CN101859492A - 高速公路气象监测系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高速公路气象监测系统，涉及一种交通安全设施技术领域。本发明由在高速公路各路段及区域布设的气象监测点装置和在高速公路入口处布设的控制终端组成；气象监测点装置由主微处理器、环境温度测量模块、风向传感器模块、冰雪传感器模块、能见度测量模块、CAN总线收发驱动器、地表温度测量模块、时钟芯片、GSM/GPRS远程通信模块、风速传感器模块、RS 232通信接口电路和CAN总线组成；控制终端由GSM/GPRS远程通信模块、监测显示模块和PC工作站组成。本发明工作可靠、性价比高及使用寿命长；适合环境条件复杂的高速公路应用场合。

Description

高速公路气象监测系统
技术领域
本发明涉及一种交通安全设施技术领域，尤其涉及一种高速公路气象监测系统。
背景技术
随着高速公路的快速发展和汽车拥有量的急剧增多，高速公路的行车事故愈加频繁，尤其是霜雾、雨雪天气所引发的追尾乃至连环追尾的事故屡见报道。为此，在高速公路设立气象监测装置，实时发布监测路段的气象信息，以及由气象信息综合生成的监测路段行车安全参数，包括道路、安全车距及车速阈值信息，对预防车辆追尾、确保行车安全有着重要意义。
申请号为200910060562.4、申请日为2009-01-16的发明专利申请公开了《高速公路防追尾预警系统》。该系统由高速公路全程双向车道的N个监测点(子网)和控制终端组成；每个子网由多个内嵌有微处理器的超声探头、RS-485多机通信接口电路及声光警示牌等组成。在高速公路的入口处布设控制终端，控制终端由GSM/GPRS远程通信模块、PC工作站及监测显示模块组成。该发明专利申请给高速公路预防车辆追尾提供了一个实用的平台，但也存在一些急待完善的问题：
1、造成追尾事故的气象因素不仅是霜雾所带来的能见度原因，雨雪天气尤其是道路覆雪、结冰使得路面附着系数减少，车轮容易打滑和侧滑，也是造成追尾事故的重要气象因素。
2、在技术层面上，尚无可实用于高速公路的冰雪传感器面市，对冰雪的监测仍停留在人工观察的基础上。
3、现有能见度测量主要分为透射法和散射法(包括前向型及后向型散射测量)两大类。散射法能见度仪的优点是易于安装，且标定及维护相对容易，缺点是测量结果在雨、雪天气以及仪器光源功率变化、镜头灰尘可产生较大误差甚至难以修正。透射法采用收发端分离的形式，它检测的是光在传播时因大气中微粒消光作用衰减后的光强。为了保证测量的准确度和能见度测量的范围，发射器和接收器距离不能太短，而激光发射器的功率也不能太小，因而设备体积大、价格较高。尤其是光路中不允许存在障碍物，加之收发端相距较远，往往对测量结果带来严重影响。
4、现有的风速风向仪大体可分为三类，分别是机电式、热簿膜温差式和超声波式。机电式风速仪与风向仪是两者分离的，机电式风向仪利用七位格雷光电码盘将风向标所指风向转换成角度码，其主要缺憾是光电器件的使用寿命及价格因素难以在高速公路的多点监测中大范围推广。热簿膜温差式风速风向仪是利用风的上游和下游会对热膜表面产生不均匀冷却的原理，通过测量芯片表面产生的温度梯度来反映风速和风向。保持芯片温度和环境温度之差ΔT在合适的范围是热簿膜温差式风速风向仪能否得到可靠风向信息的关键。超声波式风速风向仪的缺点不仅是受到环境温度和价格的约束，而且与热簿膜温差式风速风向仪一样，要受到雨雪或粉尘的影响。显然，寻求适合于高速公路的风参数测量仪器，尤其是风向仪也是实现高速公路气象监测的不可忽视的环节。
5、高速公路各路段的地形、地势、道路结构以及浓雾、冰雪发生程度不尽相同，若多点布设气象监测装置所涉及的设备费用是一个能否实施的瓶颈问题，所以降低气象监测装置成本是该发明的一个关键技术。
发明内容
