交通隧道積水檢測與預警控制系統設計

林俊賢，洪遠泉*，蘇杰來，陳偉忠，陳桂嬋，林思聰

（韶關學院 物理與機電工程學院， 廣東 韶關 512005）

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交通隧道積水檢測與預警控制系統設計

林俊賢，洪遠泉*，蘇杰來，陳偉忠，陳桂嬋，林思聰

（韶關學院 物理與機電工程學院， 廣東 韶關 512005）

摘要：為解決交通隧道積水引發的交通安全隱患，設計并實現了交通隧道積水檢測與預警控制系統.以STM32單片機作為控制核心，采用HC-SR04超聲波模塊檢測積水深度，利用OV7670攝像頭采集隧道積水圖片，通過ENC28J60以太網模塊傳輸數據.積水預警信息由SIM900A手機模塊短信發出，LED顯示屏在隧道入口處實時顯示.實測表明，系統達到了控制要求，具有一定的實用意義和市場價值.

關鍵詞：交通隧道；積水檢測；超聲波；預警

隨著城市化進程的加快，許多城市采用隧道、立交橋等方式來緩解交通壓力.但目前由強降雨造成交通隧道或者橋底低洼處出現大量積水的現象時有發生，給行人和車輛的出行帶來了極大的安全隱患.本文介紹了消除交通隧道積水引發的交通安全隱患的控制系統原理，可實現隧道積水檢測、現場圖像采集傳輸、遠程報警和現場預警等功能.

1 系統總體結構

系統總體框架，包含積水檢測站點、預警顯示模塊和信息處理中心3部分組成（見圖1）.積水檢測站點通過HC-SR04超聲波模塊和OV7670攝像頭實時檢測隧道積水情況，通過ENC28J60以太網模塊傳輸至信息處理中心.信息處理中心對積水檢測站點上傳的數據進行分析，一旦判斷出隧道積水，通過SIM900A模塊，進行遠程手機短信報警，并在隧道入口處控制LED顯示屏顯示積水預警信息［1］.

圖1 系統結構框圖

2 積水檢測站點設計

檢測站點負責采集水位和圖像數據，并根據uIP協議棧將數據轉為數據包的形式經以太網發送到檢測信息中心.

2.1 超聲波水位測量原理

采用渡越時間檢測法測量積水深度.微處理器控制超聲波發射器發出40 kHz的超聲信號，經過水面反射后被接收器接收，測量發射和接收超聲波的時間差，即可測得積水面與測試點之間的距離L［2］.計算公

式為式（1），τ為環境溫度，t為超聲波在空氣中傳播的時間.

將超聲波收發模塊固定在隧道內離地面高H的位置，隧道積水深度為測試裝置放置高度H與超聲波實測距離L的差值.

2.2 OV7670攝像頭信號傳輸時序

OV7670是OmniVision公司基于CMOS VGA的圖像傳感器，可通過SCCB總線控制輸出整幀、子采集、取窗口等操作，其VGA圖像最高可達到30 fs［3］.

OV7670的行輸出時序見圖2.在像素時鐘PCLK、行同步信號HREF控制下進行圖像數據通過數據線D［7∶0］輸出.行同步信號HREF由低電平變為高電平時，每一個PCLK時鐘信號下降沿，輸出一個字節圖像數據.RGB565格式輸出中，一個像素的顏色由2個字節組成，一行有640個像素.輸出一行數據后，HFEF信號變低，144個PCLK時鐘周期后，HREF再次變高，輸出下一行行數據.一幀圖像包含480行［4］.

圖2 OV7670行輸出時序

3 檢測信息中心的設計

檢測信息中心功能為顯示積水高度和隧道內部圖像、預警短信發送、控制隧道口LED點陣顯示警示信息.主要由SIM900A短信模塊、TFT液晶顯示屏、以太網模塊組成.

3.1 SIM900A GSM模塊

GSM系統是目前基于時分多址技術的移動通訊體制中比較成熟、完善、應用最廣泛的系統之一，是我國公眾移動通訊網的主要方式，主要提供話音、短信息、數據等多種業務［5］.STM32控制GSM模塊主要通過串口通信向GSM發送“AT”指令完成發送短信操作.

3.2 以太網數據傳輸原理

ENC28J60是帶有行業標準串行外設接口（Serial Peripheral Interface，SPI）的獨立以太網控制器，它符合IEEE 802.3的全部規范，采用了一系列包過濾機制以對傳入數據包進行限制［6］.在IEEE 802.3規范中，一個數據幀的長度介于64到1518字節.每個數據幀由目標地址、源地址、類型/長度字段、數據字段、可選的填充字段和幀校驗字段組成.在以太網通信時，還需要在每個數據幀的前面附加一個前導字段（7字節）和一個幀起始定界符（1字節）［7］.數據幀格式見圖3.

