一種公路無線雨霧報警系統的應用研究

范海健 劉淑芬 趙佳偉

摘 要：針對公路雨霧天氣對日常行車出行產生的影響以及現有公路網絡雨霧報警系統的靈活性與局限性，設計了一種基于無線傳輸模塊的新型雨霧報警系統，文章對系統的組成和電路實現進行了闡述，同時研制了實驗樣機進行測試驗證，結果證明，該設計可廣泛應用于公路網絡之中。

關鍵詞：雨霧報警；無線模塊；應用系統；測試驗證

中圖分類號：TP277 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2016）05-00-02

0 引 言

隨著我國公路特別是高速公路里程數的增加及居民自駕出行的日益普及，因雨霧等惡劣天氣而造成的交通事故日益增多，特別是在出現突發團霧的情況下更是給高速交通帶來很大的安全隱患，惡性交通事故時有發生，雨霧天氣的突發性及預警發布的不及時給國家和人民生命財產帶來了重大損失。

本文提出一種無線雨霧報警系統[1，2]，將太陽能供電與無線通信技術相結合，設計開發一種新型的雨霧報警系統，一方面能完成雨量及霾顆粒物的測量，另一方面通過無線傳輸的方式將信息傳輸至報警平臺，進行實時推送播報，報警平臺既可以固定安裝，也可以安裝在警用車輛上，突出其實時性與機動性的特點。

1 系統結構及工作原理

基于無線通信模塊的雨霧報警系統結構框圖如圖1所示。太陽能供電模塊主要為前端采集節點提供電能，模塊中光伏太陽能板實現光電轉換，并為9伏蓄電池供電，電能經過變壓后為采集節點處理器及無線發送模塊提供電能。傳感器模塊主要由雨量傳感器[3]及霾顆粒物傳感器[4]組成，以完成對這些參數的數據采集。前端處理器采集到相關傳感數據后進行分析，當所處理的信息超出警戒值時，通過無線發送模塊發送至無線接收模塊，由控制器控制進行語音預警，并通過LCD顯示模塊顯示警示信息。

圖1 雨霧報警系統結構框圖

2 控制芯片與模塊選擇

2.1 MSP430F149單片機

本系統采用MSP430F149作為系統控制芯片[5]，該芯片為一個16位的超低功耗微控制器，具有低電壓、超低功耗的功能，工作電壓為3.6 V～1.8 V。具有12位模數轉換器，內部參考電壓源，并且具有采樣、保持、自動掃描等功能，可以得到很高的精度，省去了使用專門的模數轉換器給設計電路板帶來的麻煩，對采集的傳感器數據進行處理。

2.2 傳感器模塊組

2.2.1 YL_83雨量傳感器

該模塊電源電壓為5 V，支持TTL電平輸出，TTL輸出有效信號為低電平，驅動能力100 mA左右。模塊上裝有電位器，靈敏度可通過電位器調節 。沒有雨時LED點亮，輸出為高電平，雨滴上去，則輸出低電平，LED亮。雨滴板和控制板是分開的，方便將線引出。模塊支持AO模擬輸出，可以連接單片機的AD口檢測滴在上面的雨量大小，也可以測量液面高度。大面積雨滴檢測板大小為5.4 mm×4.0 mm，可以方便地嵌入到外部集雨裝置中。

2.2.2 GP2Y1010AU0F 霧霾檢測模塊

該霧霾檢測模塊采用Sharp光學灰塵傳感器（GP2Y1010AU0F），用于檢測直徑大于0.8 μm的灰塵顆粒濃度，如霧霾（平均直徑大約在1～2μm左右）；輸出電壓以模擬量的形式輸出，可以接入單片機采集端的AD輸入端口，電壓大小與灰塵濃度呈線性關系。內置升壓電路，工作電壓范圍為2.5 V～5.5 V。

霾傳感器模塊示意圖如圖2所示。

該霾傳感器模塊可根據空氣中微型顆粒的大小和數量對兩個LED燈反射光的影響，然后根據反射光強度的大小判斷空氣中的空氣質量。

2.3 nRF905無線傳輸模塊

nRF905采用Nordic公司的VLSI ShockBurst技術。ShockBurst技術使nRF905能夠提供高速的數據傳輸，而不需要昂貴的高速MCU來進行數據處理，通過將與RF協議有關的高速信號處理放到芯片內，nRF905提供給微控制器一個SPI接口，速率由微控制器自己設定的接口速度決定，無線發送模塊接口示意圖如圖3所示。

nRF905無線模塊發射時相關引腳的電平變化見表1。

3 系統軟件設計

系統軟件主要分為前端采集節點子系統與后端報警顯示子系統兩部分。由于后端報警顯示子系統流程比較簡單，因此這里不做分析。前端節點主要完成傳感器的數據采集、判斷及信息發送，具體的軟件流程圖如圖4所示。

圖4 系統前端節點軟件流程圖

4 結 語

在系統樣機測試中，各部分工作正常且很好地完成了系統設計的各項任務，系統各個模塊均采用低功耗芯片，滿足了前端采集節點太陽能供電的低功耗要求。太陽能供電模塊及無線傳輸模塊的使用使該系統在選擇安裝地點的方便性及機動性大大提高，應用前景廣闊。

參考文獻

[1]周怡窹，凌志浩，吳勤勤.ZigBee無線通信技術及應用探討[J].自動化儀表， 2005，26（6）：5-9.

[2]張鵬，龍偉.高速公路雨霧監測與車輛預警系統設計[J].機械設計與制造工程，2014，43（2）： 27-30.

[3]趙曉利，劉厚智，翁煒霖.四種雨量計觀測雨量的對比及相關性[J].廣東氣象，2009，31（5）：49-51.

[4]王黎明，劉動，陳楓林，等.霧霾模擬方法及其裝置研究[J].高電壓技術，2014，40（11）：3297-3304.

[5]沈建華， 楊艷琴.MSP430系列16位超低功耗單片機原理與實踐[M].北京.北京航空航天大學出版社，2008.