针对上述问题，本发明提出了一种基于多传感器融合技术组建的高速公路气象监测系统。该系统费用低廉、安装方便，能实时监测高速公路相关路段环境温度、地表温度、能见度等级、降雨(雪)量、降雨(雪)强度、降雨(雪)时间及路段分布等相关高速公路气象参数，并能根据气象参数的变化，自动生成或调整高速公路不同路段、不同气象条件下的安全车距及车速的示警阈值，为预警追尾、超速等事故的发生，为提高道路通畅率，提供了科学依据及安全保证。
本发明提供的技术方案是：
根据气象、交通资料分析和实地调研，确定高速公路上交通事故多发及浓雾易生路段及区域，并在相应路段或区域合理布设数个高速公路气象监测点装置。在高速公路的入口处布设控制终端，高速公路气象监测点装置由环境温度传感器、地表温度传感器、风速传感器、风向传感器、冰雪传感器和能见度测量模块、微处理器及GSM/GPRS远程通信模块、RS_232通信接口电路、时钟芯片组成。控制终端由GSM/GPRS远程通信模块、Windows NT构成的PC工作站和监测显示模块组成。控制终端通过GSM/GPRS网络与各气象监测点进行数据交换，并实时将高速公路各监测路段或区域的相关气象数据显示在监测显示屏上，控制终端的PC机自动(亦可由控制终端的工作人员综合会商)生成或调整高速公路不同路段、不同气象条件下的安全车距及车速的示警阈值，并通过GSM/GPRS网络向申请号为200910060562.4、申请日为2009-01-16的《高速公路防追尾预警系统》的发明专利申请提出的高速公路防追尾预警系统各监测子网广播发布该路段或区域的安全车距及车速的示警阈值。
为了克服现有透射法或散射法能见度仪的一些缺憾，本发明公开了一种融合透射法和散射法优点的能见度测量模块；发射器电路将红外激光照射在样本空间，透射光多次通过两个直角棱镜后由透射式接收器电路接收，从而达到折叠光路、缩短发射器与探测器距离的目的。而前向散射光由散射式接收器电路接收，保留了前向散射法测量动态范围大、近程探测灵敏度高等优点。两接收器电路中的从微处理器不仅能判别、剔除或修正随机采集的初始测量数据中的奇异值，而且能有效改善因激光发射器功率不稳定带来的测量精度问题。另外，为解决在霜雾测量环境中、棱镜表面易产生的簿雾或结露弊端，可在直角棱镜激光束透射面边框及两侧面涂复PTC导电加热膜、并埋植电极金属线，实现对棱镜的定时加热，达到消除簿雾或结露的目的。
雨雪天气尤其是大雨暴雪不仅能显著降低能见度，而且改变路面抗滑能力，当然也是造成追尾事故的重要气象因素。本发明公开了一种冰雪传感器，不仅能定量监测道路的降雪量、降雪强度和降雪历时等，并具有融雪、雨、相对湿度和环境温度监测于一体的诸功能，较好地解决了高速公路冰雪监测的问题。
为了克服机电式、热簿膜温差式和超声波式风向仪的缺点，本发明公开了一种多路电容式的风向传感器，该风向传感器利用一个低惯性的风向标部件随风旋转，带动转轴下端的电容风向测盘测量风向。电容风向测盘的内侧安装有16片等弧长的静极金属箔条，16片金属箔条与第一模拟开关的16路输出端口依次连接。在风向标转轴上固定连接一根动极金属箔条，动极金属箔条弧长约为静极金属箔条弧长的两倍。当风向标转轴转动时，风向传感器从微处理器通过对第一模拟开关的控制，依次选通16个静极金属箔条为激励电极，随后，风向传感器从微处理器再依次选通第二模拟开关的端口，分别测出激励电极相邻前后两静极金属箔条电极的电容值及比对值，经数字滤波及查表后，即可判别测量该风向测点的瞬时风向、2min风向及10min风向等参数。比对值算法结合查表程序的采用，不仅节省了存储空间、提高了CPU运算速度，而且较好地解决了温差所带来的误差变化，大幅度提高了风向监测精度。
具体地说，本发明由在高速公路各路段及区域布设的气象监测点装置A和在高速公路入口处布设的控制终端B组成；
气象监测点装置由主微处理器、RS_232通信接口电路、环境温度测量模块、风向传感器模块、冰雪传感器模块、能见度测量模块、CAN总线收发驱动器、地表温度测量模块、时钟芯片、GSM/GPRS远程通信模块、风速传感器模块和CAN总线组成；
