城市易积水路段行车安全监测及预警技术研究

唐涵润+田婧+尹成龙+白明慧+胡峻峰

摘 要 每逢雨季，由于城市道路不均匀沉降、排水设施建设落后等原因，城市低洼路段积水严重。其不仅会损坏路面路基，降低行车速度，更可能导致车辆排气管进水，熄火泡车。我们利用超声波检测技术收集积水信息，通过单片机对积水数据进行快速处理，基于ZigBee无线通信技术，开发车路信息交互系统，采用路旁LED积水深度显示屏与蜂鸣器结合提醒驾驶员的方式，有效提高城市易积水路段的行车安全系数。

关键词 积水路面；超声波；ZigBee无线通信；安全预警

中图分类号 TP2 文献标识码 A 文章编号 2095-6363（2017）05-0043-01

针对城市道路积水现象，我们设计了一种基于ZigBee技术的涉水行车安全预警装置。下面就实施方案进行简要介绍。

1 研究思路和方法（如图1所示）

2 实施计划

2.1 基于超声波的积水信息采集

1）超声波测距。超声波测距通过单片机控制传感器发射及接收超声波，利用时间差T，即超声波在空气中的传播时间，计算出距离S，并对收集到的数据进行误差处理。关于信号的误差处理主要有以下3部分。（1）滤波放大电路。由于在传播过程中，回波信号随着距离增大而减小，故采用双运放、高性能、低噪声的运算放大器NE5532来放大回波信号，有效排除噪声干扰。（2）温度补偿电路。因超声波的传播速度受温度影响较大，故使用DS18B20单线数字温度传感器设计有效的温度补偿电路，其温度转换分辨率可编程。（3）时间增益补偿（TGC）电路。由于声束的扩散以及声波的反射、散射，回波信号的幅值随着被测距离的增加大致呈指数规律衰减，近距离目标的回波信号幅度大，远距离目标的回波信号幅度小，因此采用具有时间增益控制功能的接收放大器对衰减的回波进行增益补偿，即使发射信号的余振幅度变小，延续时间缩短，可以分辨进出的回波信号；又可使远处回波信号的幅度增大，以提高测量精度。

2）路测装置安装方式。装置安装方式需根据路段实地考察情况选取不同方案。当路段高处无妨碍物，易于安装装置时，选取方案1，将路测传感器垂直放置于路段易积水处正上空；当路况复杂，按上述方式安装易影响交通时，则选取方案2，将路测传感器放置于路边并倾斜一定角度。

其他参数与方案1中含义相同。

2.2 基于单片机的数据处理

由于汽车驶过积水路段、风吹动水面等原因，道路上的积水水位会发生一定的波动。为消除水面波动对测量精度的影响，当水面波动较大，即一组采样点前后相差超过5cm时，采用“中间平均法”，去掉最大和最小的一部分数据，取中间数据的平均值；当相邻采样数据未出现较大波动时，将对所测数据直接取平均值。

2.3 基于ZigBee技术的车—路信息交互技术

1）基于ZigBee的数据打包、解析技术。运用直接序列扩频（DSSS）技术，采用各种调制方式在发送端形成扩展信号的频谱，而在接收端，用相同的扩频码序进行解码，把扩展的扩频信号还原成原始的信息，将信源与一定的PN码（伪噪声码）进行模二加，对数据进行调制、解析，具有良好的抗噪性。

2）车—路终端信息有效交互距离研究。随着通信距离的增大，ZigBee通信的复杂度增加，数据准确性降低，且为防止积水深度信息成为不经过该路段驾驶员的“垃圾信息”，车—路终端信息有效交互距离不能设计的过大。但为让驾驶员在距离积水路段较远处便能接受到积水深度信息，使其可及时更改行车路线，又应尽可能增大车—路信息交互距离。因此，通过增大信号的发射功率或在通信范围内采用多点布置来扩大有效通信范围，选择距路测装置300m的区域作为合理的、有效的车—路终端信息交互距离。

2.4 积水信息提示装置

1）路旁LED显示屏。由单片机控制路旁LED屏显示处理后的积水信息，使信息能及时反馈给交通参与者。

2）车载提示装置。当车载模块接收到通信协议传来的积水信息后，由单片机控制车载LED屏显示出数据，同时经过结合车辆自身参数（设积水深度到达排气筒离地高度的90%为预警值）所设定的程序，判断此时路面积水深度是否对行车构成较大影响，当积水深度达到危险范围时，蜂鸣器发出警报。

3 结论

该项目通过对积水深度信息采集传输及预警技术的研究和分析，采用超声波测距成熟技术，使用微处理器对数据进行整理，同时采用滤波放大电路、温度补偿电路、时间增益补偿电路来降低误差，有效提高了数据测量精度；采用ZigBee无线通信技术收发积水深度数据信息，实现无线化、低成本、易维护等目标；采用预警装置来提醒车辆在积水路段能否安全涉水通过，使驾驶员能及时改变行车路线，使得预警方式更为可靠有效。

参考文献

[1]张珂，俞国华，刘钢海.超声波测距回波信号处理方法的研究[J].测控技术，2008，27（1）：48-50.

[2]苑潔.基于STM32单片机的高精度超声波测距系统的设计[D].北京：华北电力大学，2012.

[3]任秀丽，于海斌.ZigBee无线通信协议实现技术的研究[J].计算机工程与应用，2007，43（6）：143-145.