馬宇譞
大連市第八中學(xué)
城市交通路況安全實(shí)時(shí)監(jiān)測信息顯示系統(tǒng)
馬宇譞
大連市第八中學(xué)
項(xiàng)目摘要;選題背景與意義;發(fā)明目的與基本思路;創(chuàng)新點(diǎn);研究的方法與過程;硬件設(shè)計(jì);硬件設(shè)計(jì)思路;軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì);實(shí)物照片;使用說明
本項(xiàng)目是基于STM32單片機(jī)開發(fā)的一種對城市道路交通安全的實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng),對汽車在道路行駛中遇到的突發(fā)情況通過屏幕實(shí)時(shí)顯示,使汽車司機(jī)能做好預(yù)判,防止汽車在道路行駛中甚至隧道中行駛遇到塞車、雨水積水過深等問題導(dǎo)致行車的不便,實(shí)現(xiàn)城市交通智能化、智慧化。該系統(tǒng)由光電檢測模塊;TFT液晶顯示模塊;水位檢測模塊;處理器模塊等組成。
在道路發(fā)生交通事故導(dǎo)致道路堵塞,以及在雨天道路積水使汽車有拋錨風(fēng)險(xiǎn)時(shí),本裝置能通過道路兩旁的顯示屏,實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前道路情況。顯示信息分為兩部分,一部分為交通事故信息顯示,一旦前方有車輛發(fā)生交通事故,顯示屏?xí)?yōu)先顯示前方發(fā)生事故的信息,提醒司機(jī)繞行,避開事故路段。另一部分為雨天道路積水顯示,針對不同的汽車對道路積水深度的承受限度不同,因此本裝置設(shè)計(jì)一套能精確測量道路具體深度的模塊,將積水深度通過顯示屏顯示,司機(jī)通過具體的道路積水深度判斷是否可以通過積水路段,這樣避免了司機(jī)在雨天道路積水不知情的情況下,強(qiáng)行通過積水路段,導(dǎo)致汽車中途拋錨。
同時(shí),針對傳統(tǒng)隧道安全進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì),一旦在隧道內(nèi)發(fā)生車自燃等火災(zāi)、發(fā)生車輛追尾連撞事故,風(fēng)扇電機(jī)啟動(dòng)、蜂鳴器報(bào)警,并通過光電對管傳感器、火焰?zhèn)鞲衅鞑杉嚓P(guān)信息,迅速通過無線將此信息傳遞到隧道相關(guān)路口、路段的顯示屏上“車禍、火災(zāi)請繞行”這樣在第一時(shí)間使往來車輛繞道行駛,將有效緩解隧道內(nèi)和隧道兩端車輛交通擁擠,減少國家和人民生命財(cái)產(chǎn)損失。
本項(xiàng)目基于道路安全狀況,設(shè)計(jì)一款城市交通路況安全實(shí)時(shí)監(jiān)測信息顯示系統(tǒng)。近幾年來,隨著經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展迅速,城市規(guī)模不斷擴(kuò)大,城市化進(jìn)程的不斷加快,城市人口迅速增長,并隨著人民生活水平的不斷提高,機(jī)動(dòng)車擁有量迅速增長,交通需求極大增加,原有的交通供需平衡被打破,而相反城市的基礎(chǔ)設(shè)施、交通管理設(shè)施和管理能力的提高跟不上交通需求發(fā)展速度,原有基礎(chǔ)設(shè)施的缺陷和弊端不斷暴露出來,交通管理的科技水平越來越顯得不足,交通管理的手段、措施尚處于經(jīng)驗(yàn)型、摸索型的狀態(tài),處于成長期?!笆濉惫匪方煌ㄟ\(yùn)輸信息化發(fā)展提出總體目標(biāo):完善交通運(yùn)輸運(yùn)行監(jiān)測網(wǎng)絡(luò),實(shí)現(xiàn)交通運(yùn)輸系統(tǒng)的全網(wǎng)聯(lián)動(dòng)和協(xié)同應(yīng)用,在提高運(yùn)行質(zhì)量、服務(wù)公眾出行、保障安全應(yīng)急、強(qiáng)化決策支持方面取得明顯成效,推進(jìn)綜合運(yùn)輸體系建設(shè),發(fā)展現(xiàn)代物流,實(shí)現(xiàn)低碳綠色交通,初步構(gòu)建智能交通運(yùn)輸系統(tǒng)。
