設(shè)備統(tǒng)一的RTCM（Radio Technical Commission for Maritime services）協(xié)議，該協(xié)議利用ASCII碼傳遞GPS定位信息，數(shù)據(jù)格式為：幀起始位、地址域信息、數(shù)據(jù)信息、校驗(yàn)和前綴、校驗(yàn)和、幀結(jié)束位。北斗定位流程圖如圖2所示。

圖2 北斗定位流程圖

3.2 積水?dāng)?shù)據(jù)處理

積水?dāng)?shù)據(jù)的采集是通過ADC輸出給STM32單片機(jī)，單片機(jī)為了保證數(shù)據(jù)接收的準(zhǔn)確性，利用芯片片內(nèi)的AD采集通道，對(duì)積水檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行采集，處理后發(fā)送給上位機(jī)系統(tǒng)。積水?dāng)?shù)據(jù)處理流程圖如圖3所示。

圖3 積水檢測(cè)流程圖

4 上位機(jī)設(shè)計(jì)

積水檢測(cè)上位機(jī)設(shè)計(jì)是基于.NET Framework平臺(tái)的客戶端開發(fā)的Windows窗體應(yīng)用程序，由C#編程語言進(jìn)行開發(fā)，采用ACCESS數(shù)據(jù)庫作為系統(tǒng)數(shù)據(jù)的記錄、存儲(chǔ)和系統(tǒng)工作狀態(tài)的記錄。

上位機(jī)能夠顯示各個(gè)檢測(cè)裝置所在路段同車輛的實(shí)時(shí)距離，可以幫助司機(jī)有效規(guī)避積水路段，防止因?yàn)榉e水導(dǎo)致的車輛熄火或者其它道路交通安全事故。

5 道路積水檢測(cè)裝置功能測(cè)試

道路積水檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)制作完成，積水檢測(cè)使用開關(guān)液位傳感器，利用紙杯模擬積水檢測(cè)環(huán)境。首先啟動(dòng)系統(tǒng)，獲取初始位置狀態(tài)，在無積水狀態(tài)下，單片機(jī)啟用低功耗模式，上位機(jī)休眠；在積水開始產(chǎn)生的情況下，單片機(jī)通過無線傳輸模塊，向上位機(jī)廣播積水狀況、積水產(chǎn)生預(yù)警；在積水水量達(dá)到預(yù)警值，警戒燈閃爍，提醒車輛，單片機(jī)通過無線傳輸模塊，向發(fā)送范圍內(nèi)可接收的上位機(jī)廣播積水信息、積水預(yù)警，上位機(jī)顯示積水路段圖像信息；在積水水量達(dá)到警戒值，警戒燈常亮，單片機(jī)通過無線傳輸模塊，廣播積水信息，警戒信息，上位機(jī)顯示積水圖像信息。

結(jié)束語：本文系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了基于北斗定位系統(tǒng)的道路積水檢測(cè)裝置的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)可以根據(jù)積水檢測(cè)狀態(tài)進(jìn)行報(bào)警和遠(yuǎn)程顯示，具有檢測(cè)速度快，顯示范圍廣，使用安裝方便、成本低等優(yōu)勢(shì)。系統(tǒng)作為嵌入式硬件，經(jīng)過拓展，可以被應(yīng)用于搭建網(wǎng)站平臺(tái)公開氣象數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)城市道路積水的實(shí)時(shí)播報(bào)。