CN101694748A - 高速公路团雾实时监测预警系统 - Google Patents

Abstract

高速公路团雾实时监测预警系统，其特征是系统组成包括一高速公路团雾实时监测仪，用于获得并输出被监测区域的能见度数据信息，以能见度数据信息为系统预警信息；一无线数据传输模块，在其无线数据发射模块和无线数据接收模块之间以无线网络进行数据信息的传输；一安全预警信息显示模块，将能见度预警信息和能见度数据信息在显示屏中显示；一GSM通讯模块，在判断当前能见度值小于报警阈值时，通过GSM网络发送实时预警信息至通讯基站及中心控制室，通讯基站采用手机短信发送预警信息在预警区域。本发明监测数据稳定可靠，数据传输快，信息发布渠道广，预警信息可靠稳定、时效性强，适合在高速公路全线布设，可解决高速公路团雾的实时监测和安全预警问题，减少或避免团雾引起的高速公路交通事故。

Description

高速公路团雾实时监测预警系统

技术领域

本发明涉及一种预警系统，更具体地说是应用在高速公路上的团雾监测安全预警系统。

背景技术

随着经济的持续快速增长，高速公路建设得到空前发展。而高速公路在为经济腾飞插上翅膀的同时，频繁的交通事故也极大地威胁着人民的生命财产安全，影响着社会经济的和谐发展，其中由团雾等突发性小区域低能见度气候引起的多车连续追尾、群死群伤重特大交通事故的影响尤为突出。因此，对高速公路沿线团雾进行全天候实时监测，并采取有效的预警，对消除由随机团雾等突发性短时低能见度气象引起的交通事故有着非常重要的意义。

我国现有的高速公路团雾监测设备只能对大范围区域性大雾进行预报，而对团雾这种突发性小区域气象难以实现实时监测预警，迄今未见高速公路团雾监测安全预警系统的相关报道。

发明内容

本发明是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种安装方便、稳定可靠、全自动控制的高速公路团雾实时监测预警系统，以期有效解决高速公路团雾的实时监测和安全预警问题，减少或避免团雾引起的高速公路交通事故。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明高速公路团雾实时监测预警系统的结构特点是系统组成包括：

一具有嵌入式工控机的高速公路团雾实时监测仪，用于获得并输出被监测区域的能见度数据信息，以所述能见度数据信息为系统预警信息；

一无线数据传输模块，由安装在所述高速公路团雾实时监测仪上的无线数据发射模块和安装在安全预警信息显示模块上的无线数据接收模块组成，所述无线数据发射模块和高速公路团雾实时监测仪通过USB接口连接，所述无线数据接收模块与安全预警信息显示模块的单片机处理系统通过串口RS232连接；所述高速公路团雾实时监测仪的输出能见度数据信息由USB接口发送至无线数据发射模块，在所述无线数据发射模块与无线数据接收模块之间是以无线网络进行数据信息的传输，所述无线数据接收模块将接收的能见度数据信息经串口RS232输入在安全预警信息显示模块中；

一安全预警信息显示模块，由显示屏和单片机处理系统组成，所述单片机处理系统以串口的形式分别与显示屏及无线数据接收模块相连；以所述单片机处理系统接收无线数据接收模块的输出信息，在经与设定值判断后相应输出能见度预警信息，所述能见度预警信息和能见度数据信息在显示屏中显示；

一GSM通讯模块，封装在所述高速公路团雾实时监测仪的内部，由单片机控制器和GSM模块构成，所述单片机控制器通过串口线RS232分别和所述高速公路团雾实时监测仪的嵌入式工控机以及GSM模块相连；所述高速公路团雾实时监测仪检测的当前能见度数据信息通过串口线传送给GSM通讯模块中的单片机控制器，所述单片机控制器在判断当前能见度值小于报警阈值时，控制GSM模块通过GSM网络发送实时预警信息至通讯基站及中心控制室，所述通讯基站采用手机短信发送预警信息在预警区域。