圖3 802.3數據幀格式

系統主要使用uIP傳輸協議，uIP協議去掉了完整的TCP/IP中不常用的功能，簡化了通信流程，但保留了網絡通信中必須使用的協議，設計重點放在了IP、TCP、UDP這些網絡層和傳輸層協議上，保證了代碼的通用性和結構的穩定性［8］.

4 系統軟件設計

4.1 檢測站點程序流程

檢測站點的程序流程見圖4.先對攝像頭、超聲波、以太網模塊進行初始化，接著設置uIP協議棧中的IP地址、網關等配置，然后對圖像數據進行實時的采集和發送，對積水深度數據進行檢測.

4.2 檢測信息中心程序流程

檢測信息中心的程序流程見圖5.首先對系統的串口、外圍設和

操作系統的初始化（包括對uIP協議棧的初始化和配置），跟著

進入一個任務選擇界面，選擇任務執行.

4.3 隧道口顯示器程序流程

隧道口顯示器的程序流程見圖6.隧道口的處理器首先對芯片的LED點陣模塊和以太網模塊進行初始化，然后設置uIP協議棧中的IP地址、網關等配置，讓系統可以接收檢測點采集到的水位數據.當水位超出安全線范圍后，處理器啟動LED點陣屏顯示隧道內部情況信息和水位高度，以警示過往車輛.

圖4 檢測點程序流程圖

圖5 檢測信息中心程序流程 圖6 隧道口顯示器的程序流程

5 系統測試與結論

系統完成軟硬件調試后，用1.5 m深的水池模擬隧道積水，將測量裝置固定在4 m的高度，進行積水深度檢測和預警測試.系統預設積水報警界限為0.5 m.測試結果見表1.

表1 積水檢查與預警測試

系統理論上可測量0～4 m的積水深度.實測了0～1.5 m的積水深度，誤差最大為2 cm.一旦積水深度超過了預設的0.5 m界限，系統能過進行短信遠程報警和隧道口顯示器文字預警.測試結果表明，系統實現了隧道積水檢測與預警的功能，達到了設計的預期目標.采用本系統，暴雨積水時，既可讓交通管理部門實時掌握道路積水情況，發布道路積水預警，引導車輛安全行駛，也可以在積水現場實時預警，提醒過往車輛、行人安全通行.

參考文獻

［1］李衛衛.基于ARM的LED顯示屏多功能控制系統研究與設計［D］.上海：東華大學，2013

［2］沈燕.基于單片機的超聲波測距儀設計［J］.現代電子技術，2012（4）：35-07.

［3］張衛華.基于STM32的灌區檢測系統的研發［D］.楊凌：西北農林科技大學，2013.

［4］岳振國.基于FPGA的視頻采集與預處理系統的研究與設計［D］.南京：南京郵電大學，2014.

［5］王騏，何嘉斌.單片機控制GSM模塊實現短信收發的軟件設計［J］.單片機與嵌入式系統應用，2005（1）：63-66.

［6］劉瓊，朱志偉，周志光.基于ENC28J60的嵌入式網絡接口的設計［J］.微計算機信息.2008，24（14）：306-308.

［7］郝玉勝.uC_OS_嵌入式操作系統內核移植研究及其實現［D］.蘭州：蘭州交通大學，2014.

［8］汪三青.基于STM32的嵌入式網絡協議UIP的移植與分析［D］.武漢：武漢大學，2011.

（責任編輯：歐 愷）

中圖分類號：U458.1

文獻標識碼：A

文章編號：1007-5348（2016）02-0023-04

［收稿日期］2016-01-15

［基金項目］韶關市科技計劃項目（2013CX/K55）；2015年國家級大學生創新訓練項目（201510576008）.

［作者簡介］林俊賢（1993-），男，廣東清遠人，韶關學院物理與機電工程學院學生；研究方向：電子技術.*通訊作者.

Design of Detecting and Warning System for Traffic Tunnel Stagnant Water

LIN Jun-xian， HONG Yuan-quan， SU Jie-lai， CHEN Wei-zhong， CHEN Gui-chan， LIN Si-cong
（Institute of Physics and Mechanical & Electrical Engineering， Shaoguan University， Shaoguan 512005，Guangdong， China）

Abstract:In order to solve the traffic safety hazard caused by the traffic tunnel water， a detecting and warning system of the city flooded tunnels is designed and implemented. The system uses STM32 as the control core. The control system employed HC-SR04 ultrasonic module for the depth of water measurement， exploiting camera OV7670 for collecting the images of the tunnel， and transmitted the data through the ENC28J60 Ethernet module. Tunnel Stagnant Water early warning message can be sent by the SIM900A cellphone module， and LED display in real time at the entrance of the tunnel. Actual measurement is that the system can be satisfied with the control requirement，with a certain practical significance and market value.

Key words:traffic tunnel；water detection；ultrasonic；warning