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        高速公路團(tuán)霧預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

        2021-09-05 11:43:30吳宇軒李世臻
        電子設(shè)計(jì)工程 2021年17期
        關(guān)鍵詞:高速公路檢測系統(tǒng)

        吳宇軒,李世臻,劉 楠

        (1.長安大學(xué)信息工程學(xué)院,陜西 西安 710000;2.長安大學(xué)電子與控制工程學(xué)院,陜西 西安 710000)

        高速公路車輛運(yùn)行安全與高速公路天氣狀況有著密切的關(guān)系[1]。2016年,公安部交通管理局組織對高速公路團(tuán)霧多發(fā)路段進(jìn)行排查,總結(jié)出年均發(fā)生3次以上團(tuán)霧高速路段1 788處,其中,年均發(fā)生10次以上高速路段912處。文獻(xiàn)[2-4]研究了高速公路團(tuán)霧對行車安全的影響,說明了對團(tuán)霧天氣檢測的必要性、可行性。現(xiàn)有的高速公路天氣預(yù)警仍然依賴于天氣預(yù)報(bào),其時(shí)效性、準(zhǔn)確性和應(yīng)急反應(yīng)能力都無法滿足需求。

        近些年來,對霧的特征分析、霧的形成原理、等級評判的相關(guān)研究更加深入[5-6]。文獻(xiàn)[7]開展了團(tuán)霧主動誘導(dǎo)系統(tǒng)的監(jiān)測研究[7]。文中結(jié)合先前國內(nèi)研究的團(tuán)霧各項(xiàng)特征,通過各傳感器實(shí)際測量值,給出了一組團(tuán)霧等級劃分的參考指標(biāo),進(jìn)一步擴(kuò)展了團(tuán)霧的等級分類。同時(shí),結(jié)合多種傳感器構(gòu)成了團(tuán)霧檢測和數(shù)據(jù)傳輸一體系統(tǒng),給出了相應(yīng)車輛管控措施。

        1 系統(tǒng)構(gòu)成

        系統(tǒng)使用STM32單片機(jī)作為主控,由道路控制端、團(tuán)霧檢測端、MCU控制端以及云端服務(wù)平臺構(gòu)成。其中,圖霧檢測端主要包括溫度濕度傳感器、PM值傳感器、攝像頭、能見度儀;道路控制端主要包括LED情報(bào)板、光電檢測模塊、引導(dǎo)燈帶;MCU控制端包括無線收發(fā)模塊、GPRS模塊。圖霧預(yù)警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

        圖1 團(tuán)霧預(yù)警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

        1.1 團(tuán)霧檢測

        團(tuán)霧檢測依照霧的能見度特性、相對濕度特性、氣溶膠粒子特性[8],設(shè)置了溫度濕度傳感器,用于相對濕度的測量;能見度儀用于對地面能見度距離進(jìn)行測量;PM值傳感器用于測量氣溶膠粒子和霾滴的濃度。將檢測到的各項(xiàng)數(shù)值通過串口連接,并發(fā)送到主控端上。

        1.2 團(tuán)霧等級劃分

        根據(jù)各項(xiàng)傳感器傳輸?shù)臄?shù)據(jù),結(jié)合氣象部門對相關(guān)參數(shù)的研究,給出不同條件下形成的團(tuán)霧等級劃分指標(biāo)[9]。

        1.3 數(shù)據(jù)處理與控制策略

        MCU主控根據(jù)不同模塊回傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并上報(bào)云端服務(wù)平臺,確定團(tuán)霧的等級后,控制引導(dǎo)終端對高速公路車輛進(jìn)行引導(dǎo),并實(shí)時(shí)反映路況。

        云端數(shù)據(jù)平臺對上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲、分析、道路監(jiān)控,實(shí)現(xiàn)快速、準(zhǔn)確的檢測,并及時(shí)通知道路管理部門,協(xié)同控制公路引導(dǎo)設(shè)施,并通過基站實(shí)時(shí)發(fā)布預(yù)警信息和路況,保護(hù)行車安全。

        2 團(tuán)霧檢測

        2.1 溫度濕度傳感器

        溫度濕度傳感器一般采用彈性吸濕聚合物薄膜材料作為敏感介質(zhì),濕度變化會引起負(fù)載質(zhì)量、聲電作用以及粘彈性發(fā)生變化[10]。其線性動態(tài)范圍較大,可以測量相對濕度范圍為0~100%RH,精度在±3%RH的空氣濕度變化。溫濕度傳感器原理如圖2所示。

