基于无线传感器网络的高速公路团雾实时监测系统研究与设计报告本科论文.docx

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基于无线传感器网络的高速公路团雾实时监测系统研究与设计报告本科论文

HHEFEIUNIVERSITY

第六届“挑战杯”

全国大学生课外学术科技作品竞赛研究与设计报告

作品名称：

基于无线传感器网络的高速公路

团雾实时监测系统研究与设计

学校全称：

合肥学院

申报者姓名:

申报团队:

目录

摘要III

1引言1

1.1系统设计目的1

1.2系统设计背景1

1.2.1国外现状1

1.2.2国内现状2

1.2.3总结2

2系统总体方案设计3

2.1系统实现功能3

2.2系统体系结构3

3系统硬件设计5

3.1硬件总体结构设计5

3.2检测节点处理器芯片选择5

3.3路由节点处理器芯片选择6

3.4协调器节点处理器芯片选型6

3.5系统硬件总体结构7

3.6CC2530最小系统设计7

3.6红外发射/接收电路设计8

3.7ZigBee无线通信模块11

3.8液晶显示模块12

4系统软件设计12

4.1软件开发平台12

4.2ZigBee2007协议栈介绍12

4.3协调器节点程序设计12

4.4路由节点程序设计13

4.5检测节点程序设计14

4.6红外发射/接收模块驱动程序15

5系统的特色和创新16

6作品的实际意义16

7结束语16

参考文献18

附件20

基于无线传感器网络的高速公路团雾实时

监测系统研究与设计

摘要

近年来,我国的高速公路建设不断发展,交通事故率也随之不断上升,对高速公路行车安全提出了严峻的考验。

团雾是受局部地区微气候环境的影响，在几十到上百米的范围内出现的雾气更浓，能见度更低的雾。

由于团雾与局部小气候环境关系密切，而高速公路路面白天温度较高，昼夜温差大，更促使团雾形成，所以高速公路是团雾的高发地段。

团雾预测预报难、区域性很强，车辆难以提前得到通知或预警，常常酿成重大交通事故。

基于以上原因，我们设计了一套“基于无线传感器网络的高速公路团雾实时监测系统”,实时监测高速公路沿线的能见度,并及时作出警示,以减少或避免高速公路交通事故的发生。

文中首先对红外测雾进行了可行性分析,并对数据传输所要用到的ZigBee无线通信技术作了简要介绍。

然后根据系统的需求,提出了总体设计方案,并在此基础上完成了具体的硬件和软件设计。

整个过程都遵循模块化的设计思想,以利于系统的前期设计和后期维护。

本系统主要由协调器设备、路由设备和检测设备三种类型的节点组成,通过ZigBee进行信息传输。

设计中采用了ATmega128和CC2530两种类型的处理器,主要涉及到的模块有:

核心控制模块、电源模块、数据釆集模块、通信模块以及液晶显示模块。

硬件设计方面,主要完成了芯片选型和电路设计等工作;软件设计方面,主要完成了模块的驱动程序和相关应用程序的开发以及系统监控终端的开发等工作。

另外,本设计针对系统的低功耗做了一定的工作,以应对实际应用场合电能供应不足的问题。

最终的联机调试结果表明系统已初步实现了所要求的各项功能。

关键词：

高速公路；团雾检测；红外测雾；ZigBee

Abstract:

Inrecentyears,theconstructionofExpresswayinourcountrydevelopment,trafficaccidentratehasbeenrising,hasputforwardtheseveretestofthehighwaytrafficsafety.Themistisaffectedbylocalareamicroclimaticeffects,inthetenstohundredsofmetresappearedrangewithinthefogdenser,lowerfogvisibility.Duetotherelationshipbetweenthemistandthelocalmicroclimateenvironmentclosely,andhighwaypavementdaytimetemperatureishigher,thetemperaturedifferencebetweendayandnight,alsopromptedthemistform,sothefreewayismistinhighincidencearea.Fogforecasthard,verystrongregional,thevehicledifficulttoreceiveadvancenoticeorwarning,oftenleadtoserioustrafficaccident.Basedontheabovereasons,wedesignasetof"realtimemonitoringsystemofwirelesssensornetwork"expresswayfogbasedonreal-timemonitoringofexpressway,visibility,andtimelywarning,toreduceoravoidtheoccurrenceoftrafficaccidentsonexpressway.Firstly,analysesthefeasibilityofinfraredmeasurementoffog,andthedatatransmissiontotheZigBeewirelesscommunicationtechnologyusedarebrieflyintroduced.Thenaccordingtothedemandofthesystem,andputsforwardtheoveralldesignscheme,andonthisbasis,completedthedesignofspecifichardwareandsoftware.Thedesignthoughtofthewholeprocessfollowsamodulardesignandlater,forthemaintenanceofthesystem.

