城市交通路况安全实时监测信息显示系统

马宇譞

大连市第八中学

城市交通路况安全实时监测信息显示系统

马宇譞

大连市第八中学

项目摘要；选题背景与意义；发明目的与基本思路；创新点；研究的方法与过程；硬件设计；硬件设计思路；软件系统设计；实物照片；使用说明

一、项目摘要

本项目是基于STM32单片机开发的一种对城市道路交通安全的实时监控系统，对汽车在道路行驶中遇到的突发情况通过屏幕实时显示，使汽车司机能做好预判，防止汽车在道路行驶中甚至隧道中行驶遇到塞车、雨水积水过深等问题导致行车的不便，实现城市交通智能化、智慧化。该系统由光电检测模块；TFT液晶显示模块；水位检测模块；处理器模块等组成。

在道路发生交通事故导致道路堵塞，以及在雨天道路积水使汽车有抛锚风险时，本装置能通过道路两旁的显示屏，实时显示当前道路情况。显示信息分为两部分，一部分为交通事故信息显示，一旦前方有车辆发生交通事故，显示屏会优先显示前方发生事故的信息，提醒司机绕行，避开事故路段。另一部分为雨天道路积水显示，针对不同的汽车对道路积水深度的承受限度不同，因此本装置设计一套能精确测量道路具体深度的模块，将积水深度通过显示屏显示，司机通过具体的道路积水深度判断是否可以通过积水路段，这样避免了司机在雨天道路积水不知情的情况下，强行通过积水路段，导致汽车中途抛锚。

同时，针对传统隧道安全进行创新设计，一旦在隧道内发生车自燃等火灾、发生车辆追尾连撞事故，风扇电机启动、蜂鸣器报警，并通过光电对管传感器、火焰传感器采集相关信息，迅速通过无线将此信息传递到隧道相关路口、路段的显示屏上“车祸、火灾请绕行”这样在第一时间使往来车辆绕道行驶，将有效缓解隧道内和隧道两端车辆交通拥挤，减少国家和人民生命财产损失。

二、选题背景与意义

本项目基于道路安全状况，设计一款城市交通路况安全实时监测信息显示系统。近几年来，随着经济和社会发展迅速，城市规模不断扩大，城市化进程的不断加快，城市人口迅速增长，并随着人民生活水平的不断提高，机动车拥有量迅速增长，交通需求极大增加，原有的交通供需平衡被打破，而相反城市的基础设施、交通管理设施和管理能力的提高跟不上交通需求发展速度，原有基础设施的缺陷和弊端不断暴露出来，交通管理的科技水平越来越显得不足，交通管理的手段、措施尚处于经验型、摸索型的状态，处于成长期。“十二五”公路水路交通运输信息化发展提出总体目标：完善交通运输运行监测网络，实现交通运输系统的全网联动和协同应用，在提高运行质量、服务公众出行、保障安全应急、强化决策支持方面取得明显成效，推进综合运输体系建设，发展现代物流，实现低碳绿色交通，初步构建智能交通运输系统。