主微处理器通过CAN总线收发驱动器连接至CAN总线上；
风速传感器模块、风向传感器模块、冰雪传感器模块和能见度测量模块通过各自内嵌的从微处理器和CAN总线收发驱动器接入CAN总线上；
地表温度测量模块与主微处理器的AIN0端相连；环境温度测量模块和时钟芯片包含于冰雪传感器模块中，且与冰雪传感器模块中的从微处理器相关I/O口连接；GSM/GPRS远程通信模块80A通过RS_232通信接口电路01与主微处理器的TX0、RX0端相连。
控制终端由GSM/GPRS远程通信模块、监测显示模块和PC工作站组成；
GSM/GPRS远程通信模块通过RS_232通信接口与PC工作站进行连接；监测显示模块通过DVI数字视频接口与PC工作站进行连接。
本发明具有下列优点和积极效果：
1、工作可靠、性价比高及使用寿命长；
2、本发明中休眠-激活技术的采用，不仅延长了各监测模块的使用寿命，减少通信数据量和通信时间，而且大幅度降低各气象监测点的功耗及设备运行成本；
3、适合环境条件复杂的高速公路应用场合。
附图说明
图1是本发明的结构方框图；
图2A是风速传感器模块和风向传感器模块的整体结构示意图；
图2B是风向传感器的电容风向测盘结构示意图；
图2C(a)、图2C(b)分别为风向传感器测量电路原理上、下图；
图3A是能见度测量模块的光路图；
图3B是能见度测量模块发射端电路原理图；
图3C是能见度测量模块接收端电路原理图；
图4为地表温度测量模块电路原路图；
图5为控制终端软件功能图。
其中：
A-气象监测点装置；
B-控制终端；
00-主微处理器；
01-RS_232通信接口电路；
10-环境温度测量模块；
20-风向传感器模块，21-风向标，        22-电容风向测盘，
                   23-信号数据线，    24-支撑架，
                   25-风向传感器测量电路；
30-冰雪传感器模块；
40-能见度测量模块；
50-CAN总线收发驱动器；
60-地表温度测量模块；
70-时钟芯片；
80A、80B-GSM/GPRS远程通信模块；
90-风速传感器模块；
100-CAN总线；
110-监测显示模块；
120-PC工作站。
具体实施方式
下面结合附图与实施例，对本发明详细说明：
一、总体结构
如图1，本发明由在高速公路各路段及区域布设的气象监测点装置A和在高速公路入口处布设的控制终端B组成；
1、气象监测点装置A由主微处理器00、RS_232通信接口电路01、环境温度测量模块10、风向传感器模块20、冰雪传感器模块30、能见度测量模块40、CAN总线收发驱动器50、地表温度测量模块60、时钟芯片70、GSM/GPRS远程通信模块80A、风速传感器模块90和CAN总线100组成；
主微处理器00通过CAN总线收发驱动器50连接至CAN总线100上；
风速传感器模块90、风向传感器模块20、冰雪传感器模块30和能见度测量模块40通过各自内嵌的从微处理器和CAN总线收发驱动器接入CAN总线100上；
地表温度测量模块60与主微处理器00的AIN0端相连；环境温度测量模块10和时钟芯片70包含于冰雪传感器模块30中，且与冰雪传感器模块30中的从微处理器相关I/O口连接；GSM/GPRS远程通信模块80A通过RS_232通信接口电路01与主微处理器00的TX0、RX0端相连。
2、控制终端B由GSM/GPRS远程通信模块80B、监测显示模块110和PC工作站120组成；
GSM/GPRS远程通信模块80B通过RS_232通信接口与PC工作站120进行连接；监测显示模块110通过DVI数字视频接口与PC工作站120进行连接。
二、主要功能块结构
1、风向传感器模块20
如图2A、图2B、图2C(a)、图2C(b)，风向传感器模块20包括风向标21、电容风向测盘22、信号数据线23、支撑架24和风向传感器测量电路25；固定在支撑架24上的电容风向测盘22的中心转轴的顶端连接有风向标21，电容风向测盘22通过信号数据线23和风向传感器测量电路25连接；