Thesystemmainlyconsistsofanodecoordinatordevice,routingequipmentandtestingequipmentthreetypesofcomposition,thetransmissionofinformationthroughZigBee.DesignoftheuseofATmega128andCC2530twotypesofprocessors,mainlyrelatedtothemodulesare:

thecorecontrolmodule,powermodule,dataacquisitionmodule,communicationmoduleandliquidcrystaldisplaymodule.Thehardwaredesign,mainlycompletesthechipselectionandcircuitdesign;softwaredesign,mainlycompletesthedevelopmentmoduleofthedriverandtherelatedapplicationandsystemdevelopmentwork.Inaddition,lowpowerthedesignforthesystemtodosomework,inordertodealwiththepracticalapplicationsofelectricenergysupplyshortage.Thefinaldebuggingresultsshowthatthesystemhasrealizedthefunctionsrequired.

Keywords:

Expressway;Fogdetection;Infraredmeasurementoffog;ZigBee

1引言

1.1系统设计目的

伴随着高速公路的快速发展,交通事故的发生率和死亡率也在不断上升,给人民的生命和财产安全造成了巨大的损失。

根据有关资料,自1994年以来,我国有30%以上的交通事故发生在高速公路上,并且呈明显的上升趋势。

其中,居于首位的就是大雾造成的重特大交通事故,占高速公路事故总数的15%~25%,在一些大雾多发地段,事故比例达到了惊人的40%。

高速公路由于环境特殊,较易产生团雾,而团雾的产生和消失过程很快,在预测方面难以掌握,单靠人工观测很难及时发现雾况。

因此,建立一套完整的雾况监测报警系统,全天候实时监测道路的能见度状况,有着极其重要的经济和社会效益,当大雾天气尤其是团雾出现时,能够及时作出预警,最大限度减少低能见度天气引发的交通事故,保障高速公路行车安全。

基于以上原因，我们设计了这套“基于无线传感器网络的高速公路团雾实时监测系统”,实时监测高速公路沿线的能见度,并及时作出警示,以减少或避免高速公路交通事故的发生，本设计将会具有非常重要的价值。

1.2系统设计背景

1.2.1国外现状

国外发达国家针对高速公路安全进行了大量研究,他们将能见度检测器、高架摄像机和可变情报板布置在高速公路上,全天候监控交通状况。

一旦检测到异常,立即通过监控系统和广播电台将信息告知交通管理部门和驾驶员,提醒其注意并采取相应的控制措施,主要的能见度检测设备有芬兰Vaisala公司的FD12型、德国Impulsphysik公司的FSM型和美国Belfort公司的CATN06113型等。

美国联邦道路管理局针对各种气象条件下的行车情况,提出了相应的管理计划,并制定了一系列的控制措施来保障雾区高速公路的安全,有力地推动了各个州的雾天行车措施的发展和应用。

例如,田纳西州使用能见度检测设备和车辆限速策略建立了低能见度预警系统;华盛顿州通过车辆行驶环境传感器采集环境信息,从而制定相应的控制管理策略等。

这个计划由强大的天气信息系统做保障,确保用户能够获得可靠、安全的道路条件和优良的行驶策略。

意大利交管部门与相关研究中心合作,推出了一项用于降低雾天危害的“智能公路”计划。

当高速公路上出现雾况时,系统的高压钠灯以一定的频率闪烁,提高能见度,减小驾驶员的心理压力。

另外,系统配备的激光、雷达和自动驾驶仪等设备为雾区中的驾驶员提供了一种安全的驾驶环境。

在日本,除了使用能见度监测设备及交通管理措施来保障高速公路安全以外,还采用了“慢车警告”的手段。

该方法通过在路旁设置可变情报板来提醒驾驶员前方路况,避免因反应不及时而发生交通事故。

根据使用前后的效果,发现该措施能够有效地降低交通事故率。

1.2.2国内现状

与发达国家相比,我国在雾天交通安全方面的研究起步较晚,但目前己有多项先进技术使用于高速公路上,然而这些检测设备大多从国外进口,性价比不高,维护困难。

另外,由于设备的使用和管理不当,其并未发挥预期的效果。

所以,目前我国在雾