本发明高速公路团雾实时监测预警系统的结构特点也在于所述具有嵌入式工控机的高速公路团雾实时监测仪的结构组成包括：

一激光发射/接收模块，是由激光器、发射光学镜头、接收光学镜头、小孔光阑和窄带滤光片构成；所述激光器输出光束经发射光学镜头准直、扩束处理后发出激光；经大气散射的激光回波信号通过由接收光学镜头接收并汇聚，再依次经过小孔光阑和窄带滤光片获得光检测信号；

一探测器及信号采集模块，是由单光子光电探测器、光子计数器、总线转换器以及所述嵌入式工控机构成；激光发射/接收模块中窄带滤光片的输出光检测信号聚焦在单光子光电探测器的光敏面上，经光电信号转换获得电检测信号；所述电检测信号在光子计数器中进行数字计数；计数结果通过USB总线存储到嵌入式工控机中，并在所述嵌入式工控机中进行数据处理，数据处理信号通过总线转换器传递至高速公路光纤网；

一激光器驱动及时序控制模块，是由激光器驱动电路和时序控制电路构成；由所述时序控制电路产生激光器工作所需的脉冲序列，并经激光器驱动电路驱动激光器工作；时序控制电路同时产生单光子光电探测器的工作门控信号及光子计数器的采集控制信号，并通过数据线控制单光子光电探测器及光子计数器按时间序列采集信号。

本发明可实施高速公路能见度值的全天候实时监测，在有团雾出现即通过无线数据传输模块向安全预警信息显示模块发送预警信息，并根据能见度值大小判断显示预警内容；同时通过GSM通讯模块将信号发送至通讯基站和中心控制室，然后由通讯基站将能见度值或团雾预警信息采用手机短信形式发送至预警区域，提醒驾驶员谨慎驾驶。

与现有技术相比，本发明有益效果体现在：

1、本发明中无线数据传输系统将高速公路上各个区域的能见度值通过无线数据传输模块组成一个大范围内的联网预警系统，提前通知驾驶员高速公路前方能见度情况，安全性高、速度快、范围广、系统构建成本低。

2、本发明中安全预警信息显示模块中设有单片机处理系统，可根据能见度值判断当前天气情况，并为驾驶员提供前方能见度值和直观的提示信息，直观、醒目、人性化。

3、本发明采用GSM通讯网络，覆盖范围广、技术成熟、移动通讯基站分布范围广，只要有高速公路的地方，都可以接收到GSM信号，带手机的驾驶员均能收到信息，信息发布渠道稳定可靠。

4、本发明将高速公路团雾实时监测仪、无线数据传输以及GSM通讯相结合，使得高速公路团雾实时监测预警系统具有监测数据稳定可靠、数据传输快、信息发布渠道广、预警信息可靠稳定、时效性强等优点，适合在高速公路全线布设。

5、本发明中高速公路团雾实时监测仪基于激光探测方法，相应配备温控电路和气动吹扫机构，其监控范围大、可实现全天候实时监测，不受任何气象条件限制；时效性好、测量数据稳定可靠，安装方便，无需专业人员操作值守。

6、本发明系统搭建的数据信息传输平台和预警信息显示平台可与现有的高速公路通讯系统兼容，通过预留数据接口，以易于拓展气象监测、测速、摄像等其他辅助功能，大幅提升高速公路信息化、自动化管理水平。

附图说明

图1为本发明中高速公路团雾实时监测仪结构框图。

图2为本发明中高速公路团雾实时监测仪激光发射/接收模块结构示意图。

图3为本发明系统组成框图

图4为本发明中GSM通讯控制模块框图

图5为本发明中安全预警显示模块单片机处理系统软件流程图

图6为本发明中GSM通讯控制流程图

图7为本发明中GSM通讯数据打包格式

以下通过具体实施方式，结合附图对本发明作进一步说明。

具体实施方式

参见图1，本实施例中设置高速公路团雾实时监测仪的结构组成包括激光学发射/接收模块、探测器及信号采集模块、激光器驱动及时序控制模块，其中：

激光发射/接收模块包括有激光器、发射光学镜头、接收光学镜头、小孔光阑和窄带滤光片；激光器输出光束经发射光学镜头准直、扩束处理后发出激光；经大气散射的激光回波信号由接收光学镜头接收并汇聚，再依次经过小孔光阑和窄带滤光片获得光检测信号。

