交通隧道积水检测与预警控制系统设计

林俊贤，洪远泉*，苏杰来，陈伟忠，陈桂婵，林思聪

（韶关学院 物理与机电工程学院， 广东 韶关 512005）



交通隧道积水检测与预警控制系统设计

林俊贤，洪远泉*，苏杰来，陈伟忠，陈桂婵，林思聪

（韶关学院 物理与机电工程学院， 广东 韶关 512005）

摘要：为解决交通隧道积水引发的交通安全隐患，设计并实现了交通隧道积水检测与预警控制系统.以STM32单片机作为控制核心，采用HC-SR04超声波模块检测积水深度，利用OV7670摄像头采集隧道积水图片，通过ENC28J60以太网模块传输数据.积水预警信息由SIM900A手机模块短信发出，LED显示屏在隧道入口处实时显示.实测表明，系统达到了控制要求，具有一定的实用意义和市场价值.

关键词：交通隧道；积水检测；超声波；预警

随着城市化进程的加快，许多城市采用隧道、立交桥等方式来缓解交通压力.但目前由强降雨造成交通隧道或者桥底低洼处出现大量积水的现象时有发生，给行人和车辆的出行带来了极大的安全隐患.本文介绍了消除交通隧道积水引发的交通安全隐患的控制系统原理，可实现隧道积水检测、现场图像采集传输、远程报警和现场预警等功能.

1 系统总体结构

系统总体框架，包含积水检测站点、预警显示模块和信息处理中心3部分组成（见图1）.积水检测站点通过HC-SR04超声波模块和OV7670摄像头实时检测隧道积水情况，通过ENC28J60以太网模块传输至信息处理中心.信息处理中心对积水检测站点上传的数据进行分析，一旦判断出隧道积水，通过SIM900A模块，进行远程手机短信报警，并在隧道入口处控制LED显示屏显示积水预警信息［1］.

图1 系统结构框图

2 积水检测站点设计

检测站点负责采集水位和图像数据，并根据uIP协议栈将数据转为数据包的形式经以太网发送到检测信息中心.

2.1 超声波水位测量原理

采用渡越时间检测法测量积水深度.微处理器控制超声波发射器发出40 kHz的超声信号，经过水面反射后被接收器接收，测量发射和接收超声波的时间差，即可测得积水面与测试点之间的距离L［2］.计算公

式为式（1），τ为环境温度，t为超声波在空气中传播的时间.

将超声波收发模块固定在隧道内离地面高H的位置，隧道积水深度为测试装置放置高度H与超声波实测距离L的差值.

2.2 OV7670摄像头信号传输时序

OV7670是OmniVision公司基于CMOS VGA的图像传感器，可通过SCCB总线控制输出整帧、子采集、取窗口等操作，其VGA图像最高可达到30 fs［3］.

OV7670的行输出时序见图2.在像素时钟PCLK、行同步信号HREF控制下进行图像数据通过数据线D［7∶0］输出.行同步信号HREF由低电平变为高电平时，每一个PCLK时钟信号下降沿，输出一个字节图像数据.RGB565格式输出中，一个像素的颜色由2个字节组成，一行有640个像素.输出一行数据后，HFEF信号变低，144个PCLK时钟周期后，HREF再次变高，输出下一行行数据.一帧图像包含480行［4］.

图2 OV7670行输出时序

3 检测信息中心的设计

检测信息中心功能为显示积水高度和隧道内部图像、预警短信发送、控制隧道口LED点阵显示警示信息.主要由SIM900A短信模块、TFT液晶显示屏、以太网模块组成.

3.1 SIM900A GSM模块

GSM系统是目前基于时分多址技术的移动通讯体制中比较成熟、完善、应用最广泛的系统之一，是我国公众移动通讯网的主要方式，主要提供话音、短信息、数据等多种业务［5］.STM32控制GSM模块主要通过串口通信向GSM发送“AT”指令完成发送短信操作.

3.2 以太网数据传输原理

ENC28J60是带有行业标准串行外设接口（Serial Peripheral Interface，SPI）的独立以太网控制器，它符合IEEE 802.3的全部规范，采用了一系列包过滤机制以对传入数据包进行限制［6］.在IEEE 802.3规范中，一个数据帧的长度介于64到1518字节.每个数据帧由目标地址、源地址、类型/长度字段、数据字段、可选的填充字段和帧校验字段组成.在以太网通信时，还需要在每个数据帧的前面附加一个前导字段（7字节）和一个帧起始定界符（1字节）［7］.数据帧格式见图3.