經(jīng)過我們的調(diào)查發(fā)現(xiàn),十五、十一五期間,我國公路系統(tǒng)進(jìn)入大發(fā)展、大跨越時(shí)期。隧道因其具有改善路網(wǎng),節(jié)約土地等優(yōu)點(diǎn),逐漸成為公路建設(shè)的重要組成部分。但由于隧道具有空間狹窄、結(jié)構(gòu)封閉、視線差等缺陷,一旦發(fā)生交通事故,救援工作復(fù)雜困難,而且容易造成嚴(yán)重的交通阻塞,引發(fā)災(zāi)難性的后果。因此,保證隧道行車安全至關(guān)重要。下面僅以2006年7月10日新建的椒金山隧道為例,至今已發(fā)生多次大大小小程度不同的交通事故,導(dǎo)致交通壓車擁堵短1小時(shí),高達(dá)6小時(shí),均給國家和人民的生命財(cái)產(chǎn)造成了損失。2014年6月6日上午8時(shí)許,入市區(qū)方向的椒金山隧道內(nèi),一輛SUV突然起火自燃,火勢兇猛,大量濃煙灌滿隧道。事發(fā)后,數(shù)十輛車被困隧道內(nèi),車上人員棄車逃生,相互攙扶著從黑暗隧道安全撤至洞外。SUV起火后,徹底將椒金山入市方向隧道堵死,由于正是出行高峰期,隧道里的車越積越多,從而導(dǎo)致東快路入市方向壓車嚴(yán)重。隧道全長達(dá)1095米,除了離南出口二三百米的地方無車,從著火車輛后幾米開始,隧道里的車都擠在一起,誰也動(dòng)不了,“當(dāng)時(shí)隧道里至少有100多輛車被困”。就在車上人員撤離時(shí),著火車輛發(fā)生了爆炸。伴隨著爆炸聲,一陣陣黑煙從車中冒出。黑煙迅速隨風(fēng)向北刮過來,黑煙特點(diǎn)嗆人,令人喘不過氣來。一段時(shí)間后,黑煙仍不斷地從隧道口冒出,越來越濃,即使站在隧道口處,也看不清離出口最近的車輛。撤出隧洞的司機(jī)、記者、交警等人員身上,臉上滿是黑灰。入市老隧道發(fā)生事故后,東快路入市方向基本處于“癱瘓”狀態(tài)。為了緩解交通壓力,交警部門將新隧道全部轉(zhuǎn)為入市方向,即使如此,東快路入市方向仍然車滿為患。受此影響,東快路出市方向壓車現(xiàn)象嚴(yán)重,致使東快路交通癱瘓2點(diǎn)30分。高。汽車往往在行駛時(shí),由于能見度差,積水深度靠肉眼判斷,經(jīng)常造成誤判的情況,導(dǎo)致汽車盲目通往積水路段,由于很多路面處于坡面,當(dāng)司機(jī)意識(shí)到路面積水太深無法通過時(shí),已為時(shí)已晚。目前出現(xiàn)城市積水,許多下水管道不通是一個(gè)十分重要的原因,這主要是缺少專業(yè)施工隊(duì)伍施工導(dǎo)致。另外,有關(guān)部門沒有按時(shí)清理管道,部分路面垃圾泥沙過多,導(dǎo)致降水時(shí)管道堵塞,排水不暢。部分地區(qū)管道設(shè)計(jì)只注重該地的排水,沒有顧全區(qū)域性的排水,也是強(qiáng)降雨時(shí)多地積水的重要原因。所以非常有必要設(shè)計(jì)一款能顯示路面積水深度的裝置,提醒司機(jī)遇到積水路面繞行。
另一方面,我們發(fā)現(xiàn)每在南方等地由于雨量充沛,有時(shí)暴雨連連,經(jīng)常出現(xiàn)路面積水的情況,尤其在夏天極端天氣出現(xiàn)頻率更
通過以上調(diào)查研究分析,道路行車安全、路面積水、隧道安全成為交通的最大隱患,發(fā)生頻率又是非常之高,因此我們設(shè)計(jì)了本項(xiàng)目系統(tǒng),旨在有效減少事故的發(fā)生。一旦發(fā)生相關(guān)的事故,能夠第一時(shí)間做出相應(yīng)的處理方案,使城市道路交通智能化,實(shí)現(xiàn)智慧城市設(shè)計(jì)。
