基于Cerebot 32MX4 Board的高速公路能见度预警系统设计

一、设计摘要：

大气中包含空气分子、凝结核、烟尘、雾以及雪花等降水粒子单元，这些大大小小的粒子包括水或雾等对阳光与天气的散射是决定大气透明度最重要的因素。所谓大气散射是入射的光波遇到大气里大小不等的粒子，这些粒子将入射光波的一部分“拦截”下来，使这些光波改变方向并以粒子为核心按一定的规律向四周发射出去，其结果显然是使原来入射方向的光强减弱。沿水平方向观察远处目标物时，将受到太阳的直射光，天空云层以及地面的漫射光影响，它们被大气层的气溶胶粒子散射，使观察者感到大气中好象是有一层遮幕，降低了目标物和背静间的对比，从而减少了观察者能看见目标物的距离。这就使我们能够观测到物体的视距出现了远和近的变化，从而形成了能见度。

 

能见度的概念最早来源于气象部门，所以在没有特殊说明的情况下，通常所称的能见度就是指气象能见度。能见度通常是视力正常的人在白天无云的天空背景下能够辨认出一个视角为0.50~5。的黑色目标物体轮廓和形体的最大距离。在夜间则是在黑色背景下能够辨认出一定强度的灯光的最大距离。从上述定义可以知道能见度取决于人眼的生理特性，目标物和背景的光学性质，以及人与目标物间的大气的物理性质。

 

在我国高速公路在促进国民经济快速发展的同时，不断攀升的高速公路交通事故发生率和死亡率也给经济的高速发展、社会的持续稳定和人民的生命财产安全带来了诸多的不利影响。高速公路本以高速、便捷、高容量及高安全性著称，一般发达国家的高速公路的交通事故总数和死亡率只有普通公路的1/3到1/2。但在我国由于高速公路由于发展较晚，相关安全和预警措施不完善等原因，致使我国高速公路的交通事故的发生率比普通公路高2到3倍。据公安部网站消息，2008年，全国共发生交通事故265204起，造成73484人死亡、304919人受伤，直接财产损失10.1亿元。据统计，在所有高速公路的交通事故中，因雨雾等恶劣天气影响造成的交通事故就占1/4左右，雾天高速公路地事故率时平常地10倍。就是说低能见度环境是造成高速公路交通事故的一个非常重要的因素。因此，对高速公路沿线的天气尤其是能见度情况进行全程全天候的实时监控，随时预警低能见度特别是随机雾团、瞬时雨雪、沙尘等短时低能见度天气，对交通运输有着非常重要的意义。

 

本系统利用光的折射原理，发射近红外光并接收其在环境中的折射光，对比前后两次的光能量的大小来得出能见度。该设备结合近红外光发生设备，多种传感器，语音及LCD显示设备，主要处理控制部分应用Microchip公司生产的高性能MIPS核MCU--PIC32MX460F512L开发板Cerebot 32MX4 Board作为主控板，AD采样芯片完成数模信号的转换，并运用无线传输模块传递数据，可实现远距离对系统的控制。

 

本系统的设计是对当前高速公路交通问题的一大改进，目的是研究并设计一种具有成本较低，适于大规模生产，有广阔的市场前景的高速公路能见度预警系统。

 

二、系统原理和创新设计：

系统应用Microchip公司提供的80 MHz 32位MIPS处理器，以及丰富的外围设备，如：16通道，10位，500ksps A/D变频器，完成电信号的分析，滤波，提取等处理工作，得出能见度的大小，并控制语音芯片进行语音提示，驱动LCD进行显示，且将处理结果通过无线模块传输给终端主机做记录处理，到达实时能见度检测的效果。

 

整个设备主要有近红外光发射端、接收端、无线传输模块、电源模块、MIPS处理器控制模块五部分组成，下面分别对各部分的设计进行详细介绍：

1. 近红外光发射端设计

为了使近红外光正常发射，避免受到雾气、雨雪对端口的影响（如：浸湿透镜，结冰霜等）需要对发射端处进行实时的温度监控，并需安装加热装置对其进行温度调节，去除水汽。在此我们采用单线数字温度计DS18B20来实时采集发射端口处温度，降低成本我们采用电阻式加热器调控温度。

 

DS18B20 单总线数字温度计特性如下：

(1) 可用数据线供电，电压范围：3.0~5.5V；

(2) 测温范围：-55~+125℃，在-10~+85℃时精度为±0.5℃；

(3) 可编程的分辨率为9~12位，对应的可分辨温度分别为0.5℃、0.25℃、0.125℃和0.0625℃；

(4) 12位分辨率时最多在750ms内把温度值转换为数字；

(5) 负压特性：电源极性接反时，温度计不会发热烧毁，但不能正常工作。

 

光源的选择要求有多方面优势：发光功率大、使用寿命长、发光效率高、稳定性好、光谱分布范围窄、发光面积小等特点，综合各方面的考虑，我们选择了 GT-P03IR4101 型近红外发光二极管作为光源。具体参数如下：

 

 

