基于光学偏振的结冰黑冰检测系统

2020-12-23田芮珏孙宁

软件 2020年10期

田芮珏孙宁

摘要：本文设计了一套基于光学偏振的结冰黑冰检测系统，由供电模块、温湿度传感器模块、主处理器模块、无线通信模块等组成。目前的偏振检测结冰黑冰无法区分结冰和积水造成误判，系统通过硬件设备检测道路的偏振和温湿度信息，通过数据处理，实现结冰和黑冰的检测。

关键词：偏振成像;道路结冰;道路黑冰

中图分类号： TP39 文献标识码： A DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2020.10.050

本文著录格式：田芮珏，孙宁. 基于光学偏振的结冰黑冰检测系统[J]. 软件，2020，41（10）：194197

【Abstract】： This paper designs a set of ice black ice detection system based on polarization imaging， which is composed of power supply module， temperature and humidity sensor module， main processor module， wireless communication module， etc. The current polarization detection of ice and black ice can not distinguish ice and water， resulting in misjudgment. The system detects the polarization and temperature and humidity information of the road through hardware equipment， and realizes the accurate detection of ice and black ice through data processing.

【Key words】： Vehicle dispatch; Raspberry Pie; Traffic flow monitoring

0 引言

车辆在道路上行驶时恶劣天气会让汽车置于危險之中。以部分地区冬季路面结冰为例，在结冰的道路上行驶的车辆会因打滑、甩尾等问题致使发生严重交通事故，特别是遭车辆急转弯过程中会因车辆打滑造成车辆碰撞。目前，因极端恶劣的天气导致的车辆道路行驶状况较差成为诱发事故的主要原因。据统计，全国由于不良天气状况导致的交通阻断占总的三分之一[1]，国内外解决这一问题的方法有：光学偏振法、模拟实验的结冰预测、红外线传感器探测等。例如：Muneo Yamada团队用光学偏振法来判断地面是否结冰，光学偏振法主要是靠探测器和接收器接收到的光是否偏振判断道路是否结冰[2]，但是水和冰的折射率相差不大，使用该方法不容易判断路面上是积水还是已经结冰，且没有整合结冰情况的功能。熊竹和秦杰君用道路的温度、降水量、相对湿度实验总结出结冰和融冰的情况，再通过神经网络计算和预测道路结冰情况[3]。但是神经网络的学习速度慢，不能及时对结冰做出预测而且会有一定偏差。高国龙用红外线传感器利用检测马路发射的红外能量来确定温度从而判断地面有无结冰[4]，但是该方法只能及时告知司机减速慢行，没有告知管理人员的功能。

本文结合了温湿度和光学偏振两种判断方法，利用天气状况通过算法预测道路是否结冰和可能结冰的概率，利用光学偏振法测出地面是否有积水或结冰，再通过算法将天气状况的预测情况和光学偏振测出的结冰情况整合，更直接有效的发现路面的结冰情况，再将每年结冰情况整合，使误差变小，极大程度上避免交通事故的发生。该系统成本较低，解决了判断地面结冰或积水的误差较大的问题。

1 系统设计

基于光学偏振的结冰黑冰检测系统以光学偏振为核心，路侧的检偏器[5]和温湿度传感器上传的路面偏振信息和温度湿度并计算出路面是否有黑冰。系统启动时，由路侧的温湿度传感器和检偏器进行信息收集，

收集到的路面信息通过无线通信网络将该信息上传到主处理器，主处理器对上传的信息进行处理并计算出该路段黑冰形成情况，同时在上位机系统显示结冰状态并通知管理人员，最后管理人员派人进行道路除冰。