        圖2 溫濕度傳感器原理圖

        2.2 PM值傳感器

        PM值傳感器利用其內(nèi)部的光學(xué)灰塵傳感器(GP2Y1014AU0F),將安裝于對角線一端的一個(gè)紅外發(fā)光二極管開啟,另一端的光電晶體管用于檢測接收光強(qiáng),即光強(qiáng)正比于檢測處粉塵濃度。PM值傳感器原理如圖3所示。

        圖3 PM值傳感器原理圖

        2.3 攝像頭

        將光照射到感光陣列產(chǎn)生相應(yīng)電荷,傳輸?shù)较鄳?yīng)的模擬信號處理單元,再由AD轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。攝像頭傳輸采用SCCB協(xié)議,其傳輸格式為起始位+ID地址+寄存器地址+數(shù)據(jù)+結(jié)束位。攝像頭先將圖像緩存到單片機(jī)上,再通過無線收發(fā)模塊將圖像上傳至上位機(jī)攝像頭,幀格式如表1所示。

        表1 攝像頭傳輸幀格式

        將數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)化為R、G、B陣代碼,如下:

        2.4 能見度儀

        能見度儀可反映大氣透明度指標(biāo)。根據(jù)Mie散射理論,得到大氣粒子散射角θ在20o~50o時(shí),大氣粒子散射光強(qiáng)度I(θ)與大氣散射系數(shù)Ks和入射光強(qiáng)I0之間存在線性關(guān)系[11],如下:

        氣象光學(xué)視程V可表示為:

        其中,視覺對比度為ε,前向散射能見度儀可根據(jù)式(1)測量出Ks,進(jìn)一步根據(jù)式(2)測量出氣象光學(xué)視程V。

        2.5 無線收發(fā)模塊

        無線收發(fā)模塊將數(shù)字電信號轉(zhuǎn)化為高頻電磁波發(fā)射出去,在接收端還原成電信號[12],其基本構(gòu)成有振蕩器、調(diào)制器、變頻器、高頻功率放大器、天線。文中系統(tǒng)采用的模塊工作于441 MHz參數(shù)下,通信距離為3 000 m,可將MCU采集的傳感器數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳至云端服務(wù)平臺。

        2.6 GPRS模塊

        GPRS模塊可連接至周邊基站,若有緊急情況,則可向進(jìn)入團(tuán)霧范圍內(nèi)的車輛發(fā)送短信,通知險(xiǎn)情。

        2.7 MCU主控

        文中系統(tǒng)采用的處理器是STM32F103CET6核心版,其工作主頻為72 MHz,滿足了對傳感器數(shù)據(jù)采集、處理和發(fā)送的需求,并且有5個(gè)通用串口,用于連接各個(gè)模塊,并且自帶512K字節(jié)FLASH,滿足了數(shù)據(jù)緩存需求[13-15]。

        3 團(tuán)霧等級劃分

        通過在多端高速路實(shí)地調(diào)研測試,并結(jié)合相關(guān)區(qū)域管控措施[16],研究給出了用于劃分團(tuán)霧等級的指標(biāo),如表2所示。

        表2 團(tuán)霧等級與指標(biāo)

        表2的3項(xiàng)指標(biāo)中考慮了不同條件下團(tuán)霧的形成,即由空氣顆粒物產(chǎn)生或者空氣中的水蒸氣產(chǎn)生。其中,任意兩項(xiàng)達(dá)到相應(yīng)的數(shù)值范圍即可判定為相應(yīng)的團(tuán)霧等級。

        4 數(shù)據(jù)處理與控制策略

        4.1 軟件設(shè)計(jì)

        軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖4所示。

        圖4 MC程序流程圖

        1)初始化。開啟STM32的時(shí)鐘、串口、中斷、ADC和配置優(yōu)先級,再進(jìn)行溫濕度傳感器配置、PM傳感器初始化、能見度儀初始化。

        2)采樣值轉(zhuǎn)化。通過定時(shí)中斷獲取各傳感器數(shù)值,并將ADC采樣的數(shù)值進(jìn)行運(yùn)算轉(zhuǎn)化,讀取串口幀格式獲取能見度,通過SCCB協(xié)議將攝像頭圖像緩存。