1、使交通安全智能化、城市智慧化,通過道路安全實(shí)時(shí)監(jiān)控顯示系統(tǒng),減少道路安全事故堵塞風(fēng)險(xiǎn),保障人民生命財(cái)產(chǎn)安全,減少國家維護(hù)道路交通堵塞成本。
2、將道路信息實(shí)時(shí)顯示在道路兩旁的顯示屏上,使過往的車輛能第一時(shí)間獲取前方路段的基本信息,在發(fā)生突發(fā)情況時(shí)(如車禍、道路積水嚴(yán)重)對行駛線路做出相應(yīng)的調(diào)整,避免造成不必要的生命財(cái)產(chǎn)損失。
3、道路通暢情況下,本系統(tǒng)也能顯示道路積水等基本信息,同時(shí)在道路交通堵塞時(shí)會(huì)自動(dòng)進(jìn)行提醒,所以對于堵車、車輛追尾等情況,本系統(tǒng)也能提醒司機(jī)改變線路繞行。
4、隧道內(nèi)交通安全智能實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng),保障隧道交通安全,緩解交通擁堵減少國家和人民生命財(cái)產(chǎn)損失。
5、及時(shí)將隧道內(nèi)的信息發(fā)送到隧道往來路口、路段屏幕上,讓來往的車輛司機(jī)第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)隧道的通行狀況(如車禍導(dǎo)致的堵車、火災(zāi)等)及時(shí)對汽車行駛路線進(jìn)行調(diào)整。
6、一旦車禍發(fā)生嚴(yán)重,導(dǎo)致隧道內(nèi)發(fā)生火災(zāi)等事故,在報(bào)警時(shí),啟動(dòng)風(fēng)扇電機(jī),向隧道外排氣。
7、本系統(tǒng)不僅在屏幕顯示隧道內(nèi)交通正常信息同時(shí)在屏幕顯示,追尾撞車信息火災(zāi)信息。
1、以多個(gè)STM32單片機(jī)為主要控制中心,采取多核同時(shí)工作處理的方式,能夠迅速處理各傳感器的信息,并且設(shè)置優(yōu)先級(jí)對報(bào)警信息比對,顯示最緊要的報(bào)警信息,保障道路行駛安全,實(shí)現(xiàn)道路安全的實(shí)時(shí)監(jiān)控,緩解車禍造成的二次堵車,減少雨天積水造成的財(cái)產(chǎn)損失,保障道路交通安全。
2、采用光電對管傳感器、水位傳感器、TFT顯示模塊等實(shí)時(shí)監(jiān)控道路車輛行駛、交通安全相關(guān)信息,第一時(shí)間檢測車禍信息,在積水達(dá)到限度時(shí)提醒司機(jī)注意路面機(jī)積水情況,積水深度實(shí)時(shí)顯示,同時(shí)在車禍道路堵塞發(fā)生時(shí)優(yōu)先顯示車禍信息,防止司機(jī)在雨天車禍堵塞情況,使汽車被迫在積水路段拋錨。
3、跳出傳統(tǒng)視頻監(jiān)控方式,采用無線傳遞信息和獨(dú)立顯示系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)隧道交通安全實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng),有效緩解隧道交通壓車擁堵保障隧道交通安全。
1、觀察選題;2、查新定題;3、研究隧道監(jiān)控的實(shí)現(xiàn)方法,設(shè)計(jì)構(gòu)思;4、找材料、選材料,原則上能代替則代替;5、制作、實(shí)驗(yàn);6、修改再實(shí)驗(yàn);7、整理總結(jié)。
1、技術(shù)路線
