基于Arduino的車載測雪數據系統設計

摘要：設計一款基于Arduino的車載測雪系統，旨在實現對冬季冰雪路面數據的實時采集和監(jiān)測。采用ArduinoUnoR3作為控制器，通過超聲波傳感器和溫濕度傳感器采集積雪深度數據和溫濕度數據，并由液晶1602實時顯示數據，為駕駛員冰雪天氣安全行駛提供參考依據。通過軟件仿真采集積雪深度數據和溫濕度數據，計算測量數據的誤差，分析測量的準確性，從而驗證該測雪系統設計的可行性。

關鍵詞：車載測雪系統Arduino控制器傳感器

中圖分類號：U463.6

DesignofanArduino-BasedVehicleSnowMeasurementDataSystem

ZHANGMan1LIWei2WANGWenshuai1FENGZhu1WANGZhiqiang1CUIHaibin1WANGJiangbei1

1.HarbinPetroleumUniversity，HarbinCity，HeilongjiangProvince，150028China;2.ComprehensiveInformationSecurityCenteroftheStaffDepartmentoftheArmedPoliceHeilongjiangCorps，HarbinCity，HeilongjiangProvince，150028China

Abstract：Inthisstudy，anArduino-basedvehiclesnowmeasurementsystemisdesigned，aimingtoachievereal-time?WgmjSxmtuHF1EGh4gTzYSB1Fy3nOuqN5yNVed4rRoy8=;datacollectionandmonitoringofwintericeandsnowroadconditions.ThesystemusesArduinoUnoR3asthecontroller，collectsdataofsnowdepth，temperatureandhumiditythroughultrasonicsensorsandtemperatureandhumiditysensors.Italsodisplaysthedatainreal-timeona1602LCDscreen，providingreferenceforsafedrivinginsnowyweatherforthedriver.Itcollectssnowdepthdataandtemperatureandhumiditydatathroughsoftwaresimulation，calculatesmeasurementdataerrors，analyzestheaccuracyofthemeasurements，andthusverifiesthefeasibilityofthesnowmeasurementsystemdesign.

KeyWords：Vehicle;Snowmeasurementsystem;Arduinocontroller;Sensor

我國東北地區(qū)大地冰雪覆蓋的時間較長，下雪結冰具有不確定性，給路面交通帶來安全隱患。突如其來的下雪和結冰給車輛行進帶來困擾。本文設計一種用于冬季冰雪頻繁地區(qū)路面檢測的系統，能根據測得的溫濕度數據確定行駛路面四周是否結冰，根據超聲波測距原理測得雪地厚度，為車輛平穩(wěn)行駛，確定雪地行駛路線提供參考依據，為有清雪能力的車輛提供數據支持。氣象局采用積雪深度來衡量降雪強度，積雪深度是指積雪表面到下墊面的垂直深度[1]。

1總體設計

監(jiān)測系統必備電源，電源模塊負責提供系統需要的各種供電電壓[2]，本設計采用直流5V的電源模塊。如圖1所示，本文選用ArduinoUnoR3作為控制器，ArduinoUNOR3是一款基于ATmega328P的微控制器板[3]。選用數字溫濕度傳感器DHT22測量環(huán)境的溫度、濕度。DHT22適用于道路積雪監(jiān)測系統中對溫濕度數據的采集，選用超聲波傳感器HC-SR04測量積雪深度，監(jiān)測積雪情況。表1描述了各傳感器的工作參數，包括測量范圍、測量精度、工作電壓范圍、工作溫度范圍等。根據系統設計要求，傳感器是安裝在車底盤，工作在戶外，因此有環(huán)境溫度要求。

2系統工作原理

本設計分四步驟工作，分別為傳感器測量、數據處理、數據顯示和輸出、系統控制。車載測雪系統采用超聲波傳感器測量車下方積雪深度，溫濕度傳感器測量當前溫濕度。Arduino采集傳感器數據，根據預定的算法和邏輯處理數據。Arduino會將距離數據轉換為實際的雪深度數值，并根據采集的溫濕度情況。通過LCD顯示屏呈現給駕駛員。硬件的具體連接如圖2所示。

3超聲波傳感器測量原理

超聲波探頭發(fā)射一組超聲波脈沖，并由處理器記下初始發(fā)射時間[4]，通過計算收到回波所需時間，來計算距離的。由于傳感器安裝高度固定，通過連續(xù)測量即可實現對雪深的

監(jiān)測[5]。假設超聲波在空氣中的速度在恒定不變的前提下，得到數學表達式：

式（1）中：s為距離；v為超聲波速度（空氣中數值為343m/s）；Δt為從發(fā)送到收到回波的時間差。

4軟件平臺及硬件支持

本設計采用Arduino2.2作為編程平臺，Proteus8.15作為硬件繪制和仿真平臺。

4.1系統程序

#include<LiquidCrystal_I2C.h>

#include<microDS18B20.h>

MicroDS18B20<12>sensor;

LiquidCrystal_I2Clcd（0x27，16，2）;

#defineHC_TRIG3

#defineHC_ECHO2

uint32_tmyTimer1;

#defineALPHA0.2

floatfilteredDistance=0;

inttemper;

voidsetup（）{

Serial.begin（9600）;

lcd.init（）;

_{BJiyq3S/lJhUdHoAHfkmvg==}lcd.backlight（）;

pinMode（HC_TRIG，OUTPUT）;

pinMode（HC_ECHO，INPUT）;

temper=sensor.getTemp（）;

}

voidloop（）{

floatdist=getDist（temper）;

floatfilteredDistance=getFilteredDistance（dist）;

Serial.print（dist）;

Serial.print（""）;