经过我们的调查发现，十五、十一五期间，我国公路系统进入大发展、大跨越时期。隧道因其具有改善路网，节约土地等优点，逐渐成为公路建设的重要组成部分。但由于隧道具有空间狭窄、结构封闭、视线差等缺陷，一旦发生交通事故，救援工作复杂困难，而且容易造成严重的交通阻塞，引发灾难性的后果。因此，保证隧道行车安全至关重要。下面仅以2006年7月10日新建的椒金山隧道为例，至今已发生多次大大小小程度不同的交通事故，导致交通压车拥堵短1小时，高达6小时，均给国家和人民的生命财产造成了损失。2014年6月6日上午8时许，入市区方向的椒金山隧道内，一辆SUV突然起火自燃，火势凶猛，大量浓烟灌满隧道。事发后，数十辆车被困隧道内，车上人员弃车逃生，相互搀扶着从黑暗隧道安全撤至洞外。SUV起火后，彻底将椒金山入市方向隧道堵死，由于正是出行高峰期，隧道里的车越积越多，从而导致东快路入市方向压车严重。隧道全长达1095米，除了离南出口二三百米的地方无车，从着火车辆后几米开始，隧道里的车都挤在一起，谁也动不了，“当时隧道里至少有100多辆车被困”。就在车上人员撤离时，着火车辆发生了爆炸。伴随着爆炸声，一阵阵黑烟从车中冒出。黑烟迅速随风向北刮过来，黑烟特点呛人，令人喘不过气来。一段时间后，黑烟仍不断地从隧道口冒出，越来越浓，即使站在隧道口处，也看不清离出口最近的车辆。撤出隧洞的司机、记者、交警等人员身上，脸上满是黑灰。入市老隧道发生事故后，东快路入市方向基本处于“瘫痪”状态。为了缓解交通压力，交警部门将新隧道全部转为入市方向，即使如此，东快路入市方向仍然车满为患。受此影响，东快路出市方向压车现象严重，致使东快路交通瘫痪2点30分。高。汽车往往在行驶时，由于能见度差，积水深度靠肉眼判断，经常造成误判的情况，导致汽车盲目通往积水路段，由于很多路面处于坡面，当司机意识到路面积水太深无法通过时，已为时已晚。目前出现城市积水，许多下水管道不通是一个十分重要的原因，这主要是缺少专业施工队伍施工导致。另外，有关部门没有按时清理管道，部分路面垃圾泥沙过多，导致降水时管道堵塞，排水不畅。部分地区管道设计只注重该地的排水，没有顾全区域性的排水，也是强降雨时多地积水的重要原因。所以非常有必要设计一款能显示路面积水深度的装置，提醒司机遇到积水路面绕行。

另一方面，我们发现每在南方等地由于雨量充沛，有时暴雨连连，经常出现路面积水的情况，尤其在夏天极端天气出现频率更

通过以上调查研究分析，道路行车安全、路面积水、隧道安全成为交通的最大隐患，发生频率又是非常之高，因此我们设计了本项目系统，旨在有效减少事故的发生。一旦发生相关的事故，能够第一时间做出相应的处理方案，使城市道路交通智能化，实现智慧城市设计。

三、发明目的与基本思路

1、使交通安全智能化、城市智慧化，通过道路安全实时监控显示系统，减少道路安全事故堵塞风险，保障人民生命财产安全，减少国家维护道路交通堵塞成本。

2、将道路信息实时显示在道路两旁的显示屏上，使过往的车辆能第一时间获取前方路段的基本信息，在发生突发情况时（如车祸、道路积水严重）对行驶线路做出相应的调整，避免造成不必要的生命财产损失。

3、道路通畅情况下，本系统也能显示道路积水等基本信息，同时在道路交通堵塞时会自动进行提醒，所以对于堵车、车辆追尾等情况，本系统也能提醒司机改变线路绕行。

4、隧道内交通安全智能实时监控系统，保障隧道交通安全，缓解交通拥堵减少国家和人民生命财产损失。

5、及时将隧道内的信息发送到隧道往来路口、路段屏幕上，让来往的车辆司机第一时间发现隧道的通行状况（如车祸导致的堵车、火灾等）及时对汽车行驶路线进行调整。

6、一旦车祸发生严重，导致隧道内发生火灾等事故，在报警时，启动风扇电机，向隧道外排气。

7、本系统不仅在屏幕显示隧道内交通正常信息同时在屏幕显示，追尾撞车信息火灾信息。

四、创新点

1、以多个STM32单片机为主要控制中心，采取多核同时工作处理的方式，能够迅速处理各传感器的信息，并且设置优先级对报警信息比对，显示最紧要的报警信息，保障道路行驶安全，实现道路安全的实时监控，缓解车祸造成的二次堵车，减少雨天积水造成的财产损失，保障道路交通安全。

2、采用光电对管传感器、水位传感器、TFT显示模块等实时监控道路车辆行驶、交通安全相关信息，第一时间检测车祸信息，在积水达到限度时提醒司机注意路面机积水情况，积水深度实时显示，同时在车祸道路堵塞发生时优先显示车祸信息，防止司机在雨天车祸堵塞情况，使汽车被迫在积水路段抛锚。

