基于DSP的高速公路气象监测研究

杨莹　周晓旭　郭晓澎

[摘要]高速公路在我国交通运输领域中占据举足轻重的位置，是国民经济和社会发展中的重要基础设施。气候变化，特别是极端恶劣天气给高速公路车辆行驶带来安全隐患，既影响交通运输又威胁生命财产。道路气象监测是高速公路气象预警、预报的重要依据，对其进行研究具有重要意义。文章设计了一套基于DSP的高速公路气象监测系统，采集道路的温度、湿度、能见度、风向、风速、雨量等气象因素，通过RS485/GPRS将数据传递到远程智能交通管理系统。

[关键词]气象监测；高速公路；DSP；RS485/GPRS

[DOI]1013939/jcnkizgsc201537062

1引言

高速公路在我国交通运输领域中占据举足轻重的位置，是国民经济和社会发展中的重要基础设施。气候变化，特别是极端恶劣天气给高速公路车辆行驶带来安全隐患，既影响交通运输又影响生命财产。道路气象监测是高速公路气象预警、预报的重要依据，对其研究具有重要意义[1-3]。

本文根据高速公路对气象监测的需求，设计了一套基于DSP的高速公路气象监测站，它以能见度（雾）及道面状况（路面温度、积液深度、冰百分比等）监测为核心，同时测量气象参数（温度、湿度、风向、风速、气压）。气象监测站通过监测环境因素及时发现潜在隐患，将数据信息传送到高速公路气象灾害预警中心站，为高速公路管理部门决策提供科学依据并将信息显示到电子屏上，为运行车辆提供实时气象信息。

2系统架构及硬件设计

21系统总体架构

本文设计一套小型气象监测站，采用DSP采集能见度、降水量、风速、风向、温湿度、气压强度等传感器的信号，经RS485/GPRS通信，可传至千米以外的PC机，PC机端通过Labview编写上位机程序接收和显示数据，将气象监测站的数据传给高速公路气象灾害预警中心站。

22系统硬件设计

221传感器选型

能见度与天气现象测量选用芬兰Vaisala公司的PWD22能见度与天气现象传感器。路面状况主要是选用德国Lufft 公司的IRS31 被动式路面状况传感器进行降水量测量。风速选择JL-FS2的风速传感器；风向选择JL-FX2的风向传感器；温湿度是环境检测必备参数，选择SHT11的辐照度传感器；气压采用DP-102A空气压力传感器。DSP采用56F8013，是一款低成本、高性能的16位处理器产品，内部集成了多个外设模块，可以完成串口通信、PWM输出等多项功能，成本低廉、配置灵活、代码执行效率高，适用于多种自动控制系统。

222硬件电路设计[4-5]

DSP应用的最小系统是指能够使DSP工作的最简单电路设计。56F800系列DSP的最小系统一般包括：电源、上电复位电路、时钟电路、JTAG接口等。复位电路有上电复位电路，JTAG接口也会提供一个复位信号用于手动复位。56F8013有内部时钟，所以不需要时钟电路。JTAG接口用于上位机与目標板之间相互传输数据和信息，通过JTAG接口可以将程序下载到DSP的程序存储器中。系统供电电压为24V，DSP供电电压为33V，用到的芯片的供电电压为5V，所以先通过LM2576将24V电压转化为5V电压，再将5V电压通过LM3940转化为33V给最小系统供电。

所选择的传感器提供的是4～20mA电信号，将电流进行I/V转化，再进行电压稳幅处理限制在0～33V，将其输入DSP的ADC模块对信号进行A/D转换。为了保证输入模拟信号采样的精度，必须使外围ADC输入调理电路的输出阻抗远远小于ADC内部的阻抗；为了避免对被采集信号的模拟信号产生干扰，调理电路的输入阻抗又需要非常大，采用的调理电路如图1所示。

223软件实现

本系统程序采用C语言开发，系统软件设计总体上分为主程序和实时中断服务程序两大部分：主程序主要进行初始化，在系统上电时执行一次，主要进行系统中各外设模块及其寄存器的初始化配置、变量初始化赋值等工作；中断程序主要通过AD进行能见度、路面状况、风速、风向、温度、湿度、气压等气象参数采集，采样周期为100微秒，并通过RS485与上位机通信，通信时间为1秒一次。通过Labview编写上位机软件，将采集到的气象数据储存到SQL Server数据库中，并在相应上位机软件界面显示。

224PCB与实物

设计完原理图后，根据需求对元器件进行封装、合理布线、焊接，制作PCB，完成的PCB，装配好的气象监测站如图2所示。

3实验测试

对气象监测站进行实验测试，通过上位机观察各气象数据，经过长时间测试，数据传输稳定准确，满足高速公路对气象数据的测量需求。

4结论

本文通过硬件设计和软件设计，结合DSP的开发调试环境，设计出一套能测试能见度、降水量、温度、湿度、风向、风速、气压等气象参数的气象监测站。通过实验测试，该气象监测站在测量范围、分辨率和精度方面基本满足高速公路对气象数据的需求，并且功耗低、实时测量和抗干扰能力强。

参考文献：

[1]罗慧，李良序，John Nairn，等公路交通事故与气象条件关系及其气象预警模型[J].应用气象学报，2007，18（3）：350-352

[2]Edwards B JuliaThe relationship between road accident severity andrecorded weather[J].Journal of Safety Research，2002，29（4）：249-262

[3]冯民学高速公路交通气象智能化监测预警系统研究[M].北京：气象出版社，2007.

[4]王青松，高明，汪桂霞基于DSP的小型气象站的硬件设计[D].西安：西安工业大学，2010

[5]冬雷DSP原理及电机控制系统应用[M].北京：北京航空航天大学出版社，2007