基于无线传感器网络的高速公路团雾实时监测系统研究与设计报告.doc
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1、 H HEFEI UNIVERSITY第六届“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛研究与设计报告 作品名称: 基于无线传感器网络的高速公路 团雾实时监测系统研究与设计 学校全称: 合 肥 学 院 申报者姓名: 申报团队: 目 录摘 要III1引言11.1系统设计目的11.2系统设计背景11.2.1 国外现状11.2.2 国内现状21.2.3 总结22 系统总体方案设计32.1系统实现功能32.2 系统体系结构33 系统硬件设计53.1硬件总体结构设计53.2 检测节点处理器芯片选择53.3路由节点处理器芯片选择63.4协调器节点处理器芯片选型63.5系统硬件总体结构73.6 CC2530最小
2、系统设计73.6 红外发射/接收电路设计83.7 ZigBee无线通信模块113.8 液晶显示模块124系统软件设计124.1 软件开发平台124.2 ZigBee2007协议栈介绍124.3协调器节点程序设计124.4 路由节点程序设计134.5 检测节点程序设计144.6 红外发射/接收模块驱动程序155 系统的特色和创新166 作品的实际意义167 结束语16参考文献18附件20II基于无线传感器网络的高速公路团雾实时监测系统研究与设计摘 要 近年来,我国的高速公路建设不断发展,交通事故率也随之不断上升,对高速公路行车安全提出了严峻的考验。团雾是受局部地区微气候环境的影响,在几十到上百米
3、的范围内出现的雾气更浓,能见度更低的雾。由于团雾与局部小气候环境关系密切,而高速公路路面白天温度较高,昼夜温差大,更促使团雾形成,所以高速公路是团雾的高发地段。团雾预测预报难、区域性很强,车辆难以提前得到通知或预警,常常酿成重大交通事故。基于以上原因,我们设计了一套“基于无线传感器网络的高速公路团雾实时监测系统”,实时监测高速公路沿线的能见度,并及时作出警示,以减少或避免高速公路交通事故的发生。文中首先对红外测雾进行了可行性分析,并对数据传输所要用到的ZigBee无线通信技术作了简要介绍。然后根据系统的需求,提出了总体设计方案,并在此基础上完成了具体的硬件和软件设计。整个过程都遵循模块化的设计
4、思想,以利于系统的前期设计和后期维护。本系统主要由协调器设备、路由设备和检测设备三种类型的节点组成,通过ZigBee进行信息传输。设计中采用了 ATmega128和CC2530两种类型的处理器,主要涉及到的模块有:核心控制模块、电源模块、数据釆集模块、通信模块以及液晶显示模块。硬件设计方面,主要完成了芯片选型和电路设计等工作;软件设计方面,主要完成了模块的驱动程序和相关应用程序的开发以及系统监控终端的开发等工作。另外,本设计针对系统的低功耗做了一定的工作,以应对实际应用场合电能供应不足的问题。最终的联机调试结果表明系统已初步实现了所要求的各项功能。关键词: 高速公路;团雾检测;红外测雾;Zig
5、BeeAbstract:In recent years, the construction of Expressway in our country development, traffic accident rate has been rising, has put forward the severe test of the highway traffic safety. The mist is affected by local area micro climatic effects, in the tens to hundreds of metres appeared range wi
6、thin the fog denser, lower fog visibility. Due to the relationship between the mist and the local microclimate environment closely, and highway pavement daytime temperature is higher, the temperature difference between day and night, also prompted the mist form, so the freeway is mist in high incide
7、nce area. Fog forecast hard, very strong regional, the vehicle difficult to receive advance notice or warning, often lead to serious traffic accident. Based on the above reasons, we design a set of real time monitoring system of wireless sensor network expressway fog based on real-time monitoring of
