謝小葉，張慧楠，肖廣兵

（南京林業(yè)大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，南京 210037）

1 引言

由于城市生態(tài)系統(tǒng)脆弱化及暴雨天氣高頻性，城市的低洼地段易產(chǎn)生內(nèi)澇、洪水等次生災(zāi)害[1]，路面與輪胎接觸面會產(chǎn)生一層水膜，兩者間的摩擦因數(shù)降低[2]，導(dǎo)致車隊在轉(zhuǎn)彎時穩(wěn)定性變差，影響車隊正常運行。嘗試解決此類問題的研究當(dāng)前有很多，賈宇涵[3]等人設(shè)計了一種在車身安裝液位傳感器以探測水位的系統(tǒng)，有效降低汽車涉水時產(chǎn)生的風(fēng)險。但是該系統(tǒng)只能在車輛到達積水路段時啟用，無法在轉(zhuǎn)彎路段對車隊預(yù)警，存在安全隱患。沈谞雅[4]通過采用多傳感器對道路坡度角、積水到達排氣管的高度進行測量與計算，預(yù)測車輛能否繼續(xù)前行。但此裝置計算復(fù)雜且測量不易準(zhǔn)確，不適用于車隊日常出行。針對現(xiàn)有研究的不足，在此設(shè)計一種車隊涉水轉(zhuǎn)彎穩(wěn)定性預(yù)警系統(tǒng)，通過在城市內(nèi)澇多發(fā)路段安裝液位傳感器與攝像頭，結(jié)合5G通信技術(shù)，將水位數(shù)據(jù)與實時監(jiān)控圖像傳輸至上位機，實現(xiàn)信息交互，及時規(guī)劃適宜的行進路線，提高轉(zhuǎn)彎穩(wěn)定性。

2 系統(tǒng)工作原理

系統(tǒng)以PIC16F877處理器為核心，通過液位傳感器、攝像頭、GPS芯片等硬件設(shè)備采集城市內(nèi)澇多發(fā)路段的水位信息以及當(dāng)前車隊行駛狀況信息。PIC單片機對接收到的信息分析處理后，發(fā)送數(shù)據(jù)至上位機，有利于車隊管理人員監(jiān)測暴雨天氣下的實時水位信息并為車隊合理規(guī)劃行駛路線，完成對車隊在轉(zhuǎn)向工況下的涉水預(yù)警。系統(tǒng)整體設(shè)計原理如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)工作原理圖

3 硬件電路設(shè)計

本車隊涉水轉(zhuǎn)彎穩(wěn)定性預(yù)警系統(tǒng)的硬件部分主要由供電模塊、主處理器模塊、5G通信模塊、液位傳感器模塊、攝像頭模塊以及GPS定位模塊組成。整體硬件以PIC16F877型處理器為核心，其他模塊通過無線串口與主處理器連接，共同實現(xiàn)對車隊的轉(zhuǎn)彎預(yù)警功能。

3.1 供電模塊

系統(tǒng)中，PIC16F877主處理器采用5V直流供電；5G通信模塊使用2.0～3.6V直流電壓；液位傳感器模塊輸入電壓采用2.2～5.5V直流電壓；攝像頭模塊使用3.3V直流電壓；GPS定位模塊供電電壓為2.7～3.6V。

利用一款具有代表性的集成電路LM1117-3.3芯片來實現(xiàn)電壓轉(zhuǎn)換，提供3.3V電壓給各個模塊，使用三端穩(wěn)壓塊，運行精度高，結(jié)構(gòu)簡單，功耗低，便于使用[5]。此部分模塊的電路圖如圖2所示。

圖2 供電模塊電路圖

3.2 主處理器模塊

系統(tǒng)的核心硬件在于PIC單片機，通過主處理器對道路水位和車隊運行狀態(tài)分析處理，實現(xiàn)快速高效的預(yù)警和道路規(guī)劃。

PIC單片機采用的是由Microchip公司所生產(chǎn)的PIC16F877，其串行通信模塊較為先進，具有十位精度的轉(zhuǎn)換[6]。與其他同類產(chǎn)品相比，它還具有高性能RISC CPU、內(nèi)部設(shè)置看門狗定時器WDT[7]功能，以及運行速度快、低功耗、外接電路簡單、可存儲大量數(shù)據(jù)等優(yōu)勢，滿足監(jiān)測的需求。在MPLAB-IDE開發(fā)環(huán)境和實驗板的支持下，該產(chǎn)品還具有在線調(diào)試功能。PIC16F877內(nèi)部嵌入一個10位A/D轉(zhuǎn)換器[8]，配有獨立的時鐘信號，當(dāng)處于休眠狀態(tài)時，仍然可以進行數(shù)/模轉(zhuǎn)換。處理器管腳情況如圖3所示。

圖3 PIC16F877處理器管腳示意圖

3.3 5G通信模塊

5G通信模塊選用A5130芯片，它是一款雙工作頻率的無線射頻收發(fā)芯片，具有容量大、延時低、接收信號靈敏度高、傳輸時間短等優(yōu)點[9]，保證信息能夠?qū)崟r傳輸，管理人員能在最快時間段內(nèi)了解道路積水狀態(tài)。A5130工作于5.2GHz與5.8GHz兩個頻段，可以輕易調(diào)頻，尋找干擾較少的頻段。除此之外，該芯片的自動重傳、自動應(yīng)答機制，也有利于降低MCU數(shù)據(jù)處理的復(fù)雜性。當(dāng)該芯片不需要RF時，可開啟睡眠模式，保持5μA低耗電狀態(tài)，適合于車隊日常出行使用。無線通信模塊電路圖如圖4。

