一种基于无线传感器网络的路面状况检测仪的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种基于无线传感器网络的路面状况检测仪，包括控制模块、无线传输模块、车流量检测模块、能见度检测模块、积水与雪量检测模块、温湿度检测模块、风速检测模块、风向检测模块、盐度检测模块，所述无线传输模块、车流量检测模块、能见度检测模块、积水与雪量检测模块、温湿度检测模块、风速检测模块、风向检测模块、盐度检测模块分别与所述控制模块相连接。本实用新型路面状况检测仪具有微型化、低功耗、成本低的特点，稳定性非常高，同时又能实时将数据通过无线远距离传输给监控中心，让管理者做好相应预防措施。
【专利说明】一种基于无线传感器网络的路面状况检测仪
【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及一种基于无线传感器网络的路面状况检测仪，属于无线传感器网 络和气象测量领域。
【背景技术】
[0002] 目前，我国公路建设迅速发展，公路作为主要的运输渠道之一，安全快捷高效的运 输方式往往被人们所关注。由于道路状况不明所造成的交通事故频发，所以急需一种工作 有效、价格低廉的路面检测系统及时提供路面状况的各种信息给道路交通管理者和驾驶 员，以便做出恰当的预防措施。
[0003] 以往的路面气象监测往往功能单一或者数据传输不便，一般采用RS232/RS485串 行通讯，这种做法对远距离传输造成了限制。另外一种做法是将RS232/RS485转成光纤， 但光纤通讯具有受地形和气候影响较大，且施工成本较大、扩展性差、设备维护不方便等缺 点。要大规模设置路面气象站来检测路况还需考虑采购成本和运营成本，因此高效价廉的 仪器往往更受人们青睐。 实用新型内容
[0004] 本实用新型所要解决的技术问题是：提供一种微型化、低功耗、成本低的基于无线 传感器网络的路面状况检测仪。
[0005] 本实用新型为解决上述技术问题采用以下技术方案：
[0006] 一种基于无线传感器网络的路面状况检测仪，包括控制模块、数据采集模块以及 无线传输模块，所述数据采集模块、无线传输模块分别与所述控制模块连接；所述数据采集 模块包括以下模块中的至少一个：车流量检测模块、能见度检测模块、积水与雪量检测模 块、温湿度检测模块、风速检测模块、风向检测模块、盐度检测模块，所述车流量检测模块、 能见度检测模块、积水与雪量检测模块、温湿度检测模块、风速检测模块、风向检测模块、盐 度检测模块分别与所述控制模块相连接。
[0007] 优选的，所述无线传输模块为SM900无线芯片。
[0008] 优选的，所述车流量检测模块为地磁传感器。
[0009] 优选的，所述能见度检测模块为FD12P散射仪。
[0010] 优选的，所述积水与雪量检测模块为T/R40-16超声波传感器。
[0011] 优选的，所述温湿度检测模块为SHTlO传感器。
[0012] 优选的，所述风速检测模块为CS3144霍尔开关集成电路。
[0013] 优选的，所述风向检测模块为增量式光电编码器CHA3806。
[0014] 优选的，所述盐度检测模块为双脉冲检测电路。
[0015] 本实用新型采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
[0016] 1、本实用新型基于无线传感器网络的路面状况检测仪，可以有效地测量车流量、 能见度、温度、湿度、风速、风向、盐度，精度均能达到气象测量要求，稳定性高。
[0017] 2、本实用新型基于无线传感器网络的路面状况检测仪，能够通过无线传输模块将 数据实时准确的传输给监控中心。
[0018] 3、本实用新型基于无线传感器网络的路面状况检测仪，具有低功耗和低成本的优 势。
【专利附图】
【附图说明】
[0019] 图1是本实用新型基于无线传感器网络的路面状况检测仪的整体架构图。
[0020] 图2是由太阳能电池板和风力发电机构成的供电模块示意图。
[0021] 图3是地磁传感器检测安装示意图。
[0022] 图4是FD12P测量能见度光路图。
[0023] 图5是积水与雪量传感器检测流程框架图。
[0024] 图6是由SHTlO构成的温湿度检测电路图。
[0025] 图7是由CS3144霍尔开关集成电路构成的风速测量电路图。
[0026] 图8是由增压式光电编码器CHA3806构成的风向测量电路图。
