交通隧道積水檢測(cè)與預(yù)警控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

林俊賢，洪遠(yuǎn)泉*，蘇杰來(lái)，陳偉忠，陳桂嬋，林思聰

（韶關(guān)學(xué)院 物理與機(jī)電工程學(xué)院， 廣東 韶關(guān) 512005）

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交通隧道積水檢測(cè)與預(yù)警控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

林俊賢，洪遠(yuǎn)泉*，蘇杰來(lái)，陳偉忠，陳桂嬋，林思聰

（韶關(guān)學(xué)院 物理與機(jī)電工程學(xué)院， 廣東 韶關(guān) 512005）

摘要：為解決交通隧道積水引發(fā)的交通安全隱患，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了交通隧道積水檢測(cè)與預(yù)警控制系統(tǒng).以STM32單片機(jī)作為控制核心，采用HC-SR04超聲波模塊檢測(cè)積水深度，利用OV7670攝像頭采集隧道積水圖片，通過(guò)ENC28J60以太網(wǎng)模塊傳輸數(shù)據(jù).積水預(yù)警信息由SIM900A手機(jī)模塊短信發(fā)出，LED顯示屏在隧道入口處實(shí)時(shí)顯示.實(shí)測(cè)表明，系統(tǒng)達(dá)到了控制要求，具有一定的實(shí)用意義和市場(chǎng)價(jià)值.

關(guān)鍵詞：交通隧道；積水檢測(cè)；超聲波；預(yù)警

隨著城市化進(jìn)程的加快，許多城市采用隧道、立交橋等方式來(lái)緩解交通壓力.但目前由強(qiáng)降雨造成交通隧道或者橋底低洼處出現(xiàn)大量積水的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，給行人和車(chē)輛的出行帶來(lái)了極大的安全隱患.本文介紹了消除交通隧道積水引發(fā)的交通安全隱患的控制系統(tǒng)原理，可實(shí)現(xiàn)隧道積水檢測(cè)、現(xiàn)場(chǎng)圖像采集傳輸、遠(yuǎn)程報(bào)警和現(xiàn)場(chǎng)預(yù)警等功能.

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)總體框架，包含積水檢測(cè)站點(diǎn)、預(yù)警顯示模塊和信息處理中心3部分組成（見(jiàn)圖1）.積水檢測(cè)站點(diǎn)通過(guò)HC-SR04超聲波模塊和OV7670攝像頭實(shí)時(shí)檢測(cè)隧道積水情況，通過(guò)ENC28J60以太網(wǎng)模塊傳輸至信息處理中心.信息處理中心對(duì)積水檢測(cè)站點(diǎn)上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，一旦判斷出隧道積水，通過(guò)SIM900A模塊，進(jìn)行遠(yuǎn)程手機(jī)短信報(bào)警，并在隧道入口處控制LED顯示屏顯示積水預(yù)警信息［1］.

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 積水檢測(cè)站點(diǎn)設(shè)計(jì)

檢測(cè)站點(diǎn)負(fù)責(zé)采集水位和圖像數(shù)據(jù)，并根據(jù)uIP協(xié)議棧將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為數(shù)據(jù)包的形式經(jīng)以太網(wǎng)發(fā)送到檢測(cè)信息中心.

2.1 超聲波水位測(cè)量原理

采用渡越時(shí)間檢測(cè)法測(cè)量積水深度.微處理器控制超聲波發(fā)射器發(fā)出40 kHz的超聲信號(hào)，經(jīng)過(guò)水面反射后被接收器接收，測(cè)量發(fā)射和接收超聲波的時(shí)間差，即可測(cè)得積水面與測(cè)試點(diǎn)之間的距離L［2］.計(jì)算公

式為式（1），τ為環(huán)境溫度，t為超聲波在空氣中傳播的時(shí)間.

將超聲波收發(fā)模塊固定在隧道內(nèi)離地面高H的位置，隧道積水深度為測(cè)試裝置放置高度H與超聲波實(shí)測(cè)距離L的差值.

