基于樹莓派的公路表面破損標記及數據采集裝置★

李玉英 張建華

(東北林業大學交通學院,黑龍江 哈爾濱 150040)

0 引言

隨著我國公路網絡的迅猛發展，我國的高速公路目前已經相當發達，但是公路表面的路面破損的實時監測以及日常養護是有待解決的問題，實時準確地記錄高速公路路面的破損情況對提高路面養護工作的效率，減少交通事故，提高行車安全性具有至關重要的作用[1]。

現有的公路路面破損情形的檢測采集裝置，是將攝像機安裝在車上，由攝像頭采集的路面圖像信息進行模擬及數字化處理，需要經過繁瑣的圖像信息處理過程，不能實時對破損路面進行標記，使后續路面進行修補時，不能及時找到破損路面的位置，不便于路面維修，而且攝像頭采集的路面信息不能形成表格圖，不清晰、直觀[2-5]。

本文針對現有裝置存在的問題，設計了一款基于樹莓派的公路表面破損標記及數據采集裝置。系統以樹莓派為控制核心，通過軟件、硬件的高度結合，可以高效標記公路表面破損位置及數據的采集，實時檢測公路表面破損情況并通過手機APP對數據進行記錄，同時樹莓派體積小，功能強大，可以使得該公路表面破損標記及數據采集裝置具有安全、高效、易安裝、低成本等一系列優點。

1 樹莓派簡介

樹莓派(Raspberry Pi)是來源于英國“Raspberry Pi基金會”的一系列的小型單板計算機的統稱，輔助學校對學生們進行基本的教學計算機科學的教學推廣工作。其內核是基于Linux的開放式嵌入式系統，并將多種操作系統進行集成，同時配套相應的應用軟件可安裝使用，借此可實現其強大的功能，并且樹莓派具有體積較小、價格便宜、易于操作等一系列優勢，深受廣大開源硬件開發者的喜愛[6](見圖1)。

2 系統框架設計

基于樹莓派的公路表面破損標記及數據采集裝置整體框架如圖2所示。該系統由樹莓派微控制器、GPS模塊、激光傳感器以及涂料控制閥構成。

系統的核心是樹莓派，它與GPS模塊、激光傳感器以及涂料控制閥的通信通過USB外圍設備接口UART1完成。工作流程為：樹莓派通過激光傳感器檢測傳感器到路面之間的距離并設置閾值，通過距離的變化判斷是否出現破損路面以及破損的深度與寬度，若采集的數據超過初始閾值，則系統檢測到路面出現破損，并根據破損路面出現時間以及檢測裝置運行速度計算破損位置寬度，識別出破損路面信息后通過GPS定位裝置將破損路面的位置信息以及破損路面信息保存SD內存卡以及相關數據庫中。

3 硬件設計

基于樹莓派的公路表面破損標記及數據采集裝置硬件組成如圖3所示，包括：機體1、涂料存儲箱5和噴嘴2，還包括激光傳感器8、機柜6和管路控制閥7，所述涂料存儲箱5與機柜6一體成型，所述機柜6與機體1固定連接，所述噴嘴2設置在機體1下端，噴嘴2根部通過管道3與涂料存儲箱5連通，所述管道3上設有管路控制閥7，所述距離傳感器8設置在機體1下端，距離傳感器8與機柜6電連接，所述機柜6內設有存儲器和控制器，所述距離傳感器8將信號發送給控制器，所述控制器根據信號控制管路控制閥7的開關，同時將信號發給存儲器存儲。

4 軟件設計

4.1 手機APP功能設定

手機APP界面設計上追求美觀簡約、通俗易懂，適合各年齡段的用戶；功能上，該APP具有路面破損信息(如：是否破損、破損路面類型、破損路面寬度等)、顯示并儲存破損路面位置信息、樹莓派端硬件狀態(如：激光傳感器工作狀態、監聽模塊工作狀態等)等功能。

4.2 服務器端的設計和實現

服務器與樹莓派之間通過Socket連接，使用Java語言和MySQL數據庫系統[7]，與手機APP之間的業務聯系通過HTTP協議，采用JSON數據格式，使用PHP語言和MySQL數據庫系統[8]。功能上實現：接受并儲存樹莓派發來的信息(如：路面破損信息以及破損路面位置信息等)、讀取信息并反饋給手機APP端；APP端編程流程如下：

1)接收并存儲樹莓派發來的路面破損信息以及破損路面位置信息：樹莓派每1.5 s攜帶路面的相關信息訪問一次服務器，服務器端接收這些信息后,把這些信息存儲到數據庫里面。同時還讀取數據庫里面存儲的信息發送到樹莓派的指令隊列(這些指令主要由用戶從APP端發送過來)，并返回給樹莓派。此時，如果手機APP端沒有特殊的指令要求，通常返回讓樹莓派正常工作的指令。

2)讀取信息并反饋給手機APP端：這一部分相當于微型的信息服務系統，工作流程如下：由手機APP發送查詢請求，接口程序從數據庫系統里面找到相應的條目，然后加工處理成JSON數據返回給手機APP[9]。手機APP讀取到這些數據后,加載到界面上顯示給用戶看。其中，手機APP采用Java語言，基于安卓系統編寫，接口程序使用PHP語言編寫。

5 結語

樹莓派具有高性能、低功耗、價格低廉等優點，本文基于樹莓派以及安卓系統的智能手機開發一種公路表面破損標記及數據采集裝置。系統以樹莓派為控制核心，通過軟件、硬件的高度結合，可以高效標記公路表面破損位置及數據的采集，實時檢測公路表面破損情況并通過手機APP對數據進行記錄，利用激光檢測技術自動識別道路破損情況，減少氣候、車輛、道路條件對路面破損檢測結果的影響，精準判斷路面破損類型，并進行實時標記；將有效標記數據記錄存儲實時上傳，避免發生遺漏、丟失；自動標記，地點更加準確，減少時間消耗，提高工作效率；縮小裝置體積，提高操作便利性，延長使用壽命。該系統可解決現有公路表面破損標記裝置存在的破損路面標記不及時，采集的數據不清晰、直觀的問題，可廣泛應用于公路表面破損標記應用情景。