基于树莓派的公路表面破损标记及数据采集装置★

李玉英 张建华

(东北林业大学交通学院,黑龙江 哈尔滨 150040)

0 引言

随着我国公路网络的迅猛发展，我国的高速公路目前已经相当发达，但是公路表面的路面破损的实时监测以及日常养护是有待解决的问题，实时准确地记录高速公路路面的破损情况对提高路面养护工作的效率，减少交通事故，提高行车安全性具有至关重要的作用[1]。

现有的公路路面破损情形的检测采集装置，是将摄像机安装在车上，由摄像头采集的路面图像信息进行模拟及数字化处理，需要经过繁琐的图像信息处理过程，不能实时对破损路面进行标记，使后续路面进行修补时，不能及时找到破损路面的位置，不便于路面维修，而且摄像头采集的路面信息不能形成表格图，不清晰、直观[2-5]。

本文针对现有装置存在的问题，设计了一款基于树莓派的公路表面破损标记及数据采集装置。系统以树莓派为控制核心，通过软件、硬件的高度结合，可以高效标记公路表面破损位置及数据的采集，实时检测公路表面破损情况并通过手机APP对数据进行记录，同时树莓派体积小，功能强大，可以使得该公路表面破损标记及数据采集装置具有安全、高效、易安装、低成本等一系列优点。

1 树莓派简介

树莓派(Raspberry Pi)是来源于英国“Raspberry Pi基金会”的一系列的小型单板计算机的统称，辅助学校对学生们进行基本的教学计算机科学的教学推广工作。其内核是基于Linux的开放式嵌入式系统，并将多种操作系统进行集成，同时配套相应的应用软件可安装使用，借此可实现其强大的功能，并且树莓派具有体积较小、价格便宜、易于操作等一系列优势，深受广大开源硬件开发者的喜爱[6](见图1)。

2 系统框架设计

基于树莓派的公路表面破损标记及数据采集装置整体框架如图2所示。该系统由树莓派微控制器、GPS模块、激光传感器以及涂料控制阀构成。

系统的核心是树莓派，它与GPS模块、激光传感器以及涂料控制阀的通信通过USB外围设备接口UART1完成。工作流程为：树莓派通过激光传感器检测传感器到路面之间的距离并设置阈值，通过距离的变化判断是否出现破损路面以及破损的深度与宽度，若采集的数据超过初始阈值，则系统检测到路面出现破损，并根据破损路面出现时间以及检测装置运行速度计算破损位置宽度，识别出破损路面信息后通过GPS定位装置将破损路面的位置信息以及破损路面信息保存SD内存卡以及相关数据库中。

3 硬件设计

基于树莓派的公路表面破损标记及数据采集装置硬件组成如图3所示，包括：机体1、涂料存储箱5和喷嘴2，还包括激光传感器8、机柜6和管路控制阀7，所述涂料存储箱5与机柜6一体成型，所述机柜6与机体1固定连接，所述喷嘴2设置在机体1下端，喷嘴2根部通过管道3与涂料存储箱5连通，所述管道3上设有管路控制阀7，所述距离传感器8设置在机体1下端，距离传感器8与机柜6电连接，所述机柜6内设有存储器和控制器，所述距离传感器8将信号发送给控制器，所述控制器根据信号控制管路控制阀7的开关，同时将信号发给存储器存储。

4 软件设计

4.1 手机APP功能设定

手机APP界面设计上追求美观简约、通俗易懂，适合各年龄段的用户；功能上，该APP具有路面破损信息(如：是否破损、破损路面类型、破损路面宽度等)、显示并储存破损路面位置信息、树莓派端硬件状态(如：激光传感器工作状态、监听模块工作状态等)等功能。

4.2 服务器端的设计和实现

服务器与树莓派之间通过Socket连接，使用Java语言和MySQL数据库系统[7]，与手机APP之间的业务联系通过HTTP协议，采用JSON数据格式，使用PHP语言和MySQL数据库系统[8]。功能上实现：接受并储存树莓派发来的信息(如：路面破损信息以及破损路面位置信息等)、读取信息并反馈给手机APP端；APP端编程流程如下：

1)接收并存储树莓派发来的路面破损信息以及破损路面位置信息：树莓派每1.5 s携带路面的相关信息访问一次服务器，服务器端接收这些信息后,把这些信息存储到数据库里面。同时还读取数据库里面存储的信息发送到树莓派的指令队列(这些指令主要由用户从APP端发送过来)，并返回给树莓派。此时，如果手机APP端没有特殊的指令要求，通常返回让树莓派正常工作的指令。

2)读取信息并反馈给手机APP端：这一部分相当于微型的信息服务系统，工作流程如下：由手机APP发送查询请求，接口程序从数据库系统里面找到相应的条目，然后加工处理成JSON数据返回给手机APP[9]。手机APP读取到这些数据后,加载到界面上显示给用户看。其中，手机APP采用Java语言，基于安卓系统编写，接口程序使用PHP语言编写。

5 结语

树莓派具有高性能、低功耗、价格低廉等优点，本文基于树莓派以及安卓系统的智能手机开发一种公路表面破损标记及数据采集装置。系统以树莓派为控制核心，通过软件、硬件的高度结合，可以高效标记公路表面破损位置及数据的采集，实时检测公路表面破损情况并通过手机APP对数据进行记录，利用激光检测技术自动识别道路破损情况，减少气候、车辆、道路条件对路面破损检测结果的影响，精准判断路面破损类型，并进行实时标记；将有效标记数据记录存储实时上传，避免发生遗漏、丢失；自动标记，地点更加准确，减少时间消耗，提高工作效率；缩小装置体积，提高操作便利性，延长使用寿命。该系统可解决现有公路表面破损标记装置存在的破损路面标记不及时，采集的数据不清晰、直观的问题，可广泛应用于公路表面破损标记应用情景。