所述的电容风向测盘22包括绝缘底盘221、静极金属箔条222、动极金属箔条223和转针224；在绝缘底盘221圆周上等间隔内嵌有16片静极金属箔条222(即图2C中与第一模拟开关输出相连的1--16号静极金属箔条)，在绝缘底盘221的中心轴上连接有转针224，转针224和动极金属箔条223垂直连接；动极金属箔条223的弧长约为每片静极金属箔条222弧长的两倍；
所述的风向传感器测量电路25包括正弦波信号发生器2501、第一模拟开关2502和第二模拟开关2503、射级跟随器2504、正弦波移相器2506、正弦波/方波转换电路2507、风向测量电路2508、前置放大电路2505，第二级放大电路2509，第三级放大电路2510和第四级放大电路2513、4066A模拟开关2511、有源低通滤波器2512、从微处理器2514以及CAN总线收发驱动器2515；
正弦波信号发生器2501的输出分为两路：一路连接至模拟开关2502的输入端I/O，另一路连接至射级跟随器2504的一个输入端；
模拟开关2502的16位输出端口不仅与模拟开关2503的16路输入端对应连接，还分别与电容风向测盘22的16片静极金属箔条222对应相连；射级跟随器2504输出至前置放大电路2505的一路输入端，前置放大电路2505输出至正弦波移相器2506输入端；正弦波移相器2506输出至正弦波/方波转换电路2507完成波形转换后输出至4066A模拟开关2511的开关控制端；模拟开关2503输出端与风向测量电路2508的输入端相连；风向测量电路2508的输出端与第二级放大电路2509的输入端相连，第二级放大电路2509的输出端与第三级放大电路2510的输入端相连；第三级放大电路2510的输出端与4066A模拟开关2511的输入端相连，4066A模拟开关2511输出至有源低通滤波器2512输入端，有源低通滤波器2512输出至第四级放大电路2513输入端；第四级放大电路2513的输出端V1N与从微处理器2514的AIN0端相连；从微处理器2514通过其内的CAN总线控制端与CAN总线收发驱动器2515相连；从微处理器2514的相关I/O分别与第一模拟开关2502和第二模拟开关2503的通道选择控制端相连；CAN总线收发驱动器2515通过CANH和CANL端连至整个系统的CAN总线上。
风向传感器模块20的工作原理是：
该风向传感器模块20利用一个低惯性的风向标21随风旋转，带动中心转轴下端的电容风向测盘22测量风向；电容风向测盘22的16片静极金属箔条222与第一模拟开关2502的16路输出端口依次连接；当风向标21随风带动中心转轴转动时，风向传感器模块20内的从微处理器通过对第一模拟开关2502的控制，依次选通16片静极金属箔条222为激励电极，随后，风向传感器从微处理器2514再依次选通第二模拟开关2503的端口，分别测出激励电极相邻前后两静极金属箔条电极的电容值及比对值，经数字滤波及查表后，即可判别测量该风向测点的瞬时风向、2min风向及10min风向等参数。比对值算法结合查表程序的采用，不仅节省了存储空间、提高了CPU运算速度，而且较好地解决了温差所带来的误差变化，大幅度提高了风向监测精度。
2、风速传感器模块90
如图2A(右侧)，选用ELl5-1/1A型杯式风速传感器，它与主微处理器00之间通过CAN总线100进行通信。
3、能见度测量模块40
如图3A，能见度测量模块40由发射器电路41、透射式接收器电路42、散射式接收器电路43、直角棱镜44组成。
如图3B，发射器电路41由前后依次连接的方波振荡器411、达林顿驱动电路412和红外半导体激光管413组成。
如图3C，透射式接收器电路42和散射式接收器电路43电路结构相同，均由前后依次连接的红外硅光二极管421、前置放大器422、反相放大器423、有源低通滤波器424、从微处理器425和CAN总线收发驱动器426组成。