3、跳出传统视频监控方式，采用无线传递信息和独立显示系统，实现隧道交通安全实时监控系统，有效缓解隧道交通压车拥堵保障隧道交通安全。

五、研究的方法与过程

1、观察选题；2、查新定题；3、研究隧道监控的实现方法，设计构思；4、找材料、选材料，原则上能代替则代替；5、制作、实验；6、修改再实验；7、整理总结。

六、硬件设计

1、技术路线

如图所示，在选题基础上结合单片机控制技术，计算机原理，嵌入式开发原理，软件工程技术，传感器技术，结合现有资源，对道路安全信息实现实时智能监控，实现智慧城市智慧交通。

2、系统总体方案

本设计系统通过传感器和模数AD转换模块将车祸、积水等信息转换成数字信号发送给控制中心，单片机收到信号迅速做出判断，比对当前数值是否超过限值，将结果快速显示在TFT屏幕上，对采集的数值进行实时显示调整，单片机将迅速做出报警判断，将报警信息发送到屏幕上。而主控方面采用STM32、89C52单片机分别控制中心控制系统和独立显示系统，其操作起来简单易懂、易修改，同时也考虑操作的简单方便性，设计出一种经济、实用且功能强大的智慧城市道路交通安全系统。

本项目目前只介绍了当前的设计方案，未来将会结合物联网进行“车联网”设计，使每一辆车都能够智能化行驶、管理，甚至取消交通灯的设计，让车辆在路口自动停车并有序得行驶，真正意义达到智慧城市、智慧交通。

3、系统功能介绍

（1）车流量检测

其主要应用光电对管实现对车辆的流动的检测，其会根据不同的距离进行不同的检测，当车辆来往时，其会返回脉冲进行，通过捕捉下降沿信号实现对车辆来往的检测，由于光电对管的局限性，其只能检测一条线上的来往，所以其摆放位置会根据车辆的车型、大小等因素进行调节，而且较为重要的一点则是两个光电对管的间隔距离问题，其间隔不能超过一个车位的距离，否则检测到的结果将会发生偏差。

（2）道路车祸等信息检测

车辆在路面正常行驶时，如果前方遇到车祸等交通事故，如果没有及时提醒，车辆在通过事故路段时将遇到堵车情况，堵塞严重时车辆甚至会处于进退两难的局面，导致整个道路交通瘫痪，如果提早提醒司机前方路段事故改道绕行的话，将减少严重堵车风险。车祸的检测通过光电对管发射脉冲信号，正常情况下，脉冲接收端在没有事故或者交通堵塞时接收高电平信号，如果道路发生堵塞车祸等情况，两个红外对管将返回低电平信号，将车祸堵塞信息发送给控制中心进行下一步处理。

（3）隧道车祸等信息检测

当车辆非正常行驶时，会发生滞留在隧道内部的情况发生，这种情况会导致隧道内部的交通瘫痪，甚至当内部空气污染过于严重时会对人的人体健康造成威胁，因此，对此的检测就显得非常重要，在车辆滞留时，光电对管会返回低电平信号，而当无车辆来往时会返回高电平信号，所以当其检测到低电平信号达到一定时间后即识别出其为车祸滞留，为隧道的正常通行带来了困扰与障碍，识别为车祸信息。

（4）火灾报警

当交通事故严重时，其不免会发生火灾等状况，此时通过火焰报警器将发生警报，同时在隧道的两端阻止车辆的进入，其隧道内部打开排气风扇，将由于火灾而产生的粉尘和烟气排除，以免对人体造成伤害。

（5）积水检测

积水深度的检测通过水位检测传感器，输出一路模拟电压信号给模数转换模块，将模拟信号转换成单片机能识别的数字信号，单片机将获取的8位数字信号通过计算的出当前水位的准确值，并将信息发送到显示器上显示。

（6）信息显示系统

其系统之间采用的是无线传输，将内部的检测通过无线将信息传递到隧道两端或者道路两旁的显示屏上，及时通知人们隧道内部的行驶状况，对其第一时间进行选择交通状况良好的道路上行驶。隧道显示分为三种模式，一个为正常通行，即在车辆正常来往行驶时其会显示正常的相关信息，其二则是车祸信息，一旦隧道内部发生车祸等车辆滞留信息，其会显示出车祸，提醒车辆进行绕行，另一个便是火灾信息，隧道内部一旦发生火灾，其优先级为最高，将向隧道前与隧道后的两个控制中心发送信息紧急停止，让车辆不要进入到其中。而道路信息显示则有道路积水水位信息和车祸信息供司机参考。

