一种公路无线雨雾报警系统的应用研究
2022-06-08
摘 要：针对公路雨雾天气对日常行车出行产生的影响以及现有公路网络雨雾报警系统的灵活性与局限性，设计了一种基于无线传输模块的新型雨雾报警系统，文章对系统的组成和电路实现进行了阐述，同时研制了实验样机进行测试验证，结果证明，该设计可广泛应用于公路网络之中。
关键词：雨雾报警；无线模块；应用系统；测试验证
中图分类号：TP277 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2016）05-00-02
0 引 言
随着我国公路特别是高速公路里程数的增加及居民自驾出行的日益普及，因雨雾等恶劣天气而造成的交通事故日益增多，特别是在出现突发团雾的情况下更是给高速交通带来很大的安全隐患，恶性交通事故时有发生，雨雾天气的突发性及预警发布的不及时给国家和人民生命财产带来了重大损失。
本文提出一种无线雨雾报警系统[1，2]，将太阳能供电与无线通信技术相结合，设计开发一种新型的雨雾报警系统，一方面能完成雨量及霾颗粒物的测量，另一方面通过无线传输的方式将信息传输至报警平台，进行实时推送播报，报警平台既可以固定安装，也可以安装在警用车辆上，突出其实时性与机动性的特点。
1 系统结构及工作原理
基于无线通信模块的雨雾报警系统结构框图如图1所示。太阳能供电模块主要为前端采集节点提供电能，模块中光伏太阳能板实现光电转换，并为9伏蓄电池供电，电能经过变压后为采集节点处理器及无线发送模块提供电能。传感器模块主要由雨量传感器[3]及霾颗粒物传感器[4]组成，以完成对这些参数的数据采集。前端处理器采集到相关传感数据后进行分析，当所处理的信息超出警戒值时，通过无线发送模块发送至无线接收模块，由控制器控制进行语音预警，并通过LCD显示模块显示警示信息。
图1 雨雾报警系统结构框图
2 控制芯片与模块选择
2.1 MSP430F149单片机
本系统采用MSP430F149作为系统控制芯片[5]，该芯片为一个16位的超低功耗微控制器，具有低电压、超低功耗的功能，工作电压为3.6 V～1.8 V。具有12位模数转换器，内部参考电压源，并且具有采样、保持、自动扫描等功能，可以得到很高的精度，省去了使用专门的模数转换器给设计电路板带来的麻烦，对采集的传感器数据进行处理。
2.2 传感器模块组
2.2.1 YL_83雨量传感器
该模块电源电压为5 V，支持TTL电平输出，TTL输出有效信号为低电平，驱动能力100 mA左右。模块上装有电位器，灵敏度可通过电位器调节 。没有雨时LED点亮，输出为高电平，雨滴上去，则输出低电平，LED亮。雨滴板和控制板是分开的，方便将线引出。模块支持AO模拟输出，可以连接单片机的AD口检测滴在上面的雨量大小，也可以测量液面高度。大面积雨滴检测板大小为5.4 mm×4.0 mm，可以方便地嵌入到外部集雨装置中。
2.2.2 GP2Y1010AU0F 雾霾检测模块
该雾霾检测模块采用Sharp光学灰尘传感器（GP2Y1010AU0F），用于检测直径大于0.8 μm的灰尘颗粒浓度，如雾霾（平均直径大约在1～2μm左右）；输出电压以模拟量的形式输出，可以接入单片机采集端的AD输入端口，电压大小与灰尘浓度呈线性关系。内置升压电路，工作电压范围为2.5 V～5.5 V。
霾传感器模块示意图如图2所示。
该霾传感器模块可根据空气中微型颗粒的大小和数量对两个LED灯反射光的影响，然后根据反射光强度的大小判断空气中的空气质量。
2.3 nRF905无线传输模块
nRF905采用Nordic公司的VLSI ShockBurst技术。ShockBurst技术使nRF905能够提供高速的数据传输，而不需要昂贵的高速MCU来进行数据处理，通过将与RF协议有关的高速信号处理放到芯片内，nRF905提供给微控制器一个SPI接口，速率由微控制器自己设定的接口速度决定，无线发送模块接口示意图如图3所示。
nRF905无线模块发射时相关引脚的电平变化见表1。
3 系统软件设计
系统软件主要分为前端采集节点子系统与后端报警显示子系统两部分。由于后端报警显示子系统流程比较简单，因此这里不做分析。前端节点主要完成传感器的数据采集、判断及信息发送，具体的软件流程图如图4所示。
图4 系统前端节点软件流程图
4 结 语
在系统样机测试中，各部分工作正常且很好地完成了系统设计的各项任务，系统各个模块均采用低功耗芯片，满足了前端采集节点太阳能供电的低功耗要求。太阳能供电模块及无线传输模块的使用使该系统在选择安装地点的方便性及机动性大大提高，应用前景广阔。
参考文献
[1]周怡窹，凌志浩，吴勤勤.ZigBee无线通信技术及应用探讨[J].自动化仪表， 2005，26（6）：5-9.
[2]张鹏，龙伟.高速公路雨雾监测与车辆预警系统设计[J].机械设计与制造工程，2014，43（2）： 27-30.