如圖所示,在選題基礎(chǔ)上結(jié)合單片機(jī)控制技術(shù),計(jì)算機(jī)原理,嵌入式開發(fā)原理,軟件工程技術(shù),傳感器技術(shù),結(jié)合現(xiàn)有資源,對道路安全信息實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)智能監(jiān)控,實(shí)現(xiàn)智慧城市智慧交通。
2、系統(tǒng)總體方案
本設(shè)計(jì)系統(tǒng)通過傳感器和模數(shù)AD轉(zhuǎn)換模塊將車禍、積水等信息轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)發(fā)送給控制中心,單片機(jī)收到信號(hào)迅速做出判斷,比對當(dāng)前數(shù)值是否超過限值,將結(jié)果快速顯示在TFT屏幕上,對采集的數(shù)值進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示調(diào)整,單片機(jī)將迅速做出報(bào)警判斷,將報(bào)警信息發(fā)送到屏幕上。而主控方面采用STM32、89C52單片機(jī)分別控制中心控制系統(tǒng)和獨(dú)立顯示系統(tǒng),其操作起來簡單易懂、易修改,同時(shí)也考慮操作的簡單方便性,設(shè)計(jì)出一種經(jīng)濟(jì)、實(shí)用且功能強(qiáng)大的智慧城市道路交通安全系統(tǒng)。
本項(xiàng)目目前只介紹了當(dāng)前的設(shè)計(jì)方案,未來將會(huì)結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行“車聯(lián)網(wǎng)”設(shè)計(jì),使每一輛車都能夠智能化行駛、管理,甚至取消交通燈的設(shè)計(jì),讓車輛在路口自動(dòng)停車并有序得行駛,真正意義達(dá)到智慧城市、智慧交通。
3、系統(tǒng)功能介紹
(1)車流量檢測
其主要應(yīng)用光電對管實(shí)現(xiàn)對車輛的流動(dòng)的檢測,其會(huì)根據(jù)不同的距離進(jìn)行不同的檢測,當(dāng)車輛來往時(shí),其會(huì)返回脈沖進(jìn)行,通過捕捉下降沿信號(hào)實(shí)現(xiàn)對車輛來往的檢測,由于光電對管的局限性,其只能檢測一條線上的來往,所以其擺放位置會(huì)根據(jù)車輛的車型、大小等因素進(jìn)行調(diào)節(jié),而且較為重要的一點(diǎn)則是兩個(gè)光電對管的間隔距離問題,其間隔不能超過一個(gè)車位的距離,否則檢測到的結(jié)果將會(huì)發(fā)生偏差。
(2)道路車禍等信息檢測
車輛在路面正常行駛時(shí),如果前方遇到車禍等交通事故,如果沒有及時(shí)提醒,車輛在通過事故路段時(shí)將遇到堵車情況,堵塞嚴(yán)重時(shí)車輛甚至?xí)幱谶M(jìn)退兩難的局面,導(dǎo)致整個(gè)道路交通癱瘓,如果提早提醒司機(jī)前方路段事故改道繞行的話,將減少嚴(yán)重堵車風(fēng)險(xiǎn)。車禍的檢測通過光電對管發(fā)射脈沖信號(hào),正常情況下,脈沖接收端在沒有事故或者交通堵塞時(shí)接收高電平信號(hào),如果道路發(fā)生堵塞車禍等情況,兩個(gè)紅外對管將返回低電平信號(hào),將車禍堵塞信息發(fā)送給控制中心進(jìn)行下一步處理。
(3)隧道車禍等信息檢測
當(dāng)車輛非正常行駛時(shí),會(huì)發(fā)生滯留在隧道內(nèi)部的情況發(fā)生,這種情況會(huì)導(dǎo)致隧道內(nèi)部的交通癱瘓,甚至當(dāng)內(nèi)部空氣污染過于嚴(yán)重時(shí)會(huì)對人的人體健康造成威脅,因此,對此的檢測就顯得非常重要,在車輛滯留時(shí),光電對管會(huì)返回低電平信號(hào),而當(dāng)無車輛來往時(shí)會(huì)返回高電平信號(hào),所以當(dāng)其檢測到低電平信號(hào)達(dá)到一定時(shí)間后即識(shí)別出其為車禍滯留,為隧道的正常通行帶來了困擾與障礙,識(shí)別為車禍信息。