七、硬件设计思路

1、控制中心电路

下图为单片机控制电路，由晶振电路驱动单片机工作，设定不同的引脚口接收红外对管的信号和水位数字信号，再通过连接LCD或者TFT显示屏的引脚将信息显示出来。

上图为单片机的控制芯片电路，L1,L2,L3,L4分别对应光电对管的4个信号线，通过光电对管采集的信息将其返回到单片机中，进行下一步处理，TX和RX为无线发送与接收部分，通过无线模块将数据发送出去与接收回来。BEEP和MOTOR分别对应着控制蜂鸣警报和风扇，均可对其引脚直接拉到高电平即可实现对蜂鸣器和风扇的开关操作。

2、液晶显示电路

供电电压保持在3.3v-5v能使液晶正常工作。

TFT液晶

5110液晶

3、红外对管电路

发射端和接收端集成在一个电路板上，可通过可调电阻调节光电对管的检测距离。

4、水位传感器电路

水位通过唯一的输出端输出水位电压信号。

5、模数转换电路

本模数转换模块为8位AD转换模块，能精确采集模拟电压信号并转换成数字信号。

八、软件系统设计

软件的设计是系统能否实现功能的核心，本系统采用了多个控制器，每个控制器实现不同的功能，整个系统在各个控制器的协调下实现所设计的功能。系统的所有程序均采用C语言编写。

系统程序采用模块编写，各相应硬件模块的主要程序设计均以程序流程图的形式给出，程序的编写只要对照程序流程图编写相应的语句即可。

九、实物照片

上层实物照片：

下层实物照片

十、使用说明

1、隧道光电对管位置

四个元件即光电对管（图中为侧视图，即只显示2个），只需将其对准行车的期间位置，就可以对来往车辆进行流动检测，其左右间隔只需对着车行驶的位置就可以，而前后的间隔需要控制在一个车身的距离之内。

大部分物流企业在成本核算时不能对所有的费用进行归集。对有些物流人员消极怠工或者工作效率低而增加时间成本也没有重视起来。

2、道路光电对管的放置与调试

四个光电对管放置在道路两旁，每两个检测一条道路。两个光电对管的位置至少要超过一个汽车机身，这样在检测时可以同时检测车流量堵塞和车祸情况。其次是调节光电对管的继电器，从而调节红外对管的识别距离。

3、水位检测传感器

水位传感器要放置在道路路面最低处，可以在第一时间检测到有效积水深度，水位传感器由于要竖直放置所以要注意水位传感器的固定。

4、火源检测报警与风扇排气

火焰传感器通过对火源的识别进而判断是否发生了火灾，其对火焰的传感距离可调、角度可调，实现隧道内部无死角检测，保证安全质量检测的目的，同时会打开警报提醒人们，风扇此时会自动打开，将烟排出。

5、无线传输

由于隧道的长度问题影响，如果使用有线传输，会使其造价非常大，而且其操作修整极其繁琐，故此应用无线传输设备进行无线的发射接收处理数据，可有效将数据发送到隧道两端的无线接收端，实现有效的信息传输。

6、液晶显示信息

采集信息对于智能交通是远远不够的，更重要的是将信息传递出去，将有效的信息及时告诉行车司机，液晶显示部分可有效把信息显示在屏幕上，其屏幕通过LCD显示，不用担心在天气较差的情况下看不到。

图为无线接收部分，使用一对即可完成主端和从端的收、发通信操作。

7、控制电路与独立电源

每一个部分的电路均采用独立电源供电，同时会有电源电量采集，当电量降到一定电量下会提醒工作人员进行更换电池、充电等。如图所示为其控制电路与稳压电源部分，通过可充电的锂电池直接输出到降压芯片，稳压后输出稳定的5V电压，后供给单片机、光电对管、TFT液晶显示屏等，控制电路采用STM32单片机对整体系统进行逻辑控制，同时控制着数据的无线收发等等。

8、注意事项

（1）光电对管的距离需要根据不同的隧道进行不同调整，并不是所有的隧道规格都一样。

（2）使用时的环境温度在-40℃～+120℃之间。

（3）充电电池要保证至少6V的工作电压，稳压模块会有1V左右压降，若低于5V可能会导致其不能正常工作。