城市易積水路段行車安全監(jiān)測及預(yù)警技術(shù)研究

唐涵潤+田婧+尹成龍+白明慧+胡峻峰

摘 要 每逢雨季，由于城市道路不均勻沉降、排水設(shè)施建設(shè)落后等原因，城市低洼路段積水嚴(yán)重。其不僅會損壞路面路基，降低行車速度，更可能導(dǎo)致車輛排氣管進水，熄火泡車。我們利用超聲波檢測技術(shù)收集積水信息，通過單片機對積水?dāng)?shù)據(jù)進行快速處理，基于ZigBee無線通信技術(shù)，開發(fā)車路信息交互系統(tǒng)，采用路旁LED積水深度顯示屏與蜂鳴器結(jié)合提醒駕駛員的方式，有效提高城市易積水路段的行車安全系數(shù)。

關(guān)鍵詞 積水路面；超聲波；ZigBee無線通信；安全預(yù)警

中圖分類號 TP2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 2095-6363（2017）05-0043-01

針對城市道路積水現(xiàn)象，我們設(shè)計了一種基于ZigBee技術(shù)的涉水行車安全預(yù)警裝置。下面就實施方案進行簡要介紹。

1 研究思路和方法（如圖1所示）

2 實施計劃

2.1 基于超聲波的積水信息采集

1）超聲波測距。超聲波測距通過單片機控制傳感器發(fā)射及接收超聲波，利用時間差T，即超聲波在空氣中的傳播時間，計算出距離S，并對收集到的數(shù)據(jù)進行誤差處理。關(guān)于信號的誤差處理主要有以下3部分。（1）濾波放大電路。由于在傳播過程中，回波信號隨著距離增大而減小，故采用雙運放、高性能、低噪聲的運算放大器NE5532來放大回波信號，有效排除噪聲干擾。（2）溫度補償電路。因超聲波的傳播速度受溫度影響較大，故使用DS18B20單線數(shù)字溫度傳感器設(shè)計有效的溫度補償電路，其溫度轉(zhuǎn)換分辨率可編程。（3）時間增益補償（TGC）電路。由于聲束的擴散以及聲波的反射、散射，回波信號的幅值隨著被測距離的增加大致呈指數(shù)規(guī)律衰減，近距離目標(biāo)的回波信號幅度大，遠(yuǎn)距離目標(biāo)的回波信號幅度小，因此采用具有時間增益控制功能的接收放大器對衰減的回波進行增益補償，即使發(fā)射信號的余振幅度變小，延續(xù)時間縮短，可以分辨進出的回波信號；又可使遠(yuǎn)處回波信號的幅度增大，以提高測量精度。

2）路測裝置安裝方式。裝置安裝方式需根據(jù)路段實地考察情況選取不同方案。當(dāng)路段高處無妨礙物，易于安裝裝置時，選取方案1，將路測傳感器垂直放置于路段易積水處正上空；當(dāng)路況復(fù)雜，按上述方式安裝易影響交通時，則選取方案2，將路測傳感器放置于路邊并傾斜一定角度。

其他參數(shù)與方案1中含義相同。

2.2 基于單片機的數(shù)據(jù)處理

由于汽車駛過積水路段、風(fēng)吹動水面等原因，道路上的積水水位會發(fā)生一定的波動。為消除水面波動對測量精度的影響，當(dāng)水面波動較大，即一組采樣點前后相差超過5cm時，采用“中間平均法”，去掉最大和最小的一部分?jǐn)?shù)據(jù)，取中間數(shù)據(jù)的平均值；當(dāng)相鄰采樣數(shù)據(jù)未出現(xiàn)較大波動時，將對所測數(shù)據(jù)直接取平均值。

2.3 基于ZigBee技術(shù)的車—路信息交互技術(shù)

1）基于ZigBee的數(shù)據(jù)打包、解析技術(shù)。運用直接序列擴頻（DSSS）技術(shù)，采用各種調(diào)制方式在發(fā)送端形成擴展信號的頻譜，而在接收端，用相同的擴頻碼序進行解碼，把擴展的擴頻信號還原成原始的信息，將信源與一定的PN碼（偽噪聲碼）進行模二加，對數(shù)據(jù)進行調(diào)制、解析，具有良好的抗噪性。

2）車—路終端信息有效交互距離研究。隨著通信距離的增大，ZigBee通信的復(fù)雜度增加，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性降低，且為防止積水深度信息成為不經(jīng)過該路段駕駛員的“垃圾信息”，車—路終端信息有效交互距離不能設(shè)計的過大。但為讓駕駛員在距離積水路段較遠(yuǎn)處便能接受到積水深度信息，使其可及時更改行車路線，又應(yīng)盡可能增大車—路信息交互距離。因此，通過增大信號的發(fā)射功率或在通信范圍內(nèi)采用多點布置來擴大有效通信范圍，選擇距路測裝置300m的區(qū)域作為合理的、有效的車—路終端信息交互距離。

2.4 積水信息提示裝置

1）路旁LED顯示屏。由單片機控制路旁LED屏顯示處理后的積水信息，使信息能及時反饋給交通參與者。

2）車載提示裝置。當(dāng)車載模塊接收到通信協(xié)議傳來的積水信息后，由單片機控制車載LED屏顯示出數(shù)據(jù)，同時經(jīng)過結(jié)合車輛自身參數(shù)（設(shè)積水深度到達(dá)排氣筒離地高度的90%為預(yù)警值）所設(shè)定的程序，判斷此時路面積水深度是否對行車構(gòu)成較大影響，當(dāng)積水深度達(dá)到危險范圍時，蜂鳴器發(fā)出警報。

3 結(jié)論

該項目通過對積水深度信息采集傳輸及預(yù)警技術(shù)的研究和分析，采用超聲波測距成熟技術(shù)，使用微處理器對數(shù)據(jù)進行整理，同時采用濾波放大電路、溫度補償電路、時間增益補償電路來降低誤差，有效提高了數(shù)據(jù)測量精度；采用ZigBee無線通信技術(shù)收發(fā)積水深度數(shù)據(jù)信息，實現(xiàn)無線化、低成本、易維護等目標(biāo)；采用預(yù)警裝置來提醒車輛在積水路段能否安全涉水通過，使駕駛員能及時改變行車路線，使得預(yù)警方式更為可靠有效。

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