2. 近红外光接收端设计

接收端主要由光电转换、增益控制、温度检测、A/D采样等部分组成，为提高系统的抗干扰性消除环境光的影响，在透镜之前加上一块通带中心波长与发射器发出红外光中心波长相同的窄带红外滤镜。各部分暂定设备如下：

 

 

光电转换部分采用常用的 BPW76 型硅光电三极管，其灵敏度高，达到设计要求。用单芯片光电转换放大器 OPT10对转换后的电信号进行放大处理；在最终进行AD采样前，先进行硬件滤波，去除系统可能引进的50Hz工频干扰。温度采集和控制采用跟接收端相同的设备。

 

3. 无线传输模块

该模块采用上海Digilent公司的PmodRF1无线电收发器，它能够有选择的在以下区域内进行配置操作：北美ISM频段的902MHz到928MHz、欧洲SRD频段的863MHz到870MHz或中国WPAN频段的779MHz到787MHz。这样可以确保来自世界各地的用户，放心安全的将其应用于无线通信的项目中。 该PmodRF1集成了Atmel AT86RF212，一个功耗低、范围广的无线电收发器。且附带一个6英寸12针下载线，一个6英寸双6针下载线，一个12针接口和两个6针接口，方便接入。其具有独立收发器在6公里范围内的通信能力，方便将处理好的数据结果传输给远程终端主机进行进一步的分析和控制。

 

4、电源模块

为节约能源，达到重复利用，采用鹏辉9V锂离子电池350mAh 9V锂充电电池，并用稳压芯片ASM1117-3.3和ASM1117-5.0获得3.3V和5.0V的电压，分别给系统中的数字模块和模拟电路供电。

 

 

5、MIPS处理器控制模块

此模块运用Cerebot 32MX4 Board开发板，完成对接收端信号的滤波，发送与接收光能量的计算。

 

由于在环境关线和白天太阳光中都存在强烈的近红外光，极易淹没光电管发射的测试近红外光有用信号，为了从中提取微弱的折射信号计算接收的光能量，我们采用双相位锁相的方法实现，其具体原理如下图所示：

 

被测信号 Asin(ωt+θ1)分别和两个与有用信号频率相同且正交的参考信号sin(ωt+θ2)、sin(ωt+θ2-π/2)相乘，相乘后的信号分别通过两个数字低通滤波器滤出高频分量，得到两个反相的直流分量 Acos(θ1-θ2)/2  、Asin(θ1-2)/2，然后通过运算得到有用信号的幅度和相位：

 

幅度A=          

相位=

 

从上式的幅度相位我们便可以得出相对于发射端的近红外光，接收端的红外光的能量衰减多少，对比得出能见度的大小。

 

其中参考信号由C语言查找表方式产生，低通滤波器（LPF）则采用有限长数字滤波器（FIR），亦采用C语言实现，其滤波参数可有Matlab设计得出。

 

三、总系统框图：

本设计以Cerebot 32MX4 Board开发板完成核心算法和系统控制，整体系统框图如下所示：

 

 

以下是系统实物装置设计图，综合考虑此能见度的应用环境因素以及实际安装，以满足高速公路能见度预警要求。

 

 

能见度测量仪的整体框图如上图所示。它主要由发射端、接收端和信号控制处理器组成。发射端和接收端被分别安装在1m长的横梁两端并保持水平，为了保持散射角为33°、防止太阳光的直射以及雨水的侵蚀，安装时使发射端和接收端都与水平横梁成16.5°角。工作时，由发射端发出一束频率较低的光脉冲，发射光经过大气的散射后，由安装在散射角为33°方向上的接收端接收，在通过自动增益控制电路将信号放大到适当倍数，然后通过A/D转换芯片将其转换为数字信号，并有信号控制处理器通过相关检测手段在得到的数字信号中将散射信号检测出来，最后通过前向散射法能见度测量的理论公式计算得到相应的气象能见度。

 

由于散射信号先对入射光强度十分微弱，要准确测量散射光的强度就要对系统各个部分提出严格的要求：

 

◆ 发射端：保证所发射红外脉冲强度的稳定和脉冲频率的单一性。

◆接收端：保证自动增益电路的稳定、快速运行，即保证在散射光的强度变化时快速调节放大倍数，使A/D芯片得到的信号强度始终在一个合适范围内。

◆信号控制处理器：保证强噪声背景下准确检测到散射信号。

◆透镜：保证发射端和接收端的聚光透镜上没有结霜结冰，保证实时检测镜头污染情况并对其作出处理。

◆系统：保证系统工作在一个相当恒定的温度下。

四、软件流程图

首先系统启动后进行初始化，然后判断系统是否已经开始进行检测，没有开始则继续等待，开始则进行两项操作：1、发射端发送红外光，红外光通过散射由接收端接收到后进行光电转换并采集，经过软件的滤波与算法处理后，将能见度数据一方面通过射频模块传给终端控制台，另一方面对司机进行语音提示。2、温度传感器采集数据，判断温度是否低于标准，若低于标准温度则进行调节，同时将温度显示在LCD显示器上，若高于标准温度则只进行显示。