基于光學偏振的結冰黑冰檢測系統

田芮玨 孫寧

摘? 要： 本文設計了一套基于光學偏振的結冰黑冰檢測系統，由供電模塊、溫濕度傳感器模塊、主處理器模塊、無線通信模塊等組成。目前的偏振檢測結冰黑冰無法區分結冰和積水造成誤判，系統通過硬件設備檢測道路的偏振和溫濕度信息，通過數據處理，實現結冰和黑冰的檢測。

關鍵詞： 偏振成像;道路結冰;道路黑冰

中圖分類號： TP39? ? 文獻標識碼： A? ? DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2020.10.050

本文著錄格式：田芮玨，孫寧. 基于光學偏振的結冰黑冰檢測系統[J]. 軟件，2020，41（10）：194197

【Abstract】： This paper designs a set of ice black ice detection system based on polarization imaging， which is composed of power supply module， temperature and humidity sensor module， main processor module， wireless communication module， etc. The current polarization detection of ice and black ice can not distinguish ice and water， resulting in misjudgment. The system detects the polarization and temperature and humidity information of the road through hardware equipment， and realizes the accurate detection of ice and black ice through data processing.

【Key words】： Vehicle dispatch; Raspberry Pie; Traffic flow monitoring

0? 引言

車輛在道路上行駛時惡劣天氣會讓汽車置于危險之中。以部分地區冬季路面結冰為例，在結冰的道路上行駛的車輛會因打滑、甩尾等問題致使發生嚴重交通事故，特別是遭車輛急轉彎過程中會因車輛打滑造成車輛碰撞。目前，因極端惡劣的天氣導致的車輛道路行駛狀況較差成為誘發事故的主要原因。據統計，全國由于不良天氣狀況導致的交通阻斷占總的三分之一[1]，國內外解決這一問題的方法有：光學偏振法、模擬實驗的結冰預測、紅外線傳感器探測等。例如：Muneo Yamada團隊用光學偏振法來判斷地面是否結冰，光學偏振法主要是靠探測器和接收器接收到的光是否偏振判斷道路是否結冰[2]，但是水和冰的折射率相差不大，使用該方法不容易判斷路面上是積水還是已經結冰，且沒有整合結冰情況的功能。熊竹和秦杰君用道路的溫度、降水量、相對濕度實驗總結出結冰和融冰的情況，再通過神經網絡計算和預測道路結冰情況[3]。但是神經網絡的學習速度慢，不能及時對結冰做出預測而且會有一定偏差。高國龍用紅外線傳感器利用檢測馬路發射的紅外能量來確定溫度從而判斷地面有無結冰[4]，但是該方法只能及時告知司機減速慢行，沒有告知管理人員的功能。

本文結合了溫濕度和光學偏振兩種判斷方法，利用天氣狀況通過算法預測道路是否結冰和可能結冰的概率，利用光學偏振法測出地面是否有積水或結冰，再通過算法將天氣狀況的預測情況和光學偏振測出的結冰情況整合，更直接有效的發現路面的結冰情況，再將每年結冰情況整合，使誤差變小，極大程度上避免交通事故的發生。該系統成本較低，解決了判斷地面結冰或積水的誤差較大的問題。

1? 系統設計

基于光學偏振的結冰黑冰檢測系統以光學偏振為核心，路側的檢偏器[5]和溫濕度傳感器上傳的路面偏振信息和溫度濕度并計算出路面是否有黑冰。系統啟動時，由路側的溫濕度傳感器和檢偏器進行信息收集，

收集到的路面信息通過無線通信網絡將該信息上傳到主處理器，主處理器對上傳的信息進行處理并計算出該路段黑冰形成情況，同時在上位機系統顯示結冰狀態并通知管理人員，最后管理人員派人進行道路除冰。