[0027] 图9是双脉冲法检测盐度电路图。
[0028] 图10是数据采集和传输示意图。
【具体实施方式】
[0029] 下面详细描述本实用新型的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中 自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通 过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本实用新型，而不能解释为对本实用 新型的限制。
[0030] 如图1所示，为基于无线传感器网络的路面状况检测仪，包括供电模块、控制模 块、车流量检测模块、能见度检测模块、积水与雪量检测模块、温湿度检测模块、风速检测模 块、风向检测模块、盐度检测模块、无线传输模块，所述能见度检测模块、积水与雪量检测模 块、温湿度检测模块、风速检测模块、风向检测模块、盐度检测模块、无线传输模块、供电模 块分别与控制模块相连接。
[0031] 本实用新型路面状况检测仪的控制模块使用了STM32芯片，本实例中采用了 STM32F103RBT6增强型，是ST公司基于ARM最新Cortex-M3核的32位处理器产品，内 置128KB的Flash、20K的BRAM、12位的AD、4个16位定时器，时钟频率最高可达72MHz。 STM32F103RBT6多达9个通讯口，包括2个I2C接口、3个USART通讯接口、2个SPI接口、1 个CAN接口、1个USB全速接口。STM32F103XX大容量增强型系列微处理器可以工作于-40 度到+105度的温度范围内，工作电压为2.OV到3. 6V，具有睡眠、终止、待机三种低功耗模 式。
[0032] 如图2所示，本实用新型路面状况检测仪的供电模块采用了太阳能和风能互补发 电的方式来提供电能，供电模块由风力发电机、太阳能电池板、储蓄电池以及负载组成。当 今太阳能光伏供电技术已经比较成熟，在我国各地区有着广泛的应用，所以本实例采用了 太阳能电池板供电的方案，一方面可以使一些供电不便的地区得到充足的电力来源，同时 也减少了碳排放。但是太阳能电池板在夜晚和阴雨天无法提供电能，如遇到持续阴雨天气， 则储蓄电池储存的电量往往不够用。因此，采用风光结合的供电模块来持续有效的给整个 检测仪提供电量。光伏发电部分利用太阳能电池板的光伏效应将光能转换为电能，然后对 储蓄电池充电。风力发电部分是利用风力机将风能转换为机械能，通过风力发电机将机械 能转换为电能，再通过控制器对储蓄电池充电，两个供电系统正好可以很好地互补起来。 利用风能、太阳能的互补性，可以获得比较稳定和可靠的输出。
[0033] 如图3所示，本实用新型路面状况检测仪的车流量检测模块采用了地磁传感器， 地磁传感器主要通过检测磁场的变化和干扰来判断有无车辆通过。图示中，地磁传感器由 2个感应器和1个接收板组成，安装在高速公路上的地磁传感器的2个感应器之间间隔4m， 地磁传感器中使用了镍铁导磁合金薄膜电阻器，这种电阻器的磁化向量的设置与电阻纵向 方向平行。当有外部磁场加载在薄膜电阻上，磁化向量就会旋转角度，并改变阻值，从而改 变输出电压。利用地磁磁阻效应，就可以检测地磁场的变化。
[0034] 如图4所示，本实用新型路面状况检测仪的能见度检测模块采用了FD12P散射仪， 散射仪由于体积小和价格低廉更适合应用于道路监测上。FD12P散射仪是一种单光路前向 散射仪，前向散射仪广泛应用于航空、航海、高速公路、气象等部门的能见度测量领域。散射 仪测量来自一个小的采样体积的散射光强，通过散射光强来有效地计算消光系数。在图示 的光学结构图中，它以33°倾角测量散射光，在各种类型的自然雾中，此角度能够产生稳定 的响应。FD12P采用高能量GaAs红外LED作为光源，通过一闭环电路稳定和监测光源，接收 器采用灵敏的PIN来检测散射光，同时采用了锁定技术来减少杂散光对接收信号的影响， 周期性地测量漂移，使接收器的输出仅与散射光强成正比。能见度在出行时是一个重要指 标，影响着整个道路的行车速度，得到准确的能见度能使道路管理者和驾驶员对行车速度 做出合理的选择。
