范海健 劉淑芬 趙佳偉

摘 要：針對公路雨霧天氣對日常行車出行產(chǎn)生的影響以及現(xiàn)有公路網(wǎng)絡(luò)雨霧報(bào)警系統(tǒng)的靈活性與局限性，設(shè)計(jì)了一種基于無線傳輸模塊的新型雨霧報(bào)警系統(tǒng)，文章對系統(tǒng)的組成和電路實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了闡述，同時(shí)研制了實(shí)驗(yàn)樣機(jī)進(jìn)行測試驗(yàn)證，結(jié)果證明，該設(shè)計(jì)可廣泛應(yīng)用于公路網(wǎng)絡(luò)之中。

關(guān)鍵詞：雨霧報(bào)警；無線模塊；應(yīng)用系統(tǒng)；測試驗(yàn)證

中圖分類號：TP277 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2016）05-00-02

0 引 言

隨著我國公路特別是高速公路里程數(shù)的增加及居民自駕出行的日益普及，因雨霧等惡劣天氣而造成的交通事故日益增多，特別是在出現(xiàn)突發(fā)團(tuán)霧的情況下更是給高速交通帶來很大的安全隱患，惡性交通事故時(shí)有發(fā)生，雨霧天氣的突發(fā)性及預(yù)警發(fā)布的不及時(shí)給國家和人民生命財(cái)產(chǎn)帶來了重大損失。

本文提出一種無線雨霧報(bào)警系統(tǒng)[1，2]，將太陽能供電與無線通信技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計(jì)開發(fā)一種新型的雨霧報(bào)警系統(tǒng)，一方面能完成雨量及霾顆粒物的測量，另一方面通過無線傳輸?shù)姆绞綄⑿畔鬏斨翀?bào)警平臺，進(jìn)行實(shí)時(shí)推送播報(bào)，報(bào)警平臺既可以固定安裝，也可以安裝在警用車輛上，突出其實(shí)時(shí)性與機(jī)動性的特點(diǎn)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

基于無線通信模塊的雨霧報(bào)警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。太陽能供電模塊主要為前端采集節(jié)點(diǎn)提供電能，模塊中光伏太陽能板實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換，并為9伏蓄電池供電，電能經(jīng)過變壓后為采集節(jié)點(diǎn)處理器及無線發(fā)送模塊提供電能。傳感器模塊主要由雨量傳感器[3]及霾顆粒物傳感器[4]組成，以完成對這些參數(shù)的數(shù)據(jù)采集。前端處理器采集到相關(guān)傳感數(shù)據(jù)后進(jìn)行分析，當(dāng)所處理的信息超出警戒值時(shí)，通過無線發(fā)送模塊發(fā)送至無線接收模塊，由控制器控制進(jìn)行語音預(yù)警，并通過LCD顯示模塊顯示警示信息。

圖1 雨霧報(bào)警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 控制芯片與模塊選擇

2.1 MSP430F149單片機(jī)

本系統(tǒng)采用MSP430F149作為系統(tǒng)控制芯片[5]，該芯片為一個16位的超低功耗微控制器，具有低電壓、超低功耗的功能，工作電壓為3.6 V～1.8 V。具有12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，內(nèi)部參考電壓源，并且具有采樣、保持、自動掃描等功能，可以得到很高的精度，省去了使用專門的模數(shù)轉(zhuǎn)換器給設(shè)計(jì)電路板帶來的麻煩，對采集的傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

2.2 傳感器模塊組

2.2.1 YL_83雨量傳感器

該模塊電源電壓為5 V，支持TTL電平輸出，TTL輸出有效信號為低電平，驅(qū)動能力100 mA左右。模塊上裝有電位器，靈敏度可通過電位器調(diào)節(jié) 。沒有雨時(shí)LED點(diǎn)亮，輸出為高電平，雨滴上去，則輸出低電平，LED亮。雨滴板和控制板是分開的，方便將線引出。模塊支持AO模擬輸出，可以連接單片機(jī)的AD口檢測滴在上面的雨量大小，也可以測量液面高度。大面積雨滴檢測板大小為5.4 mm×4.0 mm，可以方便地嵌入到外部集雨裝置中。

2.2.2 GP2Y1010AU0F 霧霾檢測模塊

該霧霾檢測模塊采用Sharp光學(xué)灰塵傳感器（GP2Y1010AU0F），用于檢測直徑大于0.8 μm的灰塵顆粒濃度，如霧霾（平均直徑大約在1～2μm左右）；輸出電壓以模擬量的形式輸出，可以接入單片機(jī)采集端的AD輸入端口，電壓大小與灰塵濃度呈線性關(guān)系。內(nèi)置升壓電路，工作電壓范圍為2.5 V～5.5 V。

霾傳感器模塊示意圖如圖2所示。

該霾傳感器模塊可根據(jù)空氣中微型顆粒的大小和數(shù)量對兩個LED燈反射光的影響，然后根據(jù)反射光強(qiáng)度的大小判斷空氣中的空氣質(zhì)量。

2.3 nRF905無線傳輸模塊

nRF905采用Nordic公司的VLSI ShockBurst技術(shù)。ShockBurst技術(shù)使nRF905能夠提供高速的數(shù)據(jù)傳輸，而不需要昂貴的高速M(fèi)CU來進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，通過將與RF協(xié)議有關(guān)的高速信號處理放到芯片內(nèi)，nRF905提供給微控制器一個SPI接口，速率由微控制器自己設(shè)定的接口速度決定，無線發(fā)送模塊接口示意圖如圖3所示。

nRF905無線模塊發(fā)射時(shí)相關(guān)引腳的電平變化見表1。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件主要分為前端采集節(jié)點(diǎn)子系統(tǒng)與后端報(bào)警顯示子系統(tǒng)兩部分。由于后端報(bào)警顯示子系統(tǒng)流程比較簡單，因此這里不做分析。前端節(jié)點(diǎn)主要完成傳感器的數(shù)據(jù)采集、判斷及信息發(fā)送，具體的軟件流程圖如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)前端節(jié)點(diǎn)軟件流程圖

4 結(jié) 語

在系統(tǒng)樣機(jī)測試中，各部分工作正常且很好地完成了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的各項(xiàng)任務(wù)，系統(tǒng)各個模塊均采用低功耗芯片，滿足了前端采集節(jié)點(diǎn)太陽能供電的低功耗要求。太陽能供電模塊及無線傳輸模塊的使用使該系統(tǒng)在選擇安裝地點(diǎn)的方便性及機(jī)動性大大提高，應(yīng)用前景廣闊。

參考文獻(xiàn)

[1]周怡窹，凌志浩，吳勤勤.ZigBee無線通信技術(shù)及應(yīng)用探討[J].自動化儀表， 2005，26（6）：5-9.

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[3]趙曉利，劉厚智，翁煒霖.四種雨量計(jì)觀測雨量的對比及相關(guān)性[J].廣東氣象，2009，31（5）：49-51.

[4]王黎明，劉動，陳楓林，等.霧霾模擬方法及其裝置研究[J].高電壓技術(shù)，2014，40（11）：3297-3304.

[5]沈建華， 楊艷琴.MSP430系列16位超低功耗單片機(jī)原理與實(shí)踐[M].北京.北京航空航天大學(xué)出版社，2008.