[3]赵晓利，刘厚智，翁炜霖.四种雨量计观测雨量的对比及相关性[J].广东气象，2009，31（5）：49-51.
关键词：雨雾报警；无线模块；应用系统；测试验证
中图分类号：TP277 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2016）05-00-02
0 引 言
随着我国公路特别是高速公路里程数的增加及居民自驾出行的日益普及，因雨雾等恶劣天气而造成的交通事故日益增多，特别是在出现突发团雾的情况下更是给高速交通带来很大的安全隐患，恶性交通事故时有发生，雨雾天气的突发性及预警发布的不及时给国家和人民生命财产带来了重大损失。
本文提出一种无线雨雾报警系统[1，2]，将太阳能供电与无线通信技术相结合，设计开发一种新型的雨雾报警系统，一方面能完成雨量及霾颗粒物的测量，另一方面通过无线传输的方式将信息传输至报警平台，进行实时推送播报，报警平台既可以固定安装，也可以安装在警用车辆上，突出其实时性与机动性的特点。
1 系统结构及工作原理
基于无线通信模块的雨雾报警系统结构框图如图1所示。太阳能供电模块主要为前端采集节点提供电能，模块中光伏太阳能板实现光电转换，并为9伏蓄电池供电，电能经过变压后为采集节点处理器及无线发送模块提供电能。传感器模块主要由雨量传感器[3]及霾颗粒物传感器[4]组成，以完成对这些参数的数据采集。前端处理器采集到相关传感数据后进行分析，当所处理的信息超出警戒值时，通过无线发送模块发送至无线接收模块，由控制器控制进行语音预警，并通过LCD显示模块显示警示信息。
图1 雨雾报警系统结构框图
2 控制芯片与模块选择
2.1 MSP430F149单片机
本系统采用MSP430F149作为系统控制芯片[5]，该芯片为一个16位的超低功耗微控制器，具有低电压、超低功耗的功能，工作电压为3.6 V～1.8 V。具有12位模数转换器，内部参考电压源，并且具有采样、保持、自动扫描等功能，可以得到很高的精度，省去了使用专门的模数转换器给设计电路板带来的麻烦，对采集的传感器数据进行处理。
2.2 传感器模块组
2.2.1 YL_83雨量传感器
该模块电源电压为5 V，支持TTL电平输出，TTL输出有效信号为低电平，驱动能力100 mA左右。模块上装有电位器，灵敏度可通过电位器调节 。没有雨时LED点亮，输出为高电平，雨滴上去，则输出低电平，LED亮。雨滴板和控制板是分开的，方便将线引出。模块支持AO模拟输出，可以连接单片机的AD口检测滴在上面的雨量大小，也可以测量液面高度。大面积雨滴检测板大小为5.4 mm×4.0 mm，可以方便地嵌入到外部集雨装置中。
2.2.2 GP2Y1010AU0F 雾霾检测模块
该雾霾检测模块采用Sharp光学灰尘传感器（GP2Y1010AU0F），用于检测直径大于0.8 μm的灰尘颗粒浓度，如雾霾（平均直径大约在1～2μm左右）；输出电压以模拟量的形式输出，可以接入单片机采集端的AD输入端口，电压大小与灰尘浓度呈线性关系。内置升压电路，工作电压范围为2.5 V～5.5 V。
霾传感器模块示意图如图2所示。
该霾传感器模块可根据空气中微型颗粒的大小和数量对两个LED灯反射光的影响，然后根据反射光强度的大小判断空气中的空气质量。
2.3 nRF905无线传输模块
nRF905采用Nordic公司的VLSI ShockBurst技术。ShockBurst技术使nRF905能够提供高速的数据传输，而不需要昂贵的高速MCU来进行数据处理，通过将与RF协议有关的高速信号处理放到芯片内，nRF905提供给微控制器一个SPI接口，速率由微控制器自己设定的接口速度决定，无线发送模块接口示意图如图3所示。
nRF905无线模块发射时相关引脚的电平变化见表1。
3 系统软件设计
系统软件主要分为前端采集节点子系统与后端报警显示子系统两部分。由于后端报警显示子系统流程比较简单，因此这里不做分析。前端节点主要完成传感器的数据采集、判断及信息发送，具体的软件流程图如图4所示。
图4 系统前端节点软件流程图
4 结 语
在系统样机测试中，各部分工作正常且很好地完成了系统设计的各项任务，系统各个模块均采用低功耗芯片，满足了前端采集节点太阳能供电的低功耗要求。太阳能供电模块及无线传输模块的使用使该系统在选择安装地点的方便性及机动性大大提高，应用前景广阔。
参考文献
[1]周怡窹，凌志浩，吴勤勤.ZigBee无线通信技术及应用探讨[J].自动化仪表， 2005，26（6）：5-9.
[2]张鹏，龙伟.高速公路雨雾监测与车辆预警系统设计[J].机械设计与制造工程，2014，43（2）： 27-30.
[3]赵晓利，刘厚智，翁炜霖.四种雨量计观测雨量的对比及相关性[J].广东气象，2009，31（5）：49-51.