(4)火災(zāi)報(bào)警
當(dāng)交通事故嚴(yán)重時(shí),其不免會(huì)發(fā)生火災(zāi)等狀況,此時(shí)通過火焰報(bào)警器將發(fā)生警報(bào),同時(shí)在隧道的兩端阻止車輛的進(jìn)入,其隧道內(nèi)部打開排氣風(fēng)扇,將由于火災(zāi)而產(chǎn)生的粉塵和煙氣排除,以免對人體造成傷害。
(5)積水檢測
積水深度的檢測通過水位檢測傳感器,輸出一路模擬電壓信號(hào)給模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊,將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成單片機(jī)能識(shí)別的數(shù)字信號(hào),單片機(jī)將獲取的8位數(shù)字信號(hào)通過計(jì)算的出當(dāng)前水位的準(zhǔn)確值,并將信息發(fā)送到顯示器上顯示。
(6)信息顯示系統(tǒng)
其系統(tǒng)之間采用的是無線傳輸,將內(nèi)部的檢測通過無線將信息傳遞到隧道兩端或者道路兩旁的顯示屏上,及時(shí)通知人們隧道內(nèi)部的行駛狀況,對其第一時(shí)間進(jìn)行選擇交通狀況良好的道路上行駛。隧道顯示分為三種模式,一個(gè)為正常通行,即在車輛正常來往行駛時(shí)其會(huì)顯示正常的相關(guān)信息,其二則是車禍信息,一旦隧道內(nèi)部發(fā)生車禍等車輛滯留信息,其會(huì)顯示出車禍,提醒車輛進(jìn)行繞行,另一個(gè)便是火災(zāi)信息,隧道內(nèi)部一旦發(fā)生火災(zāi),其優(yōu)先級(jí)為最高,將向隧道前與隧道后的兩個(gè)控制中心發(fā)送信息緊急停止,讓車輛不要進(jìn)入到其中。而道路信息顯示則有道路積水水位信息和車禍信息供司機(jī)參考。
1、控制中心電路
下圖為單片機(jī)控制電路,由晶振電路驅(qū)動(dòng)單片機(jī)工作,設(shè)定不同的引腳口接收紅外對管的信號(hào)和水位數(shù)字信號(hào),再通過連接LCD或者TFT顯示屏的引腳將信息顯示出來。
上圖為單片機(jī)的控制芯片電路,L1,L2,L3,L4分別對應(yīng)光電對管的4個(gè)信號(hào)線,通過光電對管采集的信息將其返回到單片機(jī)中,進(jìn)行下一步處理,TX和RX為無線發(fā)送與接收部分,通過無線模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送出去與接收回來。BEEP和MOTOR分別對應(yīng)著控制蜂鳴警報(bào)和風(fēng)扇,均可對其引腳直接拉到高電平即可實(shí)現(xiàn)對蜂鳴器和風(fēng)扇的開關(guān)操作。
2、液晶顯示電路
供電電壓保持在3.3v-5v能使液晶正常工作。
TFT液晶
5110液晶
3、紅外對管電路
發(fā)射端和接收端集成在一個(gè)電路板上,可通過可調(diào)電阻調(diào)節(jié)光電對管的檢測距離。
4、水位傳感器電路
水位通過唯一的輸出端輸出水位電壓信號(hào)。
5、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路
本模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊為8位AD轉(zhuǎn)換模塊,能精確采集模擬電壓信號(hào)并轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。