能见度测量模块40的工作原理是：
在大气能见度较好、水雾弥散浓度不大时，发射电路41发射的脉冲光主要被直角棱镜44后的下方的透射式接收器电路42的红外硅光二极管421接收，而上方的散射式接收器电路43接收的信号相对较弱。
当大气能见度低、水雾弥散浓度较大时，发射电路41发射的脉冲光主要被上方的散射式接收器电路43所接收，而下方的透射式接收器电路42接收的信号相对较弱。
两接收电路中的红外硅光二极管421在不同的大气能见度下分别将光脉冲转变成电信号，并经信号调理电路后由各自的从微处理器425分别作辩识运算及线性修正，最后将各自的测量值通过CAN总线收发驱动器426和CAN总线100传送至系统的主微处理器00，主微处理器00对获取的测量值作对比分析处理得出能见度值。
4、地表温度测量模块60
如图4，地表温度测量模块60由前后连接的能隙基准电源MC1403、分压电路、前置放大电路和第二级放大电路组成；其中的前置放大电路中设置有温度传感器；
温度传感器选用国产Pt100软衬底薄膜热敏电阻，与地表完全贴合。
地表温度测量模块60的工作原理是：
地表温度变化经地表温度测量模块60转换为模拟电信号后，通过主微处理器00内部的16位A/D电路转换成数字信号提供给主微处理器00进行辨识运算及线性修正。
5、冰雪传感器模块30
冰雪传感器模块30另案申报发明专利，下面简要说明其结构和工作原理：
图1中的冰雪传感器模块30由承水器、PTC发热元件PTC1和PTC2、环境温度测量模块10、冰雪感应板、水量测量敏感元件、信号调理电路、从微处理器、时钟芯片70和CAN总线收发驱动器组成。在金属罐上端通过空芯支撑管水平倾斜固定角度后放置冰雪感应板，在不锈钢承水器及冰雪感应板下侧分别安装有PTC发热元件PTC1、PTC2，雨及融化的冰雪流入水量测量敏感元件，并经流水槽流出。在金属罐外侧安装有环境温度测量模块10用于对环境温度的测量。冰雪感应板、水量测量敏感元件经过各自的信号调理电路后分别与从微处理器的两路A/D转换输入端相连。
冰雪传感器模块30的工作原理如下，
冰雪传感器模块30的从微处理器初始化后以固定周期监测环境温度测量模块10采集的环境温度值：
(1)当该值大于零摄氏度时，经过防水及高绝缘处理后的冰雪感应板能将霜雾、雨变化转换为区别明显的电信号，被调理的模拟信号经多路模拟开关后由A/D电路转换成数字信号提供给冰雪传感器模块30的从微处理器进行辩识运算及线性修正。冰雪感应板若检测到霜雾时，从微处理器根据霜雾的检测值变化，自动启动冰雪感应板背面的PTC发热元件，迅速干燥冰雪感应板以重新测量相对湿度变化，最后从微处理器通过CAN总线收发驱动器和CAN总线100将运算后的霜雾数据传送至系统主微处理器00。冰雪感应板若检测到降雨时，承水器将雨水引导至水量测量敏感元件，产生的模拟电信号经A/D后转换成数字信号提供给从微处理器进行雨型、雨量辩识运算及线性修正，最后从微处理器通过CAN总线收发驱动器和CAN总线100将运算后的雨量、降雨强度、降雨起止时间等降雨数据传送至系统主微处理器00。
(2)当该值等于或者小于零摄氏度时，冰雪感应板若检测到冰雪，从微处理器根据冰雪的检测值变化，分别采用不同的定时加热时间，自动启动冰雪感应板和承水器背面的PTC发热元件，迅速干燥冰雪感应板以重新测量降雪变化。冰雪感应板和承水器中的冰雪经过加热融化成水后流入水量测量敏感元件，产生的模拟电信号经过A/D后转换成数字信号提供给从微处理器进行雪型、雪量辩识运算及线性修正，最后从微处理器通过CAN总线收发驱动器和CAN总线100将运算后的降雪量、降雪强度、降雪起止时间及累计积雪的厚度等数据传送至系统主微处理器00。
6、主微处理器00
主微处理器选用C8051F060型单片机。
(其它功能块的从微处理器也选用C8051F060型单片机)
7、RS_232通信接口电路01