        3)MCU判斷等級。STM32根據(jù)各傳感器數(shù)據(jù),結(jié)合團(tuán)霧等級劃分指標(biāo)給出合理控制等級,并將數(shù)據(jù)封裝成幀交給無線收發(fā)模塊,進(jìn)而發(fā)送至云端控制中心。

        4)光電檢測與分級控制。光電檢測可判斷道路交通狀況和行車位置,然后控制誘導(dǎo)燈帶。LED情報(bào)板會根據(jù)團(tuán)霧等級發(fā)布相應(yīng)的公告,當(dāng)達(dá)到3級時(shí)進(jìn)一步啟動實(shí)時(shí)監(jiān)控和GPRS模塊。

        5)上位機(jī)接收數(shù)據(jù)。上位機(jī)通過無線收發(fā)模塊接收數(shù)據(jù),并能做出處理。

        4.2 控制策略

        1)誘導(dǎo)。如圖5所示,誘導(dǎo)燈相聚50 m,當(dāng)傳感器檢測到車輛后,會自動開啟前方兩個(gè)和后方一個(gè)誘導(dǎo)燈,讓車輛安全通過團(tuán)霧區(qū)。若車輛在限定閾值時(shí)間內(nèi)未通過下一個(gè)光電傳感器,則相應(yīng)的誘導(dǎo)燈閃爍報(bào)警,并上報(bào)路況問題。后車可依據(jù)前方點(diǎn)亮的燈來判斷路況,同時(shí)跟前車保持安全距離。

        圖5 分級誘導(dǎo)系統(tǒng)

        2)分級。達(dá)到一級時(shí),啟用黃色誘導(dǎo)燈,定時(shí)上傳道路路況圖像;二級時(shí),啟用紅色誘導(dǎo)燈,實(shí)時(shí)上傳路況圖像,LED情報(bào)板告警;三級時(shí),啟用紅色誘導(dǎo)燈,實(shí)時(shí)上傳路況圖像情報(bào)板告警,道路限流。

        5 系統(tǒng)測試結(jié)果

        系統(tǒng)經(jīng)過實(shí)驗(yàn)室環(huán)境模擬以及陜西省內(nèi)多段高速公路實(shí)地測試,相關(guān)系統(tǒng)參數(shù)如表3所示。

        表3 系統(tǒng)各項(xiàng)參數(shù)

        系統(tǒng)經(jīng)過多次驗(yàn)證,在實(shí)驗(yàn)室模擬水汽環(huán)境下,溫、濕度傳感器在5 s內(nèi)給出告警,能見度儀能捕捉變化。在實(shí)際高速公路測量中,PM傳感器捕捉的常規(guī)PM范圍在75~150μg/m3之間,常規(guī)大氣能見度在2 000 m以上。在有團(tuán)霧出現(xiàn)時(shí),由于形成條件不同,PM值會保持在150μg/m3或者能見度小于1 km,系統(tǒng)能正確捕捉攝像頭拍攝的畫面,在30 s內(nèi)傳輸至上位機(jī),并顯示相應(yīng)路段交通狀況。

        在道路控制部分,光電傳感器能夠判斷車輛位置,開啟相應(yīng)誘導(dǎo)燈,當(dāng)達(dá)到二級時(shí),LED告示板就會發(fā)出警告;當(dāng)達(dá)到三級時(shí),GPRS模塊會向服務(wù)范圍內(nèi)的手機(jī)發(fā)送短信通知。

        6 結(jié)束語

        文中主要實(shí)現(xiàn)了一種高速公路團(tuán)霧天氣下預(yù)警和管控系統(tǒng),此系統(tǒng)應(yīng)用了多傳感器技術(shù),能迅速準(zhǔn)確地檢測出團(tuán)霧天氣變化,并且滿足相應(yīng)管控的基本需求。應(yīng)用道路控制系統(tǒng)能實(shí)時(shí)管控車輛運(yùn)行情況,并且保持了前后兩車的安全距離,為復(fù)雜天氣交通運(yùn)輸提供了可靠的應(yīng)用方案。相較于先前的研究[17-18],在系統(tǒng)響應(yīng)速度上提升了50%,探測范圍提升了20%,具有實(shí)用價(jià)值和廣泛的參考意義。

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