軟件的設(shè)計(jì)是系統(tǒng)能否實(shí)現(xiàn)功能的核心,本系統(tǒng)采用了多個(gè)控制器,每個(gè)控制器實(shí)現(xiàn)不同的功能,整個(gè)系統(tǒng)在各個(gè)控制器的協(xié)調(diào)下實(shí)現(xiàn)所設(shè)計(jì)的功能。系統(tǒng)的所有程序均采用C語言編寫。
系統(tǒng)程序采用模塊編寫,各相應(yīng)硬件模塊的主要程序設(shè)計(jì)均以程序流程圖的形式給出,程序的編寫只要對照程序流程圖編寫相應(yīng)的語句即可。
上層實(shí)物照片:
下層實(shí)物照片
1、隧道光電對管位置
四個(gè)元件即光電對管(圖中為側(cè)視圖,即只顯示2個(gè)),只需將其對準(zhǔn)行車的期間位置,就可以對來往車輛進(jìn)行流動(dòng)檢測,其左右間隔只需對著車行駛的位置就可以,而前后的間隔需要控制在一個(gè)車身的距離之內(nèi)。
大部分物流企業(yè)在成本核算時(shí)不能對所有的費(fèi)用進(jìn)行歸集。對有些物流人員消極怠工或者工作效率低而增加時(shí)間成本也沒有重視起來。
2、道路光電對管的放置與調(diào)試
四個(gè)光電對管放置在道路兩旁,每兩個(gè)檢測一條道路。兩個(gè)光電對管的位置至少要超過一個(gè)汽車機(jī)身,這樣在檢測時(shí)可以同時(shí)檢測車流量堵塞和車禍情況。其次是調(diào)節(jié)光電對管的繼電器,從而調(diào)節(jié)紅外對管的識(shí)別距離。
3、水位檢測傳感器
水位傳感器要放置在道路路面最低處,可以在第一時(shí)間檢測到有效積水深度,水位傳感器由于要豎直放置所以要注意水位傳感器的固定。
4、火源檢測報(bào)警與風(fēng)扇排氣
火焰?zhèn)鞲衅魍ㄟ^對火源的識(shí)別進(jìn)而判斷是否發(fā)生了火災(zāi),其對火焰的傳感距離可調(diào)、角度可調(diào),實(shí)現(xiàn)隧道內(nèi)部無死角檢測,保證安全質(zhì)量檢測的目的,同時(shí)會(huì)打開警報(bào)提醒人們,風(fēng)扇此時(shí)會(huì)自動(dòng)打開,將煙排出。
5、無線傳輸
由于隧道的長度問題影響,如果使用有線傳輸,會(huì)使其造價(jià)非常大,而且其操作修整極其繁瑣,故此應(yīng)用無線傳輸設(shè)備進(jìn)行無線的發(fā)射接收處理數(shù)據(jù),可有效將數(shù)據(jù)發(fā)送到隧道兩端的無線接收端,實(shí)現(xiàn)有效的信息傳輸。
6、液晶顯示信息
采集信息對于智能交通是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的,更重要的是將信息傳遞出去,將有效的信息及時(shí)告訴行車司機(jī),液晶顯示部分可有效把信息顯示在屏幕上,其屏幕通過LCD顯示,不用擔(dān)心在天氣較差的情況下看不到。
圖為無線接收部分,使用一對即可完成主端和從端的收、發(fā)通信操作。
7、控制電路與獨(dú)立電源
每一個(gè)部分的電路均采用獨(dú)立電源供電,同時(shí)會(huì)有電源電量采集,當(dāng)電量降到一定電量下會(huì)提醒工作人員進(jìn)行更換電池、充電等。如圖所示為其控制電路與穩(wěn)壓電源部分,通過可充電的鋰電池直接輸出到降壓芯片,穩(wěn)壓后輸出穩(wěn)定的5V電壓,后供給單片機(jī)、光電對管、TFT液晶顯示屏等,控制電路采用STM32單片機(jī)對整體系統(tǒng)進(jìn)行邏輯控制,同時(shí)控制著數(shù)據(jù)的無線收發(fā)等等。
8、注意事項(xiàng)
(1)光電對管的距離需要根據(jù)不同的隧道進(jìn)行不同調(diào)整,并不是所有的隧道規(guī)格都一樣。
(2)使用時(shí)的環(huán)境溫度在-40℃~+120℃之間。
(3)充電電池要保證至少6V的工作電壓,穩(wěn)壓模塊會(huì)有1V左右壓降,若低于5V可能會(huì)導(dǎo)致其不能正常工作。