2.2 OV7670攝像頭信號(hào)傳輸時(shí)序

OV7670是OmniVision公司基于CMOS VGA的圖像傳感器，可通過(guò)SCCB總線控制輸出整幀、子采集、取窗口等操作，其VGA圖像最高可達(dá)到30 fs［3］.

OV7670的行輸出時(shí)序見(jiàn)圖2.在像素時(shí)鐘PCLK、行同步信號(hào)HREF控制下進(jìn)行圖像數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)線D［7∶0］輸出.行同步信號(hào)HREF由低電平變?yōu)楦唠娖綍r(shí)，每一個(gè)PCLK時(shí)鐘信號(hào)下降沿，輸出一個(gè)字節(jié)圖像數(shù)據(jù).RGB565格式輸出中，一個(gè)像素的顏色由2個(gè)字節(jié)組成，一行有640個(gè)像素.輸出一行數(shù)據(jù)后，HFEF信號(hào)變低，144個(gè)PCLK時(shí)鐘周期后，HREF再次變高，輸出下一行行數(shù)據(jù).一幀圖像包含480行［4］.

圖2 OV7670行輸出時(shí)序

3 檢測(cè)信息中心的設(shè)計(jì)

檢測(cè)信息中心功能為顯示積水高度和隧道內(nèi)部圖像、預(yù)警短信發(fā)送、控制隧道口LED點(diǎn)陣顯示警示信息.主要由SIM900A短信模塊、TFT液晶顯示屏、以太網(wǎng)模塊組成.

3.1 SIM900A GSM模塊

GSM系統(tǒng)是目前基于時(shí)分多址技術(shù)的移動(dòng)通訊體制中比較成熟、完善、應(yīng)用最廣泛的系統(tǒng)之一，是我國(guó)公眾移動(dòng)通訊網(wǎng)的主要方式，主要提供話音、短信息、數(shù)據(jù)等多種業(yè)務(wù)［5］.STM32控制GSM模塊主要通過(guò)串口通信向GSM發(fā)送“AT”指令完成發(fā)送短信操作.

3.2 以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸原理

ENC28J60是帶有行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)串行外設(shè)接口（Serial Peripheral Interface，SPI）的獨(dú)立以太網(wǎng)控制器，它符合IEEE 802.3的全部規(guī)范，采用了一系列包過(guò)濾機(jī)制以對(duì)傳入數(shù)據(jù)包進(jìn)行限制［6］.在IEEE 802.3規(guī)范中，一個(gè)數(shù)據(jù)幀的長(zhǎng)度介于64到1518字節(jié).每個(gè)數(shù)據(jù)幀由目標(biāo)地址、源地址、類(lèi)型/長(zhǎng)度字段、數(shù)據(jù)字段、可選的填充字段和幀校驗(yàn)字段組成.在以太網(wǎng)通信時(shí)，還需要在每個(gè)數(shù)據(jù)幀的前面附加一個(gè)前導(dǎo)字段（7字節(jié)）和一個(gè)幀起始定界符（1字節(jié)）［7］.數(shù)據(jù)幀格式見(jiàn)圖3.

圖3 802.3數(shù)據(jù)幀格式

系統(tǒng)主要使用uIP傳輸協(xié)議，uIP協(xié)議去掉了完整的TCP/IP中不常用的功能，簡(jiǎn)化了通信流程，但保留了網(wǎng)絡(luò)通信中必須使用的協(xié)議，設(shè)計(jì)重點(diǎn)放在了IP、TCP、UDP這些網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層協(xié)議上，保證了代碼的通用性和結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性［8］.

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 檢測(cè)站點(diǎn)程序流程

檢測(cè)站點(diǎn)的程序流程見(jiàn)圖4.先對(duì)攝像頭、超聲波、以太網(wǎng)模塊進(jìn)行初始化，接著設(shè)置uIP協(xié)議棧中的IP地址、網(wǎng)關(guān)等配置，然后對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的采集和發(fā)送，對(duì)積水深度數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測(cè).

