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        一種基于北斗定位系統(tǒng)的道路積水檢測(cè)裝置

        2021-09-29 14:45:50南京信息工程大學(xué)李雅寧
        電子世界 2021年14期
        關(guān)鍵詞:積水上位北斗

        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(wèn)題。2019年,國(guó)內(nèi)道路交通事故造成67759人死亡,約27.5萬(wàn)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(jiàn),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(chē)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(wú)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(wú)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(wèn)題產(chǎn)生的擁堵,及安全事故等各種問(wèn)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(guò)無(wú)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(jiǎn)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(kāi)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(wú)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(kāi)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(chē)輛規(guī)避積水路段,減少發(fā)生因積水過(guò)深導(dǎo)致車(chē)輛排氣管進(jìn)水,車(chē)輛拋錨的事故的可能性,保障車(chē)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(kāi)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(chē)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(wú)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(chē)輛反饋的道路積水狀況,為車(chē)輛規(guī)劃行車(chē)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(wú)線擴(kuò)頻模塊是基于遠(yuǎn)距離無(wú)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(guò)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(wú)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(guò)ACCESS數(shù)據(jù)庫(kù)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(kāi)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(guò)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(kāi)關(guān),一個(gè)8路模擬開(kāi)關(guān)以及一個(gè)三態(tài)輸出鎖存器,ADC0809具有控制簡(jiǎn)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(guò)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(kāi)發(fā)的Windows窗體應(yīng)用程序,由C#編程語(yǔ)言進(jìn)行開(kāi)發(fā),采用ACCESS數(shù)據(jù)庫(kù)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(chē)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(chē)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(kāi)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(wú)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(kāi)始產(chǎn)生的情況下,單片機(jī)通過(guò)無(wú)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(chē)輛,單片機(jī)通過(guò)無(wú)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(guò)無(wú)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(yǔ):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(guò)拓展,可以被應(yīng)用于搭建網(wǎng)站平臺(tái)公開(kāi)氣象數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)城市道路積水的實(shí)時(shí)播報(bào)。

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