RS_232通信接口电路为常用电路。
8、环境温度测量模块10
环境温度测量模块10由DS1820数字温度传感器及相关外围电路组成。
9、CAN总线收发驱动器50、
CAN总线收发驱动器50由SN65HVD230型芯片及相关外围电路组成。
10、时钟芯片70
时钟芯片70由DS1302芯片及相关外围电路组成。
11、GSM/GPRS远程通信模块80A和GSM/GPRS远程通信模块80B
GSM/GPRS远程通信模块80A和GSM/GPRS远程通信模块80B均由GPRS无线通信模块MC35i及其外围电路设计而成。
三、控制终端软件功能
如图5，按其实现的功能，控制终端软件功能C可划分为GIS地图显示模块C1、GSM/GPRS远程通信模块C2和GIS空间数据库管理模块C3。
GIS地图显示模块C1以图形工作站等设备为支持，当选定某一监测点图标点击鼠标左键时，该点的气象参数、经度、纬度、时间、监测点编号等信息将在终端PC机上显示。
GIS空间数据库管理模块C3主要实现对获取数据的存储、管理和查询功能，包括监测点气象信息存储C31、系统用户修改C32和监测点气象信息查询及修改C33和报表生成打印C34。
监测点气象信息存储C31：所有的监测点气象信息在数据库中都有记录；
系统用户修改C32：出于信息安全考虑，规定只有指定的用户才能对本系统进行相关的操作，包括控制台指令的发送、监测点气象信息的查询和设施的维护；
监测点气象信息查询及修改C33：数据库管理模块提供了添加、修改、删除在数据库中存储的监测点气象信息的工具；
报表生成打印C34：可生成值班人员工作报表和监控管理中心所需要的其它报表并打印。
四、工作过程描述
高速公路气象监测点各从微处理器初始化后，主微处理器00通过CAN总线100将风向传感器模块20、能见度测量模块40、地表温度测量模块60和风速传感器模块90内嵌的各从微处理器置于休眠状态，而安装在冰雪传感器模块30金属罐体中的环境温度测量模块10则以固定周期监测环境温度变化；
(1)当该值大于零摄氏度时，经过防水及高绝缘处理后的冰雪感应板能可靠地将霜雾、雨变化转换为区别明显的电信号，被调理的模拟信号由A/D转换成数字信号后提供给冰雪传感器模块30的从微处理器进行辩识运算及线性修正；冰雪感应板若检测到霜雾时，冰雪传感器模块30的从微处理器根据霜雾的检测值变化，自动启动冰雪感应板背面的PTC发热元件，迅速干燥冰雪感应板以重新测量相对湿度变化。同时，冰雪传感器模块30的从微处理器通过CAN总线100迅速激活处于休眠状态的各监测模块投入监测工作态。主微处理器00将接收到的各模块监测的气象数据通过GSM/GPRS远程通信模块80A无线发送给控制终端B。
冰雪感应板若检测到降雨时，冰雪传感器模块30的从微处理器通过CAN总线100迅速激活处于休眠状态的风速传感器模块90、风向传感器模块20内嵌的从微处理器投入监测工作态。同时，通过冰雪传感器模块30金属罐体的承水器、将雨水引导至水量测量电路模块转换为模拟电信号，经A/D转换后、提供给冰雪传感器模块30的从微处理器进行雨型、雨量辩识运算及线性修正，冰雪传感器模块30的从微处理器根据运算及线性修正值、经查表及运行插值公式、自动生成车辆行驶速度、车间距阈值，主微处理器00将通过CAN总线100采集的风速、风向、降雨量、降雨强度、降雨起止时间及车辆速度、车间距阈值等相关数据打包后、经GSM/GPRS远程通信模块80A无线发送给控制终端B。