2? 硬件電路設計

基于光學偏振的結冰黑冰檢測系統的硬件有溫濕度傳感器模塊、光學偏振模塊、無線通信模塊、車流量監測模塊、主處理器模塊、數據收集模塊。

2.1? 供電模塊

該系統中主處理器使用5v直流電壓，溫濕度傳感器模塊使用5 V直流電壓，無線通信模塊使用2.97-3.63 V直流電壓，供電模塊使用錳酸鋰電池組[6]為電源，使用IC7805穩壓芯片。7805三端穩壓IC的性能非常穩定，因為內部電路具有過壓保護、過流保護、過熱保護功能[7]。該芯片因為具有較為良好的溫度系數所以該產品在各界應用很廣泛。該芯片還可以通過本地調節來消弭噪音影響從而解決與單點調節相關的分散問題。

2.2? 處理器模塊

該系統使用MCS-51單片機[8]，通過處理器對道路的溫度濕度以及的分析處理，讓管理人員即時發現道路結冰程度和黑冰的形成。MCS-51單片機在實際運用中算是應用范圍最寬泛的，也是基礎入門的一種單片機。能兼容Intel 8031指令系統的全部單片機便被稱為MSC-51單片機。該系列剛開始在市場上發售的是Intel的8004單片機，后來Flash rom技術[9]迅速發展，使得Intel的8004單片機在各個方面發展極快，因為它的各項性能卓越，所以在各個系統中被普遍應用。

2.3? 無線通信模塊

定該系統使用MT7681模塊。MT7681是一款高度集成的Wi-Fi的SoC的單芯片， 提供GPIO和PWM智能控制。采用ulP TCP/IP協議棧[10]。能提供回調API供用戶編程。該芯片支持802.11n，能輕松為嵌入式設備設計網絡服務[11]，整合電源管理單元、低雜訊放大器、射頻切換器，所有功能都整合在40針腳的封裝中，為現今尺寸最小的支持IEEE802.11n標準的SoC。

2.4? 溫濕度傳感器模塊

計該系統使用DHT21（AM2301）溫濕度傳感器測量道路的溫度和濕度。AM2301濕敏電容數字溫濕度模塊是一款含有己校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器[12]。它使用專用的數字模塊采集技術和溫濕度傳感技術使產品極為可靠和穩定。該傳感器品質優越、響應極快、抗干擾能力強、性價比極高[13]。而且該傳感器體積極小，功耗極低，系統集成簡單快捷，信號傳輸距離甚至可達20米以上，使它成為各種應用場合的最佳選擇。

3? 系統軟件設計

系統設計采用Visual Basic 6.0開發設計，搭建結冰程度和黑冰檢測界面。

以如圖5所示，系統主界面由結冰程度、傳感器狀態、道路車輛流量、設備報修、結冰黑冰檢測總匯、個性化設置所構成，分別實現道路結冰程度和黑冰的檢測、傳感器狀態檢測、道路車輛流量監測、設備的報修、年月結冰黑冰統計、軟件界面的設置功能。

如圖6所示，管理員登入軟件后進入主界面，該軟件的核心是檢測路面黑冰是否形成，光學偏振裝置和溫濕度傳感器對道路信息進行收集，主處理器通過收集的信息計算出道路是否形成黑冰并上傳到上位機系統供管理人員查看。傳感器狀態界面可以檢測設備是否有故障，當設備出現故障時管理人員能通過設備報修界面上報該設備出現故障的問題并讓維修人員維修設備。道路車輛流量界面能監測每天道路的車流量[14]做出日流量圖，結冰黑冰檢測總匯界面能統計每月出現的黑冰天數并作出月統計圖[15]。

圖7是道路選擇，管理人員可以通過直接輸入和GPS定位[16]兩種方式選擇具體的道路，這里以江蘇省南京市玄武區龍蟠路為例，道路選擇完畢后點擊確定進入結冰黑冰檢測界面。

圖8是道路結冰黑冰檢測界面，管理人員進入該界面后能直接看出該路段的溫濕度情況和該路段是否形成黑冰。

4? 結語

本文以光學偏振為核心，收集道路的偏振和溫濕度信息，處理器對收集到的信息進行數據分析后計算出路面是否形成黑冰，通過無線通信將數據上傳到上機位系統，最后通知管理人員進行除冰。該系統能分辨出結冰和積水，盡早發現路面黑冰情況進行除冰，減少交通事故的發生概率。

參考文獻

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