基于樹莓派的公路表面破損標(biāo)記及數(shù)據(jù)采集裝置★

李玉英 張建華

(東北林業(yè)大學(xué)交通學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150040)

0 引言

隨著我國公路網(wǎng)絡(luò)的迅猛發(fā)展，我國的高速公路目前已經(jīng)相當(dāng)發(fā)達(dá)，但是公路表面的路面破損的實(shí)時(shí)監(jiān)測以及日常養(yǎng)護(hù)是有待解決的問題，實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地記錄高速公路路面的破損情況對提高路面養(yǎng)護(hù)工作的效率，減少交通事故，提高行車安全性具有至關(guān)重要的作用[1]。

現(xiàn)有的公路路面破損情形的檢測采集裝置，是將攝像機(jī)安裝在車上，由攝像頭采集的路面圖像信息進(jìn)行模擬及數(shù)字化處理，需要經(jīng)過繁瑣的圖像信息處理過程，不能實(shí)時(shí)對破損路面進(jìn)行標(biāo)記，使后續(xù)路面進(jìn)行修補(bǔ)時(shí)，不能及時(shí)找到破損路面的位置，不便于路面維修，而且攝像頭采集的路面信息不能形成表格圖，不清晰、直觀[2-5]。

本文針對現(xiàn)有裝置存在的問題，設(shè)計(jì)了一款基于樹莓派的公路表面破損標(biāo)記及數(shù)據(jù)采集裝置。系統(tǒng)以樹莓派為控制核心，通過軟件、硬件的高度結(jié)合，可以高效標(biāo)記公路表面破損位置及數(shù)據(jù)的采集，實(shí)時(shí)檢測公路表面破損情況并通過手機(jī)APP對數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，同時(shí)樹莓派體積小，功能強(qiáng)大，可以使得該公路表面破損標(biāo)記及數(shù)據(jù)采集裝置具有安全、高效、易安裝、低成本等一系列優(yōu)點(diǎn)。

1 樹莓派簡介

樹莓派(Raspberry Pi)是來源于英國“Raspberry Pi基金會”的一系列的小型單板計(jì)算機(jī)的統(tǒng)稱，輔助學(xué)校對學(xué)生們進(jìn)行基本的教學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)的教學(xué)推廣工作。其內(nèi)核是基于Linux的開放式嵌入式系統(tǒng)，并將多種操作系統(tǒng)進(jìn)行集成，同時(shí)配套相應(yīng)的應(yīng)用軟件可安裝使用，借此可實(shí)現(xiàn)其強(qiáng)大的功能，并且樹莓派具有體積較小、價(jià)格便宜、易于操作等一系列優(yōu)勢，深受廣大開源硬件開發(fā)者的喜愛[6](見圖1)。

2 系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

基于樹莓派的公路表面破損標(biāo)記及數(shù)據(jù)采集裝置整體框架如圖2所示。該系統(tǒng)由樹莓派微控制器、GPS模塊、激光傳感器以及涂料控制閥構(gòu)成。

系統(tǒng)的核心是樹莓派，它與GPS模塊、激光傳感器以及涂料控制閥的通信通過USB外圍設(shè)備接口UART1完成。工作流程為：樹莓派通過激光傳感器檢測傳感器到路面之間的距離并設(shè)置閾值，通過距離的變化判斷是否出現(xiàn)破損路面以及破損的深度與寬度，若采集的數(shù)據(jù)超過初始閾值，則系統(tǒng)檢測到路面出現(xiàn)破損，并根據(jù)破損路面出現(xiàn)時(shí)間以及檢測裝置運(yùn)行速度計(jì)算破損位置寬度，識別出破損路面信息后通過GPS定位裝置將破損路面的位置信息以及破損路面信息保存SD內(nèi)存卡以及相關(guān)數(shù)據(jù)庫中。

3 硬件設(shè)計(jì)