4.2 檢測(cè)信息中心程序流程

檢測(cè)信息中心的程序流程見(jiàn)圖5.首先對(duì)系統(tǒng)的串口、外圍設(shè)和

操作系統(tǒng)的初始化（包括對(duì)uIP協(xié)議棧的初始化和配置），跟著

進(jìn)入一個(gè)任務(wù)選擇界面，選擇任務(wù)執(zhí)行.

4.3 隧道口顯示器程序流程

隧道口顯示器的程序流程見(jiàn)圖6.隧道口的處理器首先對(duì)芯片的LED點(diǎn)陣模塊和以太網(wǎng)模塊進(jìn)行初始化，然后設(shè)置uIP協(xié)議棧中的IP地址、網(wǎng)關(guān)等配置，讓系統(tǒng)可以接收檢測(cè)點(diǎn)采集到的水位數(shù)據(jù).當(dāng)水位超出安全線范圍后，處理器啟動(dòng)LED點(diǎn)陣屏顯示隧道內(nèi)部情況信息和水位高度，以警示過(guò)往車(chē)輛.

圖4 檢測(cè)點(diǎn)程序流程圖

圖5 檢測(cè)信息中心程序流程 圖6 隧道口顯示器的程序流程

5 系統(tǒng)測(cè)試與結(jié)論

系統(tǒng)完成軟硬件調(diào)試后，用1.5 m深的水池模擬隧道積水，將測(cè)量裝置固定在4 m的高度，進(jìn)行積水深度檢測(cè)和預(yù)警測(cè)試.系統(tǒng)預(yù)設(shè)積水報(bào)警界限為0.5 m.測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1.

表1 積水檢查與預(yù)警測(cè)試

系統(tǒng)理論上可測(cè)量0～4 m的積水深度.實(shí)測(cè)了0～1.5 m的積水深度，誤差最大為2 cm.一旦積水深度超過(guò)了預(yù)設(shè)的0.5 m界限，系統(tǒng)能過(guò)進(jìn)行短信遠(yuǎn)程報(bào)警和隧道口顯示器文字預(yù)警.測(cè)試結(jié)果表明，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了隧道積水檢測(cè)與預(yù)警的功能，達(dá)到了設(shè)計(jì)的預(yù)期目標(biāo).采用本系統(tǒng)，暴雨積水時(shí)，既可讓交通管理部門(mén)實(shí)時(shí)掌握道路積水情況，發(fā)布道路積水預(yù)警，引導(dǎo)車(chē)輛安全行駛，也可以在積水現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)預(yù)警，提醒過(guò)往車(chē)輛、行人安全通行.

參考文獻(xiàn)

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（責(zé)任編輯：歐 愷）

中圖分類(lèi)號(hào)：U458.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1007-5348（2016）02-0023-04

［收稿日期］2016-01-15

［基金項(xiàng)目］韶關(guān)市科技計(jì)劃項(xiàng)目（2013CX/K55）；2015年國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目（201510576008）.

［作者簡(jiǎn)介］林俊賢（1993-），男，廣東清遠(yuǎn)人，韶關(guān)學(xué)院物理與機(jī)電工程學(xué)院學(xué)生；研究方向：電子技術(shù).*通訊作者.

Design of Detecting and Warning System for Traffic Tunnel Stagnant Water

LIN Jun-xian， HONG Yuan-quan， SU Jie-lai， CHEN Wei-zhong， CHEN Gui-chan， LIN Si-cong
（Institute of Physics and Mechanical & Electrical Engineering， Shaoguan University， Shaoguan 512005，Guangdong， China）

Abstract:In order to solve the traffic safety hazard caused by the traffic tunnel water， a detecting and warning system of the city flooded tunnels is designed and implemented. The system uses STM32 as the control core. The control system employed HC-SR04 ultrasonic module for the depth of water measurement， exploiting camera OV7670 for collecting the images of the tunnel， and transmitted the data through the ENC28J60 Ethernet module. Tunnel Stagnant Water early warning message can be sent by the SIM900A cellphone module， and LED display in real time at the entrance of the tunnel. Actual measurement is that the system can be satisfied with the control requirement，with a certain practical significance and market value.

Key words:traffic tunnel；water detection；ultrasonic；warning