[0035] 如图5所示，本实用新型路面状况检测仪的积水与雪量检测模块采用的是T/ R40-16超声波传感器。超声波测距具有非接触式测量，超声波换能器安装在液面或雪面上 方，不与被测介质接触，测量方便、适应性强、使用范围广，不受介质密度、介电常数、导电性 能等不同的影响，对被测物的物理化学性质的适应性极强。图中，STM32的PA4端口给超声 波传感器提供40kHz脉冲信号的激励源以激励超声波传感器发射超声波。发送脉冲的同 时，启动定时器。声波在介质中传播，经液面或雪面反射形成反射回波，超声波接收传感器 接收反射回波并将其转化电信号，该电信号依次经过滤波放大、程控增益、包络检测、比例 微分和整形电路，向STM32发出中断请求，如果PB4端口接收到请求，则停止定时器，即计算 出信号传播的时间以求出液位或雪面的高度。如此反复测量十次，取其平均值，即可得到较 为精确的液位值或雪量。由于声波受温度的影响，所以需要在STM32的PA5端口加上温度 补偿来消除误差。道路上有积水或积雪时，本传感器可精确地测量出数值，来及时提醒驾驶 员注意道路安全。
[0036] 如图6所示，本实用新型路面状况检测仪的温湿度检测模块采用的是SHTlO传感 器，是一款含有已校准数字信号输出的高度集成数字式温湿度传感器，体积微小、功耗极 低，本器件具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。SHTlO传感器的湿度测量范围为0? 100%RH，湿度精确度为±4. 5%RH(20?80%RH)，湿度测量分辨率为0. 03%RH。温度测 量范围为-40?+123. 8°C，温度测量精度±0. 5 %，温度测量分辨率为0. 01 °C。图中，SHTlO 传感器的DATA、SCK分别与STM32的PA1、PA2相连接，VDD接-3. 3V，DATA还接电阻Rl的一 端，电阻Rl的另一端接-3. 3V以及电容Cl的一端，电容Cl的另一端接地，GND接地。
[0037] 如图7所示，本实用新型路面状况检测仪的风速检测模块采用的是CS3144霍尔开 关集成电路，其运用半导体集成电路技术制造磁场敏感电路，它输入的是磁场感应强度，输 出的是数字电压信号。图中，CS3144的VCC经电阻R2接-3. 3V，GND与电阻R3的一端以及 地相连，电阻R3的另一端接-3. 3V，OUT接LM393的3脚，LM393的2脚接滑动电阻R3的可 变电阻端，8脚经电阻R4接STM32的PC3,1脚接STM32的PC3,4脚经电容C2接STM32的 PC3,4脚还接地。由CS3144接收磁场强度输出数字信号再由LM393转化成为脉冲，最后传 送到STM32的PC3 口，小磁钢每次转过一圈，就会输出一个脉冲给单片机接收，利用STM32 计数，得每秒钟转的圈数，再转换成当前的风速。利用电压比较器LM393还可以起到调节霍 尔元件灵敏度的作用，调节电位器反向输入端的比较电压相应变化，比较电压变低时，输入 的数字信号很小也会输出脉冲，相应的灵敏度变高，反之则灵敏度变低。当风速过大时管理 者便可提醒驾驶员要注意道路有大风，慢速行驶。
[0038] 如图8所示，本实用新型路面状况检测仪的风向检测模块采用了增量式光电编码 器CHA3806进行风向的测量，其中，CHA3806的VCC接-3. 3V，G和VO接地，A接STM32的 PC4，B接STM32的PC5。增量式光电编码器一般输出A、B、Z三路脉冲信号，Z信号主要用于 同步或调零，A、B信号包含了被测对象的旋转方向、旋转速率等信息。它的机械构造简单， 机械平均寿命可在几万小时以上，抗干扰能力强，可靠性高，有600分辨率的编码盘，测量 范围在0?360°，满足测量要求。图中，光电编码器的输出A、B向脉冲接到STM32的PC4 和PC5端口，固定选择某一个光电编码器位置朝向北，每转过一个位置，A发出一个脉冲被 STM32的PC4 口接收，此时STM32会判别与PC5 口相连接B端口此时为高电平还是低电平。 如果B是高电平，则此时光电编码器为正转，计数加1 ;否则光电编码器反转，计数减1，计数 等于600时归零，同样的小于0的角度则从599开始减去，最终的计数值乘以0. 6,这样就测 算出了风向。为了直观的看出风向，按照风向表示法，以0°为正北，每隔22.5°为一类，分 别表示了不同的风向。