(2)当该值等于或者小于零摄氏度，冰雪感应板若检测到冰雪时；冰雪传感器模块30的从微处理器通过CAN总线100迅速激活处于休眠状态的风速传感器模块90、风向传感器模块20、能见度测量模块40、地表温度测量模块60内嵌的从微处理器投入监测工作态。同时，冰雪传感器模块30的从微处理器根据冰雪的检测值变化，分别采用不同的定时加热时间，自动启动冰雪感应板和承水器背面的PCT发热元件，加热融化后的冰雪经水量测量敏感元件及信号调理电路转换为模拟电信号，经A/D转换后、提供给冰雪传感器模块30的从微处理器进行雪型、雪量辩识运算及线性修正。冰雪传感器的微处理器根据运算及线性修正值、经查表及运行插值公式后、自动生成车辆行驶速度、车间距阈值。主微处理器将通过CAN总线100采集的风速、风向、地表温度、降雪量、降雪强度、降雪起止时间及车辆速度、车间距阈值等相关数据打包后、经GSM/GPRS远程通信模块80A无线发送给控制终端B，从而为高速公路冰雪天气的安全车速阈值及车间距阈值提供各路段实时的气象信息。
另外，控制终端B亦可在任意时刻通过终端的GSM/GPRS远程通信模块80B发出请求获取气象信息的指令，各气象监测点的主微处理器00经GSM/GPRS远程通信模块80A获取并验证该指令后，迅速激活各监测模块采集相关气象数据，并远程传送回控制终端B。本发明中休眠技术的采用，不仅延长了各监测模块的使用寿命，减少通信数据量和通信时间，而且大幅度降低各气象监测点的功耗及设备运行成本。

Claims (6)

1.一种高速公路气象监测系统，其特征在于：
由在高速公路各路段及区域布设的气象监测点装置(A)和在高速公路入口处布设的控制终端(B)组成；
气象监测点装置(A)由主微处理器(00)、RS_232通信接口电路(01)、环境温度测量模块(10)、风向传感器模块(20)、冰雪传感器模块(30)、能见度测量模块(40)、CAN总线收发驱动器(50)、地表温度测量模块(60)、时钟芯片(70)、GSM/GPRS远程通信模块(80A)、风速传感器模块(90)和CAN总线(100)组成；
主微处理器(00)通过CAN总线收发驱动器(50)连接至CAN总线(100)上；
风速传感器模块(90)、风向传感器模块(20)、冰雪传感器模块(30)和能见度测量模块(40)通过各自内嵌的从微处理器和CAN总线收发驱动器接入CAN总线(100)上；
地表温度测量模块(60)与主微处理器(00)的AIN0端相连；环境温度测量模块(10)和时钟芯片(70)包含于冰雪传感器模块(30)中，且与冰雪传感器模块(30)中的从微处理器相关I/O口连接；GSM/GPRS远程通信模块(80A)通过RS_232通信接口电路(01)与主微处理器(00)的TX0、RX0端相连；
控制终端(B)由GSM/GPRS远程通信模块(80B)、监测显示模块(110)和PC工作站(120)组成；
GSM/GPRS远程通信模块(80B)通过RS_232通信接口与PC工作站(120)进行连接；监测显示模块(110)通过DVI数字视频接口与PC工作站(120)进行连接。
2.按权利要求1所述的一种高速公路气象监测系统，其特征在于：
风向传感器模块(20)包括风向标(21)、电容风向测盘(22)、信号数据线(23)、支撑架(24)和风向传感器测量电路(25)；固定在支撑架(24)上的电容风向测盘(22)的中心转轴的顶端连接有风向标(21)，电容风向测盘(22)通过信号数据线(23)和风向传感器测量电路(25)连接；
所述的电容风向测盘(22)包括绝缘底盘(221)、静极金属箔条(222)、动极金属箔条(223)和转针(224)；在绝缘底盘(221)圆周上等间隔内嵌有16片静极金属箔条(222)，在绝缘底盘(221)的中心轴上连接有转针(224)，转针(224)和动极金属箔条(223)垂直连接；动极金属箔条(223)的弧长约为每片静极金属箔条(222)弧长的两倍；
所述的风向传感器测量电路(25)包括正弦波信号发生器(2501)、第一模拟开关(2502)和第二模拟开关(2503)、射级跟随器(2504)、正弦波移相器(2506)、正弦波/方波转换电路(2507)、风向测量电路(2508)、前置放大电路(2505)，第二级放大电路(2509)，第三级放大电路(2510)和第四级放大电路(2513)、4066A模拟开关(2511)、有源低通滤波器(2512)、从微处理器(2514)以及CAN总线收发驱动器(2515)；