图3 802.3数据帧格式

系统主要使用uIP传输协议，uIP协议去掉了完整的TCP/IP中不常用的功能，简化了通信流程，但保留了网络通信中必须使用的协议，设计重点放在了IP、TCP、UDP这些网络层和传输层协议上，保证了代码的通用性和结构的稳定性［8］.

4 系统软件设计

4.1 检测站点程序流程

检测站点的程序流程见图4.先对摄像头、超声波、以太网模块进行初始化，接着设置uIP协议栈中的IP地址、网关等配置，然后对图像数据进行实时的采集和发送，对积水深度数据进行检测.

4.2 检测信息中心程序流程

检测信息中心的程序流程见图5.首先对系统的串口、外围设和

操作系统的初始化（包括对uIP协议栈的初始化和配置），跟着

进入一个任务选择界面，选择任务执行.

4.3 隧道口显示器程序流程

隧道口显示器的程序流程见图6.隧道口的处理器首先对芯片的LED点阵模块和以太网模块进行初始化，然后设置uIP协议栈中的IP地址、网关等配置，让系统可以接收检测点采集到的水位数据.当水位超出安全线范围后，处理器启动LED点阵屏显示隧道内部情况信息和水位高度，以警示过往车辆.

图4 检测点程序流程图

图5 检测信息中心程序流程 图6 隧道口显示器的程序流程

5 系统测试与结论

系统完成软硬件调试后，用1.5 m深的水池模拟隧道积水，将测量装置固定在4 m的高度，进行积水深度检测和预警测试.系统预设积水报警界限为0.5 m.测试结果见表1.

表1 积水检查与预警测试

系统理论上可测量0～4 m的积水深度.实测了0～1.5 m的积水深度，误差最大为2 cm.一旦积水深度超过了预设的0.5 m界限，系统能过进行短信远程报警和隧道口显示器文字预警.测试结果表明，系统实现了隧道积水检测与预警的功能，达到了设计的预期目标.采用本系统，暴雨积水时，既可让交通管理部门实时掌握道路积水情况，发布道路积水预警，引导车辆安全行驶，也可以在积水现场实时预警，提醒过往车辆、行人安全通行.

参考文献

［1］李卫卫.基于ARM的LED显示屏多功能控制系统研究与设计［D］.上海：东华大学，2013

［2］沈燕.基于单片机的超声波测距仪设计［J］.现代电子技术，2012（4）：35-07.

［3］张卫华.基于STM32的灌区检测系统的研发［D］.杨凌：西北农林科技大学，2013.

［4］岳振国.基于FPGA的视频采集与预处理系统的研究与设计［D］.南京：南京邮电大学，2014.

［5］王骐，何嘉斌.单片机控制GSM模块实现短信收发的软件设计［J］.单片机与嵌入式系统应用，2005（1）：63-66.

［6］刘琼，朱志伟，周志光.基于ENC28J60的嵌入式网络接口的设计［J］.微计算机信息.2008，24（14）：306-308.

［7］郝玉胜.uC_OS_嵌入式操作系统内核移植研究及其实现［D］.兰州：兰州交通大学，2014.

［8］汪三青.基于STM32的嵌入式网络协议UIP的移植与分析［D］.武汉：武汉大学，2011.

（责任编辑：欧 恺）

中图分类号：U458.1

文献标识码：A

文章编号：1007-5348（2016）02-0023-04

［收稿日期］2016-01-15

［基金项目］韶关市科技计划项目（2013CX/K55）；2015年国家级大学生创新训练项目（201510576008）.

［作者简介］林俊贤（1993-），男，广东清远人，韶关学院物理与机电工程学院学生；研究方向：电子技术.*通讯作者.

Design of Detecting and Warning System for Traffic Tunnel Stagnant Water

LIN Jun-xian， HONG Yuan-quan， SU Jie-lai， CHEN Wei-zhong， CHEN Gui-chan， LIN Si-cong
（Institute of Physics and Mechanical & Electrical Engineering， Shaoguan University， Shaoguan 512005，Guangdong， China）

Abstract:In order to solve the traffic safety hazard caused by the traffic tunnel water， a detecting and warning system of the city flooded tunnels is designed and implemented. The system uses STM32 as the control core. The control system employed HC-SR04 ultrasonic module for the depth of water measurement， exploiting camera OV7670 for collecting the images of the tunnel， and transmitted the data through the ENC28J60 Ethernet module. Tunnel Stagnant Water early warning message can be sent by the SIM900A cellphone module， and LED display in real time at the entrance of the tunnel. Actual measurement is that the system can be satisfied with the control requirement，with a certain practical significance and market value.

Key words:traffic tunnel；water detection；ultrasonic；warning