高速公路團霧氣象信息采集自動控制系統設計

周步偉,楊 云,殷 彬,胡 松,汪祺瑞

(華東交通大學電氣與自動化工程學院，江西 南昌 330013)

0 引言

高速公路為國民經濟和社會的發展發揮了巨大作用，各大中城市都已被高速公路網互聯，形成了四通八達的高速公路網。近年來，由于團霧[1]等低能見度天氣導致的交通事故愈發增多，給人們的出行安全造成了很大威脅。同時，由于團霧具有突發性、低能見度性、流動性等特點，對于高速公路行駛的車輛來說非常危險。因此，針對此類氣象條件帶來的安全駕駛隱患，提出了一種高速公路團霧氣象信息采集自動控制系統。該系統可以自動地對高速公路沿線進行氣象數據采集與分析，通過北斗衛星定位，在可變信息情報板上實時提供該路段的氣象信息，提醒過往駕駛員做好預防應急措施。

1 信息采集自動控制系統設計

信息采集自動控制系統[2-3]是針對高速公路上低能見度環境開發的系統，包括信息采集單元、控制單元、執行顯示單元三個部分。

信息采集自動控制系統原理如圖1所示。

圖1 信息采集自動控制系統原理圖

形成團霧的條件有溫度、濕度、光照和風速。這四個參數由各自的傳感器進行測量。將測得參數與設定團霧形成的期望值進行對比。若誤差在一定范圍內，主控制中心判別后進行相應的控制行為，發送團霧發生路段信息至執行機構，即可變信息情報板顯示。由于需要準確提供發生路段信息，因此采用北斗定位[4]模塊作為定位設備，實現對霧區路段距離的判斷。

具體實踐中，這四個參數是互相耦合作用，每個參數缺少或不準確都難以實現對團霧的準確預測。因此，本文選用分布式多傳感器聯合測量，確保每一個參數都能準確被測量。其中，無線通信部分和存儲部分在STM32W18控制器內部實現。

2 主控制器

根據系統被控參數處理與分析的實際情況，選用的控制器可以是微處理器或可編程邏輯器等。對于參數處理和控制并不過于復雜的信息采集自動控制系統而言，選用一般微處理器即可滿足要求。通過微處理器對各個傳感器的測量值進行分析處理，將信息利用通用分組無線技術(general packet radio service，GPRS)[5]無線通信協議[6]發送至執行機構，由可變信息情報板顯示，從而保證對前方路段團霧的實時預警。

使用STM32W108[7]芯片作為主控制器。這是由意法半導體公司生產的32位完全集成的芯片，具有低功耗、低成本、高性能等特點。與主流型號STM32系列相比，該芯片最大特點是支持嵌入式無線傳感器網絡設計的系統級芯片平臺，采用先進的ARM Cortex-M3處理器，徹底消除了32位微處理器在嵌入式系統中應用的障礙。

3 檢測傳感器

氣象信息采集自動控制的必要條件是及時、準確地獲取各項參數的實時信息。因此，選擇合適的檢測傳感裝置十分重要。

傳感器連接電路如圖2所示。

圖2 傳感器連接電路

3.1 溫度傳感器

選用STLM20W87F這一低能耗、高精確度的模擬溫度傳感器[8]，其測量溫度范圍隨電壓而改變。當供電電壓為2.4 V，其范圍為-30～+130 ℃。同時，該溫度傳感器實現超低靜態電源電流僅為8 μA。因此，其工作時自身發熱對溫度測量的影響可以忽略。

溫度傳感器輸出電壓與環境溫度存在下列關系：

V0=(-3.88×106×T2)+(-1.15×102×T)+

1.8639

(1)

經變換后可得：

(2)

式中：T為環境溫度；V0為輸出電壓。

在實際使用時，STLM20W87F傳感器輸出電壓V0通過GPIO引腳進入中控制器，由模/數轉換器(analog to digital converter，ADC)處理后，可得環境測量溫度值。

3.2 濕度傳感器

采用SHT15濕度傳感器[9]作為測量環境濕度的器件。它是一款電容型濕度敏感元件，與1個14位的A/D轉換器相連，具有測量范圍寬、精度高等特性，可以識別0.03%的環境相對濕度變化，精度達到±2%。

3.3 光照傳感器

采用PO188光電集成光照傳感器，暗電流小、低照度響應、靈敏度高，電流隨光照增強呈線性變化。

使用時，直接將PO188輸出信號傳送至主控制器的ADC端口進行接收處理。

PO188光照傳感器額定參數如表1所示。

表1 PO188光照傳感器額定參數

3.4 風速風向傳感器

采用電流型風速風向一體化傳感器EC-8SX[10]，風速輸出脈沖信號，風向輸出電壓信號。該傳感器風速測量范圍為0～70 m/s，可360°測風向，風速精確度為±(0.3+0.03V) m/s，風向為±3°，滿足高速公路沿線的風速、風向測量要求。

4 控制執行顯示機構

選用可變信息情報板[11]作為前方路段團霧預警信息發布的設備，以發光二極管(light emitting diode，LED)作為顯示單元的交通信息顯示裝置，具有圖形和文字顯示功能。該設備可以在低能見度環境下有效顯示道路信息，提醒過往駕駛員注意前方路段危險。STM32主控制器通過GPRS無線傳輸方式將團霧信息發送至可變信息情報板，使之實時顯示。

5 系統軟件設計

信息采集自動控制系統主程序流程如圖3所示。

圖3 主程序流程圖

根據定時器控制程序的進程，按照建立GPRS網絡、接收無線數據、采集環境氣象數據、北斗定位、STM32W108處理并發送數據至可變信息情報板的順序，每5 min對氣象數據進行更新，實時將高速公路沿線出現團霧等低能見度天氣氣象數據顯示在可變信息情報板上，避免駕駛員駛入霧區。

6 系統檢驗與測試

為驗證系統預測團霧的真實效果，選取昌銅高速公路某路段進行實地檢驗與測試。試驗中，沿著昌銅高速隨機選取約5 km的范圍設置傳感器，可變信息情報板放置在所選取路段端口。試驗結果與實際情況對比如表2所示，表明本系統能可靠、有效地實現預期功能。

表2 試驗結果與實際情況對比

7 結束語

本設計采用GPRS無線通信協議，實現對高速公路沿線的環境氣象數據的采集和傳輸，解決了團霧預警難度大、效率不高等問題。該方案利用北斗衛星定位技術，能準確將產生團霧地點的坐標信息發送至可變信息情報板，保證過往駕駛員能夠及時得到提醒警示，達到安全駕駛通過霧區路段降低事故發生率的目的。

鑒于本文只進行了整個系統的設計與探討，因此后續工作的重點是將道路氣象采集信息與交通管理部門進行數據共享，同時采用更加便捷、高效的通信網絡傳輸技術，以期更加完善的系統整體功能。