8、 expressway, visibility, and timely warning, to reduce or avoid the occurrence of traffic accidents on expressway. Firstly, analyses the feasibility of infrared measurement of fog, and the data transmission to the ZigBee wireless communication technology used are briefly introduced. Then according t
9、o the demand of the system, and puts forward the overall design scheme, and on this basis, completed the design of specific hardware and software. The design thought of the whole process follows a modular design and later, for the maintenance of the system.The system mainly consists of a node coordi
10、nator device, routing equipment and testing equipment three types of composition, the transmission of information through ZigBee. Design of the use of ATmega128 and CC2530 two types of processors, mainly related to the modules are: the core control module, power module, data acquisition module, comm
11、unication module and liquid crystal display module. The hardware design, mainly completes the chip selection and circuit design; software design, mainly completes the development module of the driver and the related application and system development work. In addition, low power the design for the s
12、ystem to do some work, in order to deal with the practical applications of electric energy supply shortage. The final debugging results show that the system has realized the functions required.Key words: Expressway; Fog detection; Infrared measurement of fog; ZigBee IV1引言1.1系统设计目的伴随着高速公路的快速发展,交通事故的发
13、生率和死亡率也在不断上升,给人民的生命和财产安全造成了巨大的损失。根据有关资料,自1994年以来,我国有30%以上的交通事故发生在高速公路上,并且呈明显的上升趋势。其中,居于首位的就是大雾造成的重特大交通事故,占高速公路事故总数的15%25%,在一些大雾多发地段,事故比例达到了惊人的40%。高速公路由于环境特殊,较易产生团雾,而团雾的产生和消失过程很快,在预测方面难以掌握,单靠人工观测很难及时发现雾况。因此,建立一套完整的雾况监测报警系统,全天候实时监测道路的能见度状况,有着极其重要的经济和社会效益,当大雾天气尤其是团雾出现时,能够及时作出预警,最大限度减少低能见度天气引发的交通事故,保障高速
14、公路行车安全。基于以上原因,我们设计了这套“基于无线传感器网络的高速公路团雾实时监测系统”,实时监测高速公路沿线的能见度,并及时作出警示,以减少或避免高速公路交通事故的发生,本设计将会具有非常重要的价值。 1.2系统设计背景1.2.1 国外现状国外发达国家针对高速公路安全进行了大量研究,他们将能见度检测器、高架摄像机和可变情报板布置在高速公路上,全天候监控交通状况。一旦检测到异常,立即通过监控系统和广播电台将信息告知交通管理部门和驾驶员,提醒其注意并采取相应的控制措施,主要的能见度检测设备有芬兰Vaisala公司的FD12型、德国Impulsphysik公司的FSM型和美国Belfort公司的
15、CATN06113型等。美国联邦道路管理局针对各种气象条件下的行车情况,提出了相应的管理计划,并制定了一系列的控制措施来保障雾区高速公路的安全,有力地推动了各个州的雾天行车措施的发展和应用。例如,田纳西州使用能见度检测设备和车辆限速策略建立了低能见度预警系统;华盛顿州通过车辆行驶环境传感器采集环境信息,从而制定相应的控制管理策略等。这个计划由强大的天气信息系统做保障,确保用户能够获得可靠、安全的道路条件和优良的行驶策略。意大利交管部门与相关研究中心合作,推出了一项用于降低雾天危害的“智能公路”计划。当高速公路上出现雾况时,系统的高压钠灯以一定的频率闪烁,提高能见度,减小驾驶员的心理压力。另外,