圖4 無線通信模塊電路圖

3.4 液位傳感器模塊

內(nèi)澇多發(fā)路段的實地水位監(jiān)測以液位傳感器[10]為主要基礎(chǔ)設(shè)備，采用具有四個觸摸檢測通道的芯片VK36W4D進行監(jiān)測。該芯片有自動校準(zhǔn)功能，穿透能力高，集成度高，抗干擾能力強；同時其內(nèi)部的集成電路擁有高電源電壓抑制比，使其檢測錯誤減少，保證在雨天積水路段仍能穩(wěn)定工作。液位傳感器模塊電路原理如圖5所示，其靈敏度由專用管腳所接電容CS決定，電容增大時，靈敏度隨之增加。

圖5 液位傳感器模塊電路圖

3.5 攝像頭模塊

路段水位監(jiān)測除依靠液位傳感器外，還以攝像頭作為輔助設(shè)備。實時捕捉水位圖像，通過5G網(wǎng)絡(luò)傳送至上位機系統(tǒng)，車隊的管理人員可以將數(shù)據(jù)與圖像結(jié)合分析，合理規(guī)劃車隊的行進路線。

攝像頭模塊采用CMOS圖像傳感器的攝像頭，具有低照度好、可控性強、價格低、寬動態(tài)效果好等優(yōu)點，能夠勝任在陰雨天氣條件下傳輸清晰穩(wěn)定的實時圖像[11]。除此之外，CMOS攝像頭功耗低，只在開啟時會消耗電量，其余時間幾乎無功耗，適合日常簡單使用。此部分模塊的電路圖如圖6所示。

圖6 攝像頭模塊電路圖

3.6 GPS定位模塊

車隊定位功能采用NEO-5Q芯片，由瑞士科技公司生產(chǎn)。該芯片成本低、體積小，便于安裝在車隊的任何部位。芯片特別采用KickStart微弱信號攫取技術(shù)[12]，確保能夠方便快速地定位車隊的實時所在位置。GPS定位模塊電路圖如圖7所示。

圖7 GPS定位模塊電路圖

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

軟件設(shè)計選用Visual Basic 6.0軟件完成，搭建車隊涉水轉(zhuǎn)彎穩(wěn)定性預(yù)警系統(tǒng)軟件。軟件主界面如圖8所示。

圖8 軟件主界面

主界面設(shè)計參考了現(xiàn)有設(shè)計中常見的樣式[13]，包括水位監(jiān)測、路線規(guī)劃、故障報修、今日天氣、個性化、退出等功能按鍵，分別實現(xiàn)實時道路水位監(jiān)測、規(guī)劃合理路線、意外事故救援以及軟件界面設(shè)置等功能。

系統(tǒng)軟件的工作流程如圖9所示。軟件以水位監(jiān)測功能為核心，通過安裝于道路中的液位傳感器和攝像頭監(jiān)測水位，數(shù)據(jù)收集完畢后被發(fā)送到主處理器進行分析和處理。

圖9 系統(tǒng)軟件流程圖

軟件會對不同身份的用戶進行權(quán)限設(shè)置。其中路線規(guī)劃以及發(fā)送預(yù)警功能為管理員特有的操作權(quán)限，其余功能管理員與用戶皆可使用。

如圖10所示為查詢道路水位的界面，實例中以板倉街與鎖金東路路口為例。管理員或用戶可在此界面上選擇所要查詢的路段，觀測路段當(dāng)前水位。軟件會根據(jù)當(dāng)日降水量預(yù)計出未來半小時內(nèi)水位。點擊“實時監(jiān)控”按鈕即可看到路段的水位圖像。該界面還能提供所選擇車隊的車速以及各類車輛涉水臨界值等信息[14]，輔助管理員更好地判斷是否需要發(fā)送預(yù)警。

圖10 水位監(jiān)測界面

如圖11所示為路線規(guī)劃界面。管理人員輸入車隊當(dāng)前所在路段，并選擇原本所要經(jīng)過的積水路段，該界面即可結(jié)合GPS定位系統(tǒng)為駕駛員提供更優(yōu)化的路線[15]，提高車隊的出行效率。

圖11 路線規(guī)劃界面

如圖12所示為故障報修界面。當(dāng)車隊不慎進水，或發(fā)生意外交通事故時，駕駛員或用戶可以通過此界面提交車輛編號、事故地點以及故障原因；系統(tǒng)會為駕駛員尋找附近的救援隊伍進行呼救，及時解決問題，有利于保障車內(nèi)人員人身安全，同時可避免占道，節(jié)約社會資源。

圖12 故障報修界面

如圖13所示為今日天氣界面。該界面會顯示所在城市的實時天氣狀況，包括空氣質(zhì)量、溫度、降水量、風(fēng)向風(fēng)力等信息，其中特別會通過圖表的方式更加直觀地為用戶顯示降水量變化，信息自動刷新保證了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。管理人員可借此提前了解當(dāng)日天氣來預(yù)測車隊出行安全性并發(fā)送相關(guān)提醒。

圖13 今日天氣界面

5 結(jié)束語

所設(shè)計系統(tǒng)以PIC16F877處理器為核心，用液位傳感器、攝像頭等設(shè)備收集路基單元和車隊的各項數(shù)據(jù)，通過5G網(wǎng)絡(luò)、GPS等技術(shù)，使用戶和管理員能夠及時了解路段的水位信息。管理員可通過該系統(tǒng)向駕駛員發(fā)送預(yù)警并及時規(guī)劃合理的行進路線。系統(tǒng)功能多樣、易于操作，具有廣泛的應(yīng)用前景。