激光器输出光束经发射光学镜头做光学准直、扩束处理，以改善激光的准直度，降低发散角，在使发射镜头的激光光斑能量分布更加均匀的同时，仪器可获得理想的长程测量效果；小孔光阑放置在接收光学镜头汇聚光的焦平面前；为降低来自太阳光的散射和背景辐射等带来的背景光噪声，提高仪器接收信噪比，经接收光学镜头汇聚的光信号通过窄带滤光片以滤除激光工作波长以外的背景光，在确保窄带滤光片光学透过率的前提下，滤光片带宽应尽量窄；激光发射/接收模块中发射光学镜头和接收光学镜头采用分置离轴的结构形式，激光发射/接收模块整体安装在一个有平整度要求的基板上。

具体实施中，激光器采用微宝石Nd:YAG激光器，单脉冲发射能量为1μJ，发射波长为532nm，发射光学镜头口径为20mm，经发射光学镜头后，激光发散角为0.1mrad；接收光学镜头口径为30mm，小孔光阑孔径为0.2mm，窄带滤光片带宽为1nm。

探测器及信号采集模块包括单光子光电探测器、光子计数器、嵌入式工控机和总线转换器；激光发射/接收模块中经窄带滤光片的输出光检测信号聚焦在单光子光电探测器光敏面上，经光电信号转换获得电检测信号，电检测信号在光子计数器中进行数字计数；数字计数的结果通过USB总线存储到嵌入式工控机中，并在嵌入式工控机中进行数据的反演、处理，数据处理的结果通过总线转换器与高速公路光纤网连接。

具体实施中，单光子光电探测器采用日本Perkin-Elmer公司的单光子探测器，光子计数器采用国产KU01单路USB接口模块，这一结构设置是采用脉冲甄别和数字计数，可实现将极其微弱的信号识别并提取出来，提高信号测量结果的信噪比，输出的数字信号，适合与计算机接口连接，以便进一步进行数字数据处理；嵌入式工控机采用研华公司的ARK3370；总线控制器为RS232/485转换器。

激光器驱动及时序控制模块包括激光器驱动电路及时序控制电路。时序控制电路产生激光器工作所需的脉冲序列，经激光器驱动电路驱动激光器工作；时序控制电路同时产生单光子光电探测器的工作门控信号及光子计数器的采集控制信号，通过数据线控制单光子光电探测器及光子计数器按时间序列采集信号；

激光器驱动电路对时序控制电路产生的脉冲序列进行处理，使其达到满足驱动激光器工作的要求：脉冲为TTL电平。其中上升沿≤20ns(幅度10％～90％)，且在幅度≤1V，上升时间≤5n。时序控制电路采用CPLD器件GAL22V10预以实现，基于ABEL硬件描述语言合理设计时序控制方案。该技术路线可先通过计算机进行仿真，再实际投人使用，降低了设计风险性，同时该方案跟分立元件设计相比，具有速度快、容量大、功耗小、集成度高、可靠性强等优点。

本实施例中的各组成部分封装在一个密闭的壳体中，在其壳体上开有一个玻璃窗体，为发射及接收光学信号提供通道。

激光发射/接收模块结构示意如图2所示，Nd:YAG激光器1发出光经发射光学镜头2射出，回波信号通过接收光学镜头4接收。发射光学镜头2与接收光学镜头4是采用分置离轴的方式布设，模块整体平行安装在基板8上。正对着激光发射光学镜头2和接收光学镜头4，在封装壳体上开有玻璃窗体3，保障光路的畅通。激光接收镜头4接收到的光束经小孔光阑5，并通过窄带滤光片6除去背景光的信号干扰汇聚到单光子光电探测器7上。

