高速公路团雾气象信息采集自动控制系统设计

周步伟,杨 云,殷 彬,胡 松,汪祺瑞

(华东交通大学电气与自动化工程学院，江西 南昌 330013)

0 引言

高速公路为国民经济和社会的发展发挥了巨大作用，各大中城市都已被高速公路网互联，形成了四通八达的高速公路网。近年来，由于团雾[1]等低能见度天气导致的交通事故愈发增多，给人们的出行安全造成了很大威胁。同时，由于团雾具有突发性、低能见度性、流动性等特点，对于高速公路行驶的车辆来说非常危险。因此，针对此类气象条件带来的安全驾驶隐患，提出了一种高速公路团雾气象信息采集自动控制系统。该系统可以自动地对高速公路沿线进行气象数据采集与分析，通过北斗卫星定位，在可变信息情报板上实时提供该路段的气象信息，提醒过往驾驶员做好预防应急措施。

1 信息采集自动控制系统设计

信息采集自动控制系统[2-3]是针对高速公路上低能见度环境开发的系统，包括信息采集单元、控制单元、执行显示单元三个部分。

信息采集自动控制系统原理如图1所示。

图1 信息采集自动控制系统原理图

形成团雾的条件有温度、湿度、光照和风速。这四个参数由各自的传感器进行测量。将测得参数与设定团雾形成的期望值进行对比。若误差在一定范围内，主控制中心判别后进行相应的控制行为，发送团雾发生路段信息至执行机构，即可变信息情报板显示。由于需要准确提供发生路段信息，因此采用北斗定位[4]模块作为定位设备，实现对雾区路段距离的判断。

具体实践中，这四个参数是互相耦合作用，每个参数缺少或不准确都难以实现对团雾的准确预测。因此，本文选用分布式多传感器联合测量，确保每一个参数都能准确被测量。其中，无线通信部分和存储部分在STM32W18控制器内部实现。

2 主控制器

根据系统被控参数处理与分析的实际情况，选用的控制器可以是微处理器或可编程逻辑器等。对于参数处理和控制并不过于复杂的信息采集自动控制系统而言，选用一般微处理器即可满足要求。通过微处理器对各个传感器的测量值进行分析处理，将信息利用通用分组无线技术(general packet radio service，GPRS)[5]无线通信协议[6]发送至执行机构，由可变信息情报板显示，从而保证对前方路段团雾的实时预警。

使用STM32W108[7]芯片作为主控制器。这是由意法半导体公司生产的32位完全集成的芯片，具有低功耗、低成本、高性能等特点。与主流型号STM32系列相比，该芯片最大特点是支持嵌入式无线传感器网络设计的系统级芯片平台，采用先进的ARM Cortex-M3处理器，彻底消除了32位微处理器在嵌入式系统中应用的障碍。

3 检测传感器

气象信息采集自动控制的必要条件是及时、准确地获取各项参数的实时信息。因此，选择合适的检测传感装置十分重要。

传感器连接电路如图2所示。

图2 传感器连接电路

3.1 温度传感器

选用STLM20W87F这一低能耗、高精确度的模拟温度传感器[8]，其测量温度范围随电压而改变。当供电电压为2.4 V，其范围为-30～+130 ℃。同时，该温度传感器实现超低静态电源电流仅为8 μA。因此，其工作时自身发热对温度测量的影响可以忽略。

温度传感器输出电压与环境温度存在下列关系：

V0=(-3.88×106×T2)+(-1.15×102×T)+

1.8639

(1)

经变换后可得：

(2)

式中：T为环境温度；V0为输出电压。

在实际使用时，STLM20W87F传感器输出电压V0通过GPIO引脚进入中控制器，由模/数转换器(analog to digital converter，ADC)处理后，可得环境测量温度值。

3.2 湿度传感器

采用SHT15湿度传感器[9]作为测量环境湿度的器件。它是一款电容型湿度敏感元件，与1个14位的A/D转换器相连，具有测量范围宽、精度高等特性，可以识别0.03%的环境相对湿度变化，精度达到±2%。

3.3 光照传感器

采用PO188光电集成光照传感器，暗电流小、低照度响应、灵敏度高，电流随光照增强呈线性变化。

使用时，直接将PO188输出信号传送至主控制器的ADC端口进行接收处理。

PO188光照传感器额定参数如表1所示。

表1 PO188光照传感器额定参数

3.4 风速风向传感器

采用电流型风速风向一体化传感器EC-8SX[10]，风速输出脉冲信号，风向输出电压信号。该传感器风速测量范围为0～70 m/s，可360°测风向，风速精确度为±(0.3+0.03V) m/s，风向为±3°，满足高速公路沿线的风速、风向测量要求。

4 控制执行显示机构

选用可变信息情报板[11]作为前方路段团雾预警信息发布的设备，以发光二极管(light emitting diode，LED)作为显示单元的交通信息显示装置，具有图形和文字显示功能。该设备可以在低能见度环境下有效显示道路信息，提醒过往驾驶员注意前方路段危险。STM32主控制器通过GPRS无线传输方式将团雾信息发送至可变信息情报板，使之实时显示。

5 系统软件设计

信息采集自动控制系统主程序流程如图3所示。

图3 主程序流程图

根据定时器控制程序的进程，按照建立GPRS网络、接收无线数据、采集环境气象数据、北斗定位、STM32W108处理并发送数据至可变信息情报板的顺序，每5 min对气象数据进行更新，实时将高速公路沿线出现团雾等低能见度天气气象数据显示在可变信息情报板上，避免驾驶员驶入雾区。

6 系统检验与测试

为验证系统预测团雾的真实效果，选取昌铜高速公路某路段进行实地检验与测试。试验中，沿着昌铜高速随机选取约5 km的范围设置传感器，可变信息情报板放置在所选取路段端口。试验结果与实际情况对比如表2所示，表明本系统能可靠、有效地实现预期功能。

表2 试验结果与实际情况对比

7 结束语

本设计采用GPRS无线通信协议，实现对高速公路沿线的环境气象数据的采集和传输，解决了团雾预警难度大、效率不高等问题。该方案利用北斗卫星定位技术，能准确将产生团雾地点的坐标信息发送至可变信息情报板，保证过往驾驶员能够及时得到提醒警示，达到安全驾驶通过雾区路段降低事故发生率的目的。

鉴于本文只进行了整个系统的设计与探讨，因此后续工作的重点是将道路气象采集信息与交通管理部门进行数据共享，同时采用更加便捷、高效的通信网络传输技术，以期更加完善的系统整体功能。