2 硬件电路设计

基于光学偏振的结冰黑冰检测系统的硬件有温湿度传感器模块、光学偏振模块、无线通信模块、车流量监测模块、主处理器模块、数据收集模块。

2.1 供电模块

该系统中主处理器使用5v直流电压，温湿度传感器模块使用5 V直流电压，无线通信模块使用2.97-3.63 V直流电压，供电模块使用锰酸锂电池组[6]为电源，使用IC7805稳压芯片。7805三端稳压IC的性能非常稳定，因为内部电路具有过压保护、过流保护、过热保护功能[7]。该芯片因为具有较为良好的温度系数所以该产品在各界应用很广泛。该芯片还可以通过本地调节来消弭噪音影响从而解决与单点调节相关的分散问题。

2.2 处理器模块

该系统使用MCS-51单片机[8]，通过处理器对道路的温度湿度以及的分析处理，让管理人员即时发现道路结冰程度和黑冰的形成。MCS-51单片机在实际运用中算是应用范围最宽泛的，也是基础入门的一种单片机。能兼容Intel 8031指令系统的全部单片机便被称为MSC-51单片机。该系列刚开始在市场上发售的是Intel的8004单片机，后来Flash rom技术[9]迅速发展，使得Intel的8004单片机在各个方面发展极快，因为它的各项性能卓越，所以在各个系统中被普遍应用。

2.3 无线通信模块

定该系统使用MT7681模块。MT7681是一款高度集成的Wi-Fi的SoC的单芯片，提供GPIO和PWM智能控制。采用ulP TCP/IP协议栈[10]。能提供回调API供用户编程。该芯片支持802.11n，能轻松为嵌入式设备设计网络服务[11]，整合电源管理单元、低杂讯放大器、射频切换器，所有功能都整合在40针脚的封装中，为现今尺寸最小的支持IEEE802.11n标准的SoC。

2.4 温湿度传感器模块

计该系统使用DHT21（AM2301）温湿度传感器测量道路的温度和湿度。AM2301湿敏电容数字温湿度模块是一款含有己校准数字信号输出的温湿度复合传感器[12]。它使用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术使产品极为可靠和稳定。该传感器品质优越、响应极快、抗干扰能力强、性价比极高[13]。而且该传感器体积极小，功耗极低，系统集成简单快捷，信号传输距离甚至可达20米以上，使它成为各种应用场合的最佳选择。

3 系统软件设计

系统设计采用Visual Basic 6.0開发设计，搭建结冰程度和黑冰检测界面。

以如图5所示，系统主界面由结冰程度、传感器状态、道路车辆流量、设备报修、结冰黑冰检测总汇、个性化设置所构成，分别实现道路结冰程度和黑冰的检测、传感器状态检测、道路车辆流量监测、设备的报修、年月结冰黑冰统计、软件界面的设置功能。

如图6所示，管理员登入软件后进入主界面，该软件的核心是检测路面黑冰是否形成，光学偏振装置和温湿度传感器对道路信息进行收集，主处理器通过收集的信息计算出道路是否形成黑冰并上传到上位机系统供管理人员查看。传感器状态界面可以检测设备是否有故障，当设备出现故障时管理人员能通过设备报修界面上报该设备出现故障的问题并让维修人员维修设备。道路车辆流量界面能监测每天道路的车流量[14]做出日流量图，结冰黑冰检测总汇界面能统计每月出现的黑冰天数并作出月统计图[15]。

图7是道路选择，管理人员可以通过直接输入和GPS定位[16]两种方式选择具体的道路，这里以江苏省南京市玄武区龙蟠路为例，道路选择完毕后点击确定进入结冰黑冰检测界面。

图8是道路结冰黑冰检测界面，管理人员进入该界面后能直接看出该路段的温湿度情况和该路段是否形成黑冰。

4 结语

本文以光学偏振为核心，收集道路的偏振和温湿度信息，处理器对收集到的信息进行数据分析后计算出路面是否形成黑冰，通过无线通信将数据上传到上机位系统，最后通知管理人员进行除冰。该系统能分辨出结冰和积水，尽早发现路面黑冰情况进行除冰，减少交通事故的发生概率。

参考文献

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