图1示出，具体实施中，设置系统辅助单元，由气动吹扫机构、温/湿度采集电路、控制电路和太阳能供电模块，其中：

气动吹扫机构由微型真空泵在壳体外部对其玻璃窗体外进行吹气，防止玻璃窗体3上附着水滴、雾气及灰尘。

温/湿度采集电路及控制电路是由温度传感器、湿度传感器、半导体制冷器、单片机及外围电路组成。以单片机控制温度传感器和湿度传感器分别采集本监测仪内部及外部温度和湿度信息，并根据仪器内部温度信息启动温控电路进行相应的加热或制冷，保证激光器及单光子光电探测器具有一个恒定的工作温度。单片机通过RS232串口与嵌入式工控机连接，将温度传感器、湿度传感器采集到的信息发送给嵌入式工控机。

太阳能供电模块包括有太阳能电池板、蓄电池及DC/DC转换器，其中DC/DC转换器把蓄电池输出的24V电压转换成监测仪供电电压12V。

参见图3，本实施例中的系统组成包括：

具有嵌入式工控机的高速公路团雾实时监测仪，用于检测并输出被监测区域的能见度数据信息，以所述能见度数据信息为系统预警信息；

无线数据传输模块，由安装在所述高速公路团雾实时监测仪上的无线数据发射模块和安装在安全预警信息显示模块上的无线数据接收模块组成，所述无线数据发射模块和高速公路团雾实时监测仪通过USB接口连接，所述无线数据接收模块与安全预警信息显示模块的单片机处理系统通过串口RS232连接；所述高速公路团雾实时监测仪的输出能见度数据信息由USB接口发送至无线数据发射模块，在所述无线数据发射模块与无线数据接收模块之间是以无线网络进行数据信息的传输，所述无线数据接收模块将接收的能见度数据信息经串口RS232输入在安全预警信息显示模块中；

安全预警信息显示模块，由显示屏和单片机处理系统组成，所述单片机处理系统以串口的形式分别与显示屏及无线数据接收模块相连；以所述单片机处理系统接收无线数据接收模块的输出信息，在经与设定值判断后相应输出能见度预警信息，所述能见度预警信息和能见度数据信息在显示屏中显示；

图4所示，GSM通讯模块，封装在所述高速公路团雾实时监测仪的内部，由单片机控制器和GSM模块构成，所述单片机控制器通过串口线RS232分别和所述高速公路团雾实时监测仪的嵌入式工控机以及GSM模块相连；所述高速公路团雾实时监测仪检测的当前能见度数据信息通过串口线传送给GSM通讯模块中的单片机控制器，所述单片机控制器在判断当前能见度值小于报警阈值时，控制GSM模块通过GSM网络发送实时预警信息至通讯基站及中心控制室，通讯基站采用手机短信发送预警信息在预警区域。

具体实施中，相互通信的无线数据接收模块和无线数据发射模块必须设置为同一波特率和载波频率。其中的波特率可以设置为：1200bps、2400bps、4800bps、9600bps、19200bps、38400bps；载波频率可以设置为：429.0325MHZ、430.0325MHZ、431.0325MHZ、432.0325MHZ、433.0325MHZ、434.0325MHZ、435.0325MHZ、436.0325MHZ。

图5所示为安全预警显示模块单片机处理系统软件流程。无线接收模块将能见度值以二进制字节的形式通过串口发送至单片机处理系统，单片机处理系统一旦检测到有数据后，将产生中断，进入中断服务子程序接收数据，单片机处理系统将接收到的能见度字节数据转换为十进制数据，然后判断数据的大小，根据能见度值的大小在显示屏上显示相应的预置预警信息。

图6所示为GSM通讯控制流程图，GSM通讯模块接收到当前的能见度值信息后，单片机控制器软件首先判断是否低于设定报警阈值，此设定报警阈值是一个高速公路能见度与行车安全结合统计的一个经验值。当能见度值高于设定值时，认为此时行车安全，不需要短信警示，继续从高速公路团雾监测仪接收能见度数据；当能见度值低于设定值时，此时存在安全隐患，需要将当前能见度值及预警信息发送出去。