[0039] 如图9所示，本实用新型路面状况检测仪的盐度检测模块采用了双脉冲检测电 路，水的性质与溶液中含盐量的多少有关，盐水的冰点取决于盐水的浓度。冰点的检测可以 归结到盐度的检测，盐度检测完成后，可以根据检测到的盐度值，推测相应的冰点。图中，Sl 和S2是两个单片机控制的模拟开关，当单片机的输出为高电平时，开关闭合，电路导通。Q2 起跟随和整形作用。电路工作分两个步骤：1、Sl闭合，S2断开，电源VCC通过Ql的作用， 电极2端的电压值为VCC/2。Cp被迅速充电，池电流出现一尖峰。若脉冲持续时间远小于 Rx与Cx的乘积，则Cx上的电压Ec很小，并随时间呈线性增长。2、S2闭合，Sl断开，Cp又 迅速反向充电到新的电位，Cx开始放电。在第二个脉冲结束的瞬间，Cx已完全放电，由于两 个脉冲期间Cx上积累的电荷为0,故电导率测量瞬间电压为0,相当于短路，Cp上的电压己 稳定，没有电流流过，相当于断路。所以池电压全部降落在Rx上。这时电极1上的电压为 ν( " R1和vcc已知，由于STM32的PCO端口与内部ADC连接，经过采样和 z 〇 计算后，即可得到溶液的电导率。温度对溶液电导率测量影响很大，温度的这种影响可以在 电路中加入温度补偿来解决。
[0040] 本实用新型路面状况检测仪的无线传输模块采用的是SM900。SM900是SMCom 推出的一款新型无线模块，它属于四频GSM/GPRS模块。完全采用SMT封装形式，同时采用 了功能强大的ARM926EJ-S芯片处理器。SM900性能稳定，外观小巧，性价比高，能满足使 用者的多种需求。SM900和STM32之间的数据通信主要是通过端口RXD与UART2_TXD，TXD 与UART2_RXD之间的数据传输来完成。其中，SM900上的RXD口是用于接收STM32传来的 数据，最终数据通过SM900上的天线发送出去，TXD口是用于向STM32发送数据。
[0041] 本实用新型路面状况检测仪的工作过程如下：由单片机STM32所挂载的各个检测 模块先采集到各种路面气象数据，后经单片机STM32处理过后发送给无线传输模块，无线 传输模块再将数据传送给远端的监控中心，如图10所示，以便相关人员及时的了解路面信 息状况，为保证安全出行做出预判和预防措施。本实用新型的路面状况检测仪具有模块化、 低功耗、成本低、稳定性高等特点，能够实时有效地对路面的一些状况进行测量，同时又具 有远距离无线传输的功能，非常适合公路上的气象状况的检测，因此具有很强的实用性。
[0042] 以上实施例仅为说明本实用新型的技术思想，不能以此限定本实用新型的保护范 围，凡是按照本实用新型提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本实 用新型保护范围之内。
【权利要求】
1. 一种基于无线传感器网络的路面状况检测仪，其特征在于：包括控制模块、数据采 集模块以及无线传输模块，所述数据采集模块、无线传输模块分别与所述控制模块连接；所 述数据采集模块包括以下模块中的至少一个：车流量检测模块、能见度检测模块、积水与雪 量检测模块、温湿度检测模块、风速检测模块、风向检测模块、盐度检测模块，所述车流量检 测模块、能见度检测模块、积水与雪量检测模块、温湿度检测模块、风速检测模块、风向检测 模块、盐度检测模块分别与所述控制模块相连接。
2. 如权利要求1所述基于无线传感器网络的路面状况检测仪，其特征在于：所述无线 传输模块为SM900无线芯片。
3. 如权利要求1所述基于无线传感器网络的路面状况检测仪，其特征在于：所述车流 量检测模块为地磁传感器。
4. 如权利要求1所述基于无线传感器网络的路面状况检测仪，其特征在于：所述能见 度检测模块为FD12P散射仪。
5. 如权利要求1所述基于无线传感器网络的路面状况检测仪，其特征在于：所述积水 与雪量检测模块为T/R40-16超声波传感器。
6. 如权利要求1所述基于无线传感器网络的路面状况检测仪，其特征在于：所述温湿 度检测模块为SHT10传感器。
7. 如权利要求1所述基于无线传感器网络的路面状况检测仪，其特征在于：所述风速 检测模块为CS3144霍尔开关集成电路。
8. 如权利要求1所述基于无线传感器网络的路面状况检测仪，其特征在于：所述风向 检测模块为增量式光电编码器CHA3806。
9. 如权利要求1所述基于无线传感器网络的路面状况检测仪，其特征在于：所述盐度 检测模块为双脉冲检测电路。
【文档编号】G01D21/02GK204255400SQ201420663928
【公开日】2015年4月8日 申请日期:2014年11月10日 优先权日:2014年11月10日
【发明者】冒晓莉, 刘毅, 张加宏, 张仙玲, 葛益娴 申请人:南京信息工程大学