城市易積水路段行車安全監測及預警技術研究

唐涵潤+田婧+尹成龍+白明慧+胡峻峰

摘 要 每逢雨季，由于城市道路不均勻沉降、排水設施建設落后等原因，城市低洼路段積水嚴重。其不僅會損壞路面路基，降低行車速度，更可能導致車輛排氣管進水，熄火泡車。我們利用超聲波檢測技術收集積水信息，通過單片機對積水數據進行快速處理，基于ZigBee無線通信技術，開發車路信息交互系統，采用路旁LED積水深度顯示屏與蜂鳴器結合提醒駕駛員的方式，有效提高城市易積水路段的行車安全系數。

關鍵詞 積水路面；超聲波；ZigBee無線通信；安全預警

中圖分類號 TP2 文獻標識碼 A 文章編號 2095-6363（2017）05-0043-01

針對城市道路積水現象，我們設計了一種基于ZigBee技術的涉水行車安全預警裝置。下面就實施方案進行簡要介紹。

1 研究思路和方法（如圖1所示）

2 實施計劃

2.1 基于超聲波的積水信息采集

1）超聲波測距。超聲波測距通過單片機控制傳感器發射及接收超聲波，利用時間差T，即超聲波在空氣中的傳播時間，計算出距離S，并對收集到的數據進行誤差處理。關于信號的誤差處理主要有以下3部分。（1）濾波放大電路。由于在傳播過程中，回波信號隨著距離增大而減小，故采用雙運放、高性能、低噪聲的運算放大器NE5532來放大回波信號，有效排除噪聲干擾。（2）溫度補償電路。因超聲波的傳播速度受溫度影響較大，故使用DS18B20單線數字溫度傳感器設計有效的溫度補償電路，其溫度轉換分辨率可編程。（3）時間增益補償（TGC）電路。由于聲束的擴散以及聲波的反射、散射，回波信號的幅值隨著被測距離的增加大致呈指數規律衰減，近距離目標的回波信號幅度大，遠距離目標的回波信號幅度小，因此采用具有時間增益控制功能的接收放大器對衰減的回波進行增益補償，即使發射信號的余振幅度變小，延續時間縮短，可以分辨進出的回波信號；又可使遠處回波信號的幅度增大，以提高測量精度。

2）路測裝置安裝方式。裝置安裝方式需根據路段實地考察情況選取不同方案。當路段高處無妨礙物，易于安裝裝置時，選取方案1，將路測傳感器垂直放置于路段易積水處正上空；當路況復雜，按上述方式安裝易影響交通時，則選取方案2，將路測傳感器放置于路邊并傾斜一定角度。

其他參數與方案1中含義相同。

2.2 基于單片機的數據處理

由于汽車駛過積水路段、風吹動水面等原因，道路上的積水水位會發生一定的波動。為消除水面波動對測量精度的影響，當水面波動較大，即一組采樣點前后相差超過5cm時，采用“中間平均法”，去掉最大和最小的一部分數據，取中間數據的平均值；當相鄰采樣數據未出現較大波動時，將對所測數據直接取平均值。

2.3 基于ZigBee技術的車—路信息交互技術

1）基于ZigBee的數據打包、解析技術。運用直接序列擴頻（DSSS）技術，采用各種調制方式在發送端形成擴展信號的頻譜，而在接收端，用相同的擴頻碼序進行解碼，把擴展的擴頻信號還原成原始的信息，將信源與一定的PN碼（偽噪聲碼）進行模二加，對數據進行調制、解析，具有良好的抗噪性。

2）車—路終端信息有效交互距離研究。隨著通信距離的增大，ZigBee通信的復雜度增加，數據準確性降低，且為防止積水深度信息成為不經過該路段駕駛員的“垃圾信息”，車—路終端信息有效交互距離不能設計的過大。但為讓駕駛員在距離積水路段較遠處便能接受到積水深度信息，使其可及時更改行車路線，又應盡可能增大車—路信息交互距離。因此，通過增大信號的發射功率或在通信范圍內采用多點布置來擴大有效通信范圍，選擇距路測裝置300m的區域作為合理的、有效的車—路終端信息交互距離。

2.4 積水信息提示裝置

1）路旁LED顯示屏。由單片機控制路旁LED屏顯示處理后的積水信息，使信息能及時反饋給交通參與者。

2）車載提示裝置。當車載模塊接收到通信協議傳來的積水信息后，由單片機控制車載LED屏顯示出數據，同時經過結合車輛自身參數（設積水深度到達排氣筒離地高度的90%為預警值）所設定的程序，判斷此時路面積水深度是否對行車構成較大影響，當積水深度達到危險范圍時，蜂鳴器發出警報。

3 結論

該項目通過對積水深度信息采集傳輸及預警技術的研究和分析，采用超聲波測距成熟技術，使用微處理器對數據進行整理，同時采用濾波放大電路、溫度補償電路、時間增益補償電路來降低誤差，有效提高了數據測量精度；采用ZigBee無線通信技術收發積水深度數據信息，實現無線化、低成本、易維護等目標；采用預警裝置來提醒車輛在積水路段能否安全涉水通過，使駕駛員能及時改變行車路線，使得預警方式更為可靠有效。

參考文獻

[1]張珂，俞國華，劉鋼海.超聲波測距回波信號處理方法的研究[J].測控技術，2008，27（1）：48-50.

[2]苑潔.基于STM32單片機的高精度超聲波測距系統的設計[D].北京：華北電力大學，2012.

[3]任秀麗，于海斌.ZigBee無線通信協議實現技術的研究[J].計算機工程與應用，2007，43（6）：143-145.