图7所示，GSM通讯模块在向通讯基站和高速公路监控中心发送数据之前，需要对数据进行打包处理。具体数据格式一共由四个域组成，包括起始域，数据域，校验域和帧结束域。起始域由一个字节组成，是字母“V”，代表能见度；数据域由四个字节组成，是能见度值；校验域由两个字节组成，这两个字节值是由CRC校验算法对数据域计算得出的值；帧结束域由两个字节组成，包括回车和换行符；最后整个数据以回车换行符结束。其中能见度值用四个字节表述，也就是可以表达四百万公里的能见度，对于本系统来说范围足够，不会产生溢出问题。后两个字节(CRC检验字)是对前四个字节能见度值的CRC检验和计算。通讯基站和高速公路监控中心接收到短信后，需要按此格式解析数据。CRC域是两个字节，包含一16位的二进制值，由传输设备计算后加入到消息中。接收设备重新计算收到消息的CRC，并与接收到的CRC域中的值比较，如果两值不同，则有误。

Claims (2)

1.高速公路团雾实时监测预警系统，其特征是系统组成包括：

一具有嵌入式工控机的高速公路团雾实时监测仪，用于获得并输出被监测区域的能见度数据信息，以所述能见度数据信息为系统预警信息；

一无线数据传输模块，由安装在所述高速公路团雾实时监测仪上的无线数据发射模块和安装在安全预警信息显示模块上的无线数据接收模块组成，所述无线数据发射模块和高速公路团雾实时监测仪通过USB接口连接，所述无线数据接收模块与安全预警信息显示模块的单片机处理系统通过串口RS232连接；所述高速公路团雾实时监测仪的输出能见度数据信息由USB接口发送至无线数据发射模块，在所述无线数据发射模块与无线数据接收模块之间是以无线网络进行数据信息的传输，所述无线数据接收模块将接收的能见度数据信息经串口RS232输入在安全预警信息显示模块中；

一安全预警信息显示模块，由显示屏和单片机处理系统组成，所述单片机处理系统以串口的形式分别与显示屏及无线数据接收模块相连；以所述单片机处理系统接收无线数据接收模块的输出信息，在经与设定值判断后相应输出能见度预警信息，所述能见度预警信息和能见度数据信息在显示屏中显示；

一GSM通讯模块，封装在所述高速公路团雾实时监测仪的内部，由单片机控制器和GSM模块构成，所述单片机控制器通过串口线RS232分别和所述高速公路团雾实时监测仪的嵌入式工控机以及GSM模块相连；所述高速公路团雾实时监测仪检测的当前能见度数据信息通过串口线传送给GSM通讯模块中的单片机控制器，所述单片机控制器在判断当前能见度值小于报警阈值时，控制GSM模块通过GSM网络发送实时预警信息至通讯基站及中心控制室，所述通讯基站采用手机短信发送预警信息在预警区域。

2.根据权利要求1所述的高速公路团雾实时监测预警系统，其特征是所述具有嵌入式工控机的高速公路团雾实时监测仪的结构组成包括：

一激光发射/接收模块，是由激光器、发射光学镜头、接收光学镜头、小孔光阑和窄带滤光片构成；所述激光器输出光束经发射光学镜头准直、扩束处理后发出激光；经大气散射的激光回波信号通过由接收光学镜头接收并汇聚，再依次经过小孔光阑和窄带滤光片获得光检测信号；

一探测器及信号采集模块，是由单光子光电探测器、光子计数器、总线转换器以及所述嵌入式工控机构成；激光发射/接收模块中窄带滤光片的输出光检测信号聚焦在单光子光电探测器的光敏面上，经光电信号转换获得电检测信号；所述电检测信号在光子计数器中进行数字计数；计数结果通过USB总线存储到嵌入式工控机中，并在所述嵌入式工控机中进行数据处理，数据处理信号通过总线转换器传递至高速公路光纤网；

一激光器驱动及时序控制模块，是由激光器驱动电路和时序控制电路构成；由所述时序控制电路产生激光器工作所需的脉冲序列，并经激光器驱动电路驱动激光器工作；时序控制电路同时产生单光子光电探测器的工作门控信号及光子计数器的采集控制信号，并通过数据线控制单光子光电探测器及光子计数器按时间序列采集信号。

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