引 言

隨著我國(guó)公路特別是高速公路里程數(shù)的增加及居民自駕出行的日益普及，因雨霧等惡劣天氣而造成的交通事故日益增多，特別是在出現(xiàn)突發(fā)團(tuán)霧的情況下更是給高速交通帶來(lái)很大的安全隱患，惡性交通事故時(shí)有發(fā)生，雨霧天氣的突發(fā)性及預(yù)警發(fā)布的不及時(shí)給國(guó)家和人民生命財(cái)產(chǎn)帶來(lái)了重大損失。

本文提出一種無(wú)線雨霧報(bào)警系統(tǒng) [1,2]，將太陽(yáng)能供電與無(wú)線通信技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計(jì)開發(fā)一種新型的雨霧報(bào)警系統(tǒng)，一方面能完成雨量及霾顆粒物的測(cè)量，另一方面通過(guò)無(wú)線傳輸?shù)姆绞綄⑿畔鬏斨翀?bào)警平臺(tái)，進(jìn)行實(shí)時(shí)推送播報(bào)，報(bào)警平臺(tái)既可以固定安裝，也可以安裝在警用車輛上，突出其實(shí)時(shí)性與機(jī)動(dòng)性的特點(diǎn)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

基于無(wú)線通信模塊的雨霧報(bào)警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖 1 所示。太陽(yáng)能供電模塊主要為前端采集節(jié)點(diǎn)提供電能，模塊中光伏太陽(yáng)能板實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換，并為 9 伏蓄電池供電，電能經(jīng)過(guò)變壓后為采集節(jié)點(diǎn)處理器及無(wú)線發(fā)送模塊提供電能。傳感器模塊主要由雨量傳感器[3] 及霾顆粒物傳感器[4] 組成，以完成對(duì)這些參數(shù)的數(shù)據(jù)采集。前端處理器采集到相關(guān)傳感數(shù)據(jù)后進(jìn)行分析，當(dāng)所處理的信息超出警戒值時(shí)，通過(guò)無(wú)線發(fā)送模塊發(fā)送至無(wú)線接收模塊，由控制器控制進(jìn)行語(yǔ)音預(yù)警，并通過(guò)LCD 顯示模塊顯示警示信息。

圖1 雨霧報(bào)警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 控制芯片與模塊選擇

2.1 MSP430F149單片機(jī)

本系統(tǒng)采用MSP430F149 作為系統(tǒng)控制芯片[5]，該芯片為一個(gè) 16 位的超低功耗微控制器，具有低電壓、超低功耗的功能，工作電壓為 3.6 V~1.8 V。具有 12 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，內(nèi)部參考電壓源，并且具有采樣、保持、自動(dòng)掃描等功能，可以得到很高的精度，省去了使用專門的模數(shù)轉(zhuǎn)換器給設(shè)計(jì)電路板帶來(lái)的麻煩，對(duì)采集的傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

2.2 傳感器模塊組

2.2.1 YL_83雨量傳感器

該模塊電源電壓為 5 V，支持 TTL 電平輸出，TTL 輸出有效信號(hào)為低電平，驅(qū)動(dòng)能力100 mA 左右。模塊上裝有電位器，靈敏度可通過(guò)電位器調(diào)節(jié) 。沒有雨時(shí)LED 點(diǎn)亮，輸出為高電平，雨滴上去，則輸出低電平，LED 亮。雨滴板和控制板是分開的，方便將線引出。模塊支持AO 模擬輸出，可以連接單片機(jī)的AD 口檢測(cè)滴在上面的雨量大小，也可以測(cè)量液面高度。大面積雨滴檢測(cè)板大小為 5.4 mm×4.0 mm，可以方便地嵌入到外部集雨裝置中。

2.2.2 GP2Y1010AU0F霧霾檢測(cè)模塊

該 霧 霾 檢 測(cè) 模 塊 采 用 Sharp 光 學(xué) 灰 塵 傳 感 器（GP2Y1010AU0F），用于檢測(cè)直徑大于 0.8 μm 的灰塵顆粒濃度，如霧霾（平均直徑大約在 1 ～2μm 左右）；輸出電壓以模擬量的形式輸出，可以接入單片機(jī)采集端的AD 輸入端口，電壓大小與灰塵濃度呈線性關(guān)系。內(nèi)置升壓電路，工作電壓范圍為 2.5 V ～5.5 V。

霾傳感器模塊示意圖如圖 2 所示。

該霾傳感器模塊可根據(jù)空氣中微型顆粒的大小和數(shù)量對(duì)兩個(gè)LED 燈反射光的影響，然后根據(jù)反射光強(qiáng)度的大小判斷空氣中的空氣質(zhì)量。

2.3 nRF905無(wú)線傳輸模塊

nRF905 采 用 Nordic 公 司 的 VLSI ShockBurst 技 術(shù)。ShockBurst 技術(shù)使nRF905 能夠提供高速的數(shù)據(jù)傳輸，而不需要昂貴的高速 MCU 來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，通過(guò)將與RF 協(xié)議有關(guān)的高速信號(hào)處理放到芯片內(nèi)，nRF905 提供給微控制器一個(gè)SPI 接口，速率由微控制器自己設(shè)定的接口速度決定，無(wú)線發(fā)送模塊接口示意圖如圖 3 所示。

nRF905 無(wú)線模塊發(fā)射時(shí)相關(guān)引腳的電平變化見表 1。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件主要分為前端采集節(jié)點(diǎn)子系統(tǒng)與后端報(bào)警顯示子系統(tǒng)兩部分。由于后端報(bào)警顯示子系統(tǒng)流程比較簡(jiǎn)單，因此這里不做分析。前端節(jié)點(diǎn)主要完成傳感器的數(shù)據(jù)采集、判斷及信息發(fā)送，具體的軟件流程圖如圖 4 所示。

4 結(jié) 語(yǔ)

在系統(tǒng)樣機(jī)測(cè)試中，各部分工作正常且很好地完成了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的各項(xiàng)任務(wù)，系統(tǒng)各個(gè)模塊均采用低功耗芯片，滿足了前端采集節(jié)點(diǎn)太陽(yáng)能供電的低功耗要求。太陽(yáng)能供電模塊及無(wú)線傳輸模塊的使用使該系統(tǒng)在選擇安裝地點(diǎn)的方便性及機(jī)動(dòng)性大大提高，應(yīng)用前景廣闊。