南京信息工程大學 李雅寧 韋 瀾

道路安全關系著百姓生活的各個方面，如何防止道路交通事故的發(fā)生，是一個重要的問題。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。

當前，全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)（GNSS）在輔助道路車輛行駛上，產(chǎn)生了巨大的作用，實時的交通導航，路況報告，都為安全行駛提供了良好的保障。GNSS 在地理定位，路徑規(guī)劃和道路選擇等應用上已經(jīng)趨于成熟，但是在道路氣象信息預報、預警上，仍有很大的應用空間。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報信息獲得，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，基于北斗導航定位系統(tǒng)的定位特點，設計了實時道路積水檢測系統(tǒng)。道路積水檢測系統(tǒng)包括硬件積水檢測系統(tǒng)和配套軟件上位機，遠程實時顯示積水狀況和位置信息。一旦檢測到積水，系統(tǒng)自動報警；上位機軟件具備數(shù)據(jù)的顯示和統(tǒng)計功能，能定點顯示當前位置，并在界面內(nèi)繪制出各個時間段的積水信息圖像。同時，實現(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系統(tǒng)，更加簡易、低功耗、更易安裝應用，且成本更加低廉；使用北斗導航定位系統(tǒng)，定位更加精確，時間精度更高；使用開關液位傳感器，數(shù)據(jù)處理更加便捷；使用基于LoRa擴頻的無線傳輸模塊，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)，搭建服務器平臺公開氣象數(shù)據(jù)，實現(xiàn)城市降水實時播報。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)生因積水過深導致車輛排氣管進水，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

本文所設計的道路積水檢測裝置采用基于Cortex-M3內(nèi)核的STM32單片機作為主控芯片，該芯片具有高性能、低功耗、豐富片內(nèi)外設的特點，負責系統(tǒng)的主要控制行為：根據(jù)主控器設定的閾值，接收開關液位傳感器傳回的積水數(shù)據(jù)，并根據(jù)積水數(shù)據(jù)進行道路積水狀況的判斷；接收北斗定位模塊傳回的實時定位數(shù)據(jù)，提供車輛當前的精確位置信息；系統(tǒng)將道路狀況數(shù)據(jù)和積水數(shù)據(jù)利用LoRa無線擴頻模塊，傳輸給上位機系統(tǒng)，上位機系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進行分析顯示，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)的設計框架如圖1所示。

圖1 積水檢測裝置設計框架

北斗定位模塊是基于SkyTraS1216F8-BD芯片設計的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，能夠達到精準的地理定位。

LoRa無線擴頻模塊是基于遠距離無線電（Long Range Radio，LoRa）線性調(diào)頻擴頻的調(diào)制技術實現(xiàn)的射頻器件，采用SX1268射頻芯片，通過UART串口進行數(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)的遠距離通信和信號有效性。系統(tǒng)利用LoRa無線擴頻模塊與STM32單片機、電腦上位機之間實現(xiàn)遠距離數(shù)據(jù)交互，STM32單片機利用LoRa模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送出去，電腦上位機利用LoRa接收串口數(shù)據(jù)后通過ACCESS數(shù)據(jù)庫進行數(shù)據(jù)的存儲，并在上位機上進行數(shù)據(jù)的顯示和分析。

2 數(shù)據(jù)采集

開關液位傳感器選用的是紅外光學液位計，傳感器模塊將檢測到的液位通過光學傳遞，改變材料的導電率，將液位信號轉換為電壓信號進行輸出，利用AD0809模數(shù)轉換器，將傳感器的電壓信號采集、放大并輸出給STM32單片機。ADC0809芯片是一個8位的逐次逼近型數(shù)模轉換器（Analog to Digital Converter，ADC），芯片內(nèi)置一個8位AD轉換器，一個地址鎖存譯碼開關，一個8路模擬開關以及一個三態(tài)輸出鎖存器，ADC0809具有控制簡單、低功耗、低成本的應用優(yōu)勢，在不需要較高精度的場景下，是一個良好的選擇方案。

3 軟件設計

3.1 北斗定位模塊數(shù)據(jù)處理

北斗模塊同外部設備的通信接口采用UART串口方式進行通信，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/北斗導航設備統(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、校驗和前綴、校驗和、幀結束位。北斗定位流程圖如圖2所示。

圖2 北斗定位流程圖

3.2 積水數(shù)據(jù)處理

積水數(shù)據(jù)的采集是通過ADC輸出給STM32單片機，單片機為了保證數(shù)據(jù)接收的準確性，利用芯片片內(nèi)的AD采集通道，對積水檢測信號進行采集，處理后發(fā)送給上位機系統(tǒng)。積水數(shù)據(jù)處理流程圖如圖3所示。

圖3 積水檢測流程圖

4 上位機設計

積水檢測上位機設計是基于.NET Framework平臺的客戶端開發(fā)的Windows窗體應用程序，由C#編程語言進行開發(fā)，采用ACCESS數(shù)據(jù)庫作為系統(tǒng)數(shù)據(jù)的記錄、存儲和系統(tǒng)工作狀態(tài)的記錄。

上位機能夠顯示各個檢測裝置所在路段同車輛的實時距離，可以幫助司機有效規(guī)避積水路段，防止因為積水導致的車輛熄火或者其它道路交通安全事故。

5 道路積水檢測裝置功能測試

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

結束語：本文系統(tǒng)實現(xiàn)了基于北斗定位系統(tǒng)的道路積水檢測裝置的設計與實現(xiàn)，系統(tǒng)可以根據(jù)積水檢測狀態(tài)進行報警和遠程顯示，具有檢測速度快，顯示范圍廣，使用安裝方便、成本低等優(yōu)勢。系統(tǒng)作為嵌入式硬件，經(jīng)過拓展，可以被應用于搭建網(wǎng)站平臺公開氣象數(shù)據(jù)，實現(xiàn)城市道路積水的實時播報。