正弦波信号发生器(2501)的输出分为两路：一路连接至模拟开关(2502)的输入端I/O，另一路连接至射级跟随器(2504)的一个输入端；模拟开关(2502)的16位输出端口不仅与模拟开关(2503)的16路输入端对应连接，还分别与电容风向测盘(22)的16片静极金属箔条(222)对应相连；射级跟随器(2504)输出至前置放大电路(2505)的一路输入端，前置放大电路(2505)输出至正弦波移相器(2506)输入端；正弦波移相器(2506)输出至正弦波/方波转换电路(2507)完成波形转换后输出至4066A模拟开关(2511)的开关控制端；模拟开关(2503)输出端与风向测量电路(2508)的输入端相连；风向测量电路(2508)的输出端与第二级放大电路(2509)的输入端相连，第二级放大电路(2509)的输出端与第三级放大电路(2510)的输入端相连；第三级放大电路(2510)的输出端与4066A模拟开关(2511)的输入端相连，4066A模拟开关(2511)输出至有源低通滤波器(2512)输入端，有源低通滤波器(2512)输出至第四级放大电路(2513)输入端；第四级放大电路(2513)的输出端V1N与从微处理器(2514)的AIN0端相连；从微处理器(2514)通过其内的CAN总线控制端与CAN总线收发驱动器(2515)相连；从微处理器(2514)的相关I/O分别与第一模拟开关(2502)和第二模拟开关(2503)的通道选择控制端相连；CAN总线收发驱动器(2515)通过CANH和CANL端连至整个系统的CAN总线上。
3.按权利要求1所述的一种高速公路气象监测系统，其特征在于：
能见度测量模块(40)由发射器电路(41)、透射式接收器电路(42)、散射式接收器电路(43)、直角棱镜(44)组成；
发射器电路(41)由前后依次连接的方波振荡器(411)、达林顿驱动电路(412)和红外半导体激光管(413)组成；
透射式接收器电路(42)和散射式接收器电路(43)电路结构相同，均由前后依次连接的红外硅光二极管(421)、前置放大器(422)、反相放大器(423)、有源低通滤波器(424)、从微处理器(425)和CAN总线收发驱动器(426)组成。
4.按权利要求1所述的一种高速公路气象监测系统，其特征在于：
地表温度测量模块(60)由前后连接的能隙基准电源MC1403、分压电路、前置放大电路和第二级放大电路组成；其中的前置放大电路中设置有温度传感器；
温度传感器选用国产Pt100软衬底薄膜热敏电阻，与地表完全贴合。
5.按权利要求1所述的一种高速公路气象监测系统，其特征在于：
冰雪传感器模块(30)由承水器、PTC发热元件PTC1和PTC2、环境温度测量模块(10)、冰雪感应板、水量测量敏感元件、信号调理电路、从微处理器、时钟芯片(70)和CAN总线收发驱动器组成。在金属罐上端通过空芯支撑管水平倾斜固定角度后放置冰雪感应板，在不锈钢承水器及冰雪感应板下侧分别安装有PTC发热元件PTC1、PTC2，雨及融化的冰雪流入水量测量敏感元件，并经流水槽流出；在金属罐外侧安装有环境温度测量模块(10)用于对环境温度的测量；冰雪感应板、水量测量敏感元件经过各自的信号调理电路后分别与从微处理器的两路A/D转换输入端相连。
6.按权利要求1所述的一种高速公路气象监测系统的工作方式，其特征在于为休眠-激活工作方式：
在终端不要求获取气象信息的情况下，系统监测点除了环境温度测量模块工作外，其他各功能块均处于休眠状态，当控制终端在某一时刻通过终端GSM/GPRS远程通信模块发出请求获取气象信息的指令后，各气象监测点的主微处理器经GSM/GPRS通信模块获取并验证该指令，迅速激活各监测模块采集相关气象数据，并远程传送回控制终端。
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