16、系统配备的激光、雷达和自动驾驶仪等设备为雾区中的驾驶员提供了一种安全的驾驶环境。在日本,除了使用能见度监测设备及交通管理措施来保障高速公路安全以外,还采用了 “慢车警告”的手段。该方法通过在路旁设置可变情报板来提醒驾驶员前方路况,避免因反应不及时而发生交通事故。根据使用前后的效果,发现该措施能够有效地降低交通事故率。 1.2.2 国内现状与发达国家相比,我国在雾天交通安全方面的研究起步较晚,但目前己有多项先进技术使用于高速公路上,然而这些检测设备大多从国外进口,性价比不高,维护困难。另外,由于设备的使用和管理不当,其并未发挥预期的效果。所以,目前我国在雾天通行方面主要采用的还是人工雾情检测和人
17、工疏导等需要人工干预的管理手段,但是也出现了许多有价值的研究成果。国内已经有科研单位开始利用卫星遥感提取雾区信息以及判别雾的生消趋势的研究,也取得了一定的研究成果,但是该方法无法做到小范围精确监测,距离高速公路相关应用还存在一定差距。交通部公路科研所和国家气象局等单位合作,进行了雾的多项相关研究,并在京珠高速红云雾区路段设置了多项设备,建立了较为完整的高速公路雾区监控系统。江苏省气象局与宁沪高速公路管理处合作开展了 “大雾灾害”及“大雾实时检测预报”等多个课题的研究,为大雾天气的的预报和相关交通管理措施的制定作出了一定的贡献。目前国内已研发出多项能见度检测设备,主要有洛阳卓航的CJY-1型能见
18、度测试仪,恒宇能见度监控系统,杰思高速公路预警系统等,但其系统复杂且成本较高,并且所取样的气体空间较小,代表性较差,无法对高速公路进行全程实时监控。应该说,我国对大雾天气下的交通管理控制措施及相关技术的研究正在不断发展,高速公路管理者和科研人员正在努力开发适合我国高速公路发展的雾天交通安全系统,相信我国与发达国家之间的差距将会逐步缩小。1.2.3 总结 目前我国在高速公路雾天通行方面主要采用的还是人工雾情检测和人工疏导等需要人工干预的管理手段,不能很好地利用现有科技手段,达到精确检测、省时省力的效果,我们希望通过研究这套团雾自动检测系统,减少或避免发生交通事故。根据实验室模型演示前后的效果,发
19、现该措施能够有效地降低交通事故率。 根据目前国内的动态,我们可以这样认为:谁最先把有特色的高速公路团雾检测系统推向市场,谁就能最先占领市场,其社会价值和经济效益必然十分巨大。2 系统总体方案设计雾区交通安全对高速公路有着重要的影响,而一般的人工检测方式很难及时、准确地了解到高速公路各路段的能见度情况,尤其是对于突发性、瞬时团雾的检测更是如此。因此,建立一个完善的高速公路团雾监测系统,及时有效地对团雾进行预报,对于提升高速公路的交通安全水平有着重要的作用。为了确保能够较好地完成系统的功能,必须对系统所要实现的功能以及相关需求有清楚的认识,进而有计对性地设计出系统的总体解决方案。2.1系统实现功能
20、 1.雾况采集:作为系统较为核心的功能,主要采用红外光实现雾的检测。在具体设计的时候,要考虑使红外通信距离尽可能远,并且具有较强的抗干扰能力。 2.数据传输:信息的传输主要分为有线和无线两种方式。传统的有线方式虽然传输可靠,但是由于高速公路条件特殊,为其铺设专用的有线传输线路成本大,施工复杂,因此数据传输主要应采用无线方式。 3.电源要求:系统输入电压可以有较宽的范围,但由于设备要在高速公路这种较为特殊的条件下工作,直接用电网供电较难实现,需要采用太阳能光伏组件供电以克服这种不利条件。同时考虑到电池板在阴雨天供电不足的问题,需要设计相关的电能存储装置。 4.低功耗:设备布置在高速公路上,电能较
21、为宝贵,因此低功耗也是需要考虑的关键因素,主要可以通过采用低功耗技术以及从软件处理角度减小能耗。 5.信息显示和记录查询:雾况监测报警系统是一个重要的功能设施,必须能够实时地监测和显示信息,还要及时保存重要的记录,便于随时查询。 6.故障恢复:系统在工作过程中,万一遇到故障,要具备从故障中恢复的能力。基于此要求,应当为系统设计相应的监控电路,增强整个系统的抗干扰能力。2.2 系统体系结构根据对整个系统的需求分析,可以规划和设计出系统的总体结构。整个系统应由团雾检测、交通预警、数据传输和中央监控四个主要部分及相应的外围辅助设备组成,系统结构如图1所示。图1 系统结构图根据系统结构,可以将总体设计
22、分为检测节点、路由节点、协调器节点及中央监控等多个模块的设计。雾况检测子系统由一系列的检测节点及路由节点组成,主要负责采集当地的气象信息并进行处理及传输,收集的气象信息包括雾况、气温、相对湿度等数据。由于高速公路跨度很长,全线部署雾况检测设备难以实现,所以需要根据地理条件和雾况多发地段的分布情况,合理设置检测点。对于雾况多发路段,一定要确保布置了相应的检测设备。另外,从高速公路的实际情况出发,应将雾况检测子系统中的检测节点及路由节点沿中间隔离带每隔一定间距布置,图2给出了节点的布置示意图。图2 节点的布置示意图根据系统的需求与设计分析可知,检测节点主要完成雾况与温湿度的检测、采集信息的传输,以
23、及雾况出现时的及时预警。检测节点按照功能可以分为电源模块、核心控制模块、雾况检测模块、温湿度检测模块、报警模块以及无线通信模块等。图3给出了检测节点的基本功能框图。图3检测节点的基本功能框图3 系统硬件设计3.1硬件总体结构设计 根据对系统中各模块以及通信接口的分析,可以具体设计出各个模块的硬件电路。由于检测节点与协调器节点的处理任务不同,所采用的处理器也不同,因此必须有针对性地选择适合这两种节点的处理器。3.2 检测节点处理器芯片选择检测节点主要完成信息的采集以及无线传输任务,由微控制器(MCU)在RF收发器的协作下实施。据此要求,主要有以下几种方案可供选择:(1)MCU和RF收发器分离的双
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