Serial.print（filternWfpJTvClGRRLRYQgCtc+Q==edDistance）;//выводим

Serial.print（""）;

Serial.println（temper）;

delay（50）;

if（millis（）-myTimer1>=1000）

{

myTimer1=millis（）;

lcd.setCursor（0，0）;

lcd.print（""）;

lcd.setCursor（0，0）;

lcd.print（filteredDistance）;

}

}

floatgetDist（intt）{

digitalWrite（HC_TRIG，HIGH）;

delayMicroseconds（10）;

digitalWrite（HC_TRIG，LOW）;

uint32_tus=pulseIn（HC_ECHO，HIGH）;

return（us*（t*6/10+330）/2000ul/10）;

}

floatgetFilteredDistance（floatnewDistance）{

filteredDistance=（ALPHA*newDistance）+（（1-ALPHA）*filteredDistance）;

returnfilteredDistance;

}

{

"version"：1，

"author"："ValeraGribov"，

"editor"："wokwi"，

"parts"：[

{"type"："wokwi-Arduino-uno"，"id"："uno"，"top"：0.6，"left"：-115.8，"attrs"：{}}，

{"type"："wokwi-lcd1602"，"id"："lcd1"，"top"：16，&nbsp;"left"：236，"attrs"：{"pins"："i2c"}}，

{

"type"："wokwi-hc-sr04"，

"id"："ultrasonic1"，

"top"：-228.9，

"left"：197.5，

"attrs"：{"distance"："18"}

}，

{"type"："board-ds18b20"，"id"："temp1"，"top"：-279.53，"left"：4.08，"attrs"：{}}，

{

"type"："wokwi-resistor"，

"id"："r1"，

"top"：-177.6，

"left"：37.85，

"rotate"：90，

"attrs"：{"value"："5000"}

}

]

"connections"：[

["lcd1：VCC"，"uno：5V"，"red"，["h-28.8"，"v163.3"，"h-172.8"]]，

["lcd1：GND"，"uno：GND.2"，"black"，["h-19.2"，"v182.4"，"h-163.2"]]，

["lcd1：SDA"，"uno：A4"，"green"，["h-48"，"v201.8"，"h-67.2"，"v-9.6"]]，

["lcd1：SCL"，"uno：A5"，"green"，["h-19.2"，"v182.7"，"h-76.8"]]，

["ultrasonic1：VCC"，"uno：5V"，"red"，["v48"，"h-403.2"，"v374.4"，"h182.4"，"v-9.6"]]，

["ultrasonic1：GND"，"uno：GND.1"，"black"，["v19.2"，"h-298.8"，"v28.8"]]，

["ultrasonic1：TRIG"，"uno：3"，"green"，["v67.2"，"h-0.4"]]，

["ultrasonic1：ECHO"，"uno：2"，"green"，["v86.4"，"h-0.8"]]，

["temp1：GND"，"uno：GND.1"，"black"，["v0"]]，

["temp1：VCC"，"uno：5V"，"red"，["v9.6"，"h38.4"，"v-86.4"，"h-220.8"，"v576"，"h211.2"]]，

["temp1：DQ"，"uno：12"，"green"，["v0"]]，

["temp1：DQ"，"r1：2"，"green"，["v0"]]，

["r1：1"，"temp1：VCC"，"red"，["h0"，"v0"，"h-38.4"，"v-28.8"]]

]，

"dependencies"：{}

}

4.2積雪深度和溫濕度數據仿真測量結果

以2023年11月6日哈爾濱地區(qū)暴雪天氣數據為例，戶外溫度-9℃，相對濕度85%，積雪深度25cm。用前述數據作為本研究的輸入數據，如圖3、圖4所示，當戶外積雪深度輸入數據為25cm時，超聲波傳感器測得積雪深度數據為24cm，誤差為1cm。當戶外溫濕度輸入數據分別為-9℃、85%時，溫濕度傳感器測得溫度數據為-9℃，濕度數據為85%。仿真測量基本準確。

5結語

本設計為車輛駕駛員提供行車路上積雪深度和戶外環(huán)境溫濕度，為冰雪路面行車提供參考依據。

本研究實現了車載測雪系統功能，為冬季行車提供積雪數據信息。通過溫濕度傳感器判斷行駛路面是否結冰。選用超聲波傳感器回波反射測量車下雪地深度數據。

本文設計的是一種應用于冬季冰雪道路的測雪系統，通過電腦軟件仿真驗證測雪系統設計的可行性，從獲得的數據來看，超聲波測深度存在一定誤差，相對誤差為0.4%，為可以接受范圍。溫濕度傳感器測量仿真測量結果基本正確。

本文軟件仿真驗證結果有一定的局限性，天氣轉暖積雪消融，超聲波傳感器無法到真實環(huán)境測量驗證，獲取真實數據。該系統在車輛底盤的準確位置還有待進一步校正。

參考文獻

[1]劉威.鐵路沿線激光雪深計研究與設計[D].南京：南京信息工程大學，2021.

[2]胡敏.基于邊緣AI的雪面識別技術研究與應用[D].南京：南京信息工程大學，2021.

[3]黃業(yè)源，李守曉.基于Arduino與Blinker云平臺的溫室大棚環(huán)境監(jiān)控及自動灌溉系統設計[J].物聯網技術，2024，14（1）：26-28，33.

[4]孟慶偉，張磊，蒲莉莉.超聲波自動化積雪深度測量與分析[J].測繪與空間地理信息，2021，44（9）：102-105，109.

[5]周鵬，楊帥，楊斌，等.人工觀測與超聲波傳感器測量雪深的差異及其影響因素[J].貴州農業(yè)科學，2020，48（6）：139-142.