基于樹莓派的公路表面破損標(biāo)記及數(shù)據(jù)采集裝置硬件組成如圖3所示，包括：機(jī)體1、涂料存儲箱5和噴嘴2，還包括激光傳感器8、機(jī)柜6和管路控制閥7，所述涂料存儲箱5與機(jī)柜6一體成型，所述機(jī)柜6與機(jī)體1固定連接，所述噴嘴2設(shè)置在機(jī)體1下端，噴嘴2根部通過管道3與涂料存儲箱5連通，所述管道3上設(shè)有管路控制閥7，所述距離傳感器8設(shè)置在機(jī)體1下端，距離傳感器8與機(jī)柜6電連接，所述機(jī)柜6內(nèi)設(shè)有存儲器和控制器，所述距離傳感器8將信號發(fā)送給控制器，所述控制器根據(jù)信號控制管路控制閥7的開關(guān)，同時(shí)將信號發(fā)給存儲器存儲。

4 軟件設(shè)計(jì)

4.1 手機(jī)APP功能設(shè)定

手機(jī)APP界面設(shè)計(jì)上追求美觀簡約、通俗易懂，適合各年齡段的用戶；功能上，該APP具有路面破損信息(如：是否破損、破損路面類型、破損路面寬度等)、顯示并儲存破損路面位置信息、樹莓派端硬件狀態(tài)(如：激光傳感器工作狀態(tài)、監(jiān)聽模塊工作狀態(tài)等)等功能。

4.2 服務(wù)器端的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

服務(wù)器與樹莓派之間通過Socket連接，使用Java語言和MySQL數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)[7]，與手機(jī)APP之間的業(yè)務(wù)聯(lián)系通過HTTP協(xié)議，采用JSON數(shù)據(jù)格式，使用PHP語言和MySQL數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)[8]。功能上實(shí)現(xiàn)：接受并儲存樹莓派發(fā)來的信息(如：路面破損信息以及破損路面位置信息等)、讀取信息并反饋給手機(jī)APP端；APP端編程流程如下：

1)接收并存儲樹莓派發(fā)來的路面破損信息以及破損路面位置信息：樹莓派每1.5 s攜帶路面的相關(guān)信息訪問一次服務(wù)器，服務(wù)器端接收這些信息后,把這些信息存儲到數(shù)據(jù)庫里面。同時(shí)還讀取數(shù)據(jù)庫里面存儲的信息發(fā)送到樹莓派的指令隊(duì)列(這些指令主要由用戶從APP端發(fā)送過來)，并返回給樹莓派。此時(shí)，如果手機(jī)APP端沒有特殊的指令要求，通常返回讓樹莓派正常工作的指令。

2)讀取信息并反饋給手機(jī)APP端：這一部分相當(dāng)于微型的信息服務(wù)系統(tǒng)，工作流程如下：由手機(jī)APP發(fā)送查詢請求，接口程序從數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)里面找到相應(yīng)的條目，然后加工處理成JSON數(shù)據(jù)返回給手機(jī)APP[9]。手機(jī)APP讀取到這些數(shù)據(jù)后,加載到界面上顯示給用戶看。其中，手機(jī)APP采用Java語言，基于安卓系統(tǒng)編寫，接口程序使用PHP語言編寫。

5 結(jié)語

樹莓派具有高性能、低功耗、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，本文基于樹莓派以及安卓系統(tǒng)的智能手機(jī)開發(fā)一種公路表面破損標(biāo)記及數(shù)據(jù)采集裝置。系統(tǒng)以樹莓派為控制核心，通過軟件、硬件的高度結(jié)合，可以高效標(biāo)記公路表面破損位置及數(shù)據(jù)的采集，實(shí)時(shí)檢測公路表面破損情況并通過手機(jī)APP對數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，利用激光檢測技術(shù)自動識別道路破損情況，減少氣候、車輛、道路條件對路面破損檢測結(jié)果的影響，精準(zhǔn)判斷路面破損類型，并進(jìn)行實(shí)時(shí)標(biāo)記；將有效標(biāo)記數(shù)據(jù)記錄存儲實(shí)時(shí)上傳，避免發(fā)生遺漏、丟失；自動標(biāo)記，地點(diǎn)更加準(zhǔn)確，減少時(shí)間消耗，提高工作效率；縮小裝置體積，提高操作便利性，延長使用壽命。該系統(tǒng)可解決現(xiàn)有公路表面破損標(biāo)記裝置存在的破損路面標(biāo)記不及時(shí)，采集的數(shù)據(jù)不清晰、直觀的問題，可廣泛應(yīng)用于公路表面破損標(biāo)記應(yīng)用情景。