公路隧道口冰雪检测与报警装置的制作方法

本实用新型涉及自动检测报警设备，尤其是涉及一种公路隧道口冰雪检测与报警装置。

背景技术：

公路隧道口结冰给交通带来了极大的安全隐患，造成不必要的经济损失和人员伤亡。

我国是个多山的国家，许多公路都存在有隧道，而隧道口因为与大地热量相连，其温度冬暖夏凉，当外界的冷空气与洞口的热空气对流时，热空气会凝结成水，在寒冷的天气情况下容易结冰；其次，由于我国近几年气候多变，即使是相隔一座山，山的两边的天气也有所差异，即：在同一座山的一个公路隧道，隧道的入口路况很好，但是在隧道的出口处早已结冰。当司机在未知隧道口已结冰的情况下将车辆驶入隧道和驶出隧道时，极易造成建通事故。

现有技术中，司机在进出隧道口时都会采取减速的方式进出隧道口，以预防交通安全事故的发生，但是一些司机麻痹大意，即使减速也仍然以很高的速度通过隧道，而且司机很难发现隧道口已经结冰，当发现隧道口已经结冰时，为时已晚，再加上隧道口的黑洞效应，更容易造成车辆追尾、侧翻等交通事故。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种公路隧道口冰雪检测与报警装置，采用电容式结冰传感器、温度传感器、湿度传感器复合而成的冰雪传感器来检测隧道口结冰情况；采用ZigBee无线通信将隧道口结冰信息发送给即将驶入隧道和驶出隧道的司机；当隧道口存在冰雪时，语音报警器能实时为司机提供隧道口结冰的信息。能让司机在进入隧道和出隧道之前就知道隧道口结冰情况，让司机提前做好防范措施，安全通过隧道口，降低交通安全事故。

本实用新型的目的是这样实现的：

一种公路隧道口冰雪检测与报警装置，特征是：包括第一ZigBee检测节点、第二ZigBee检测节点、第三ZigBee检测节点、第四ZigBee检测节点、第五ZigBee检测节点、第六ZigBee检测节点、ZigBee协调器、语音报警器；

第一ZigBee检测节点安装在进隧道口左边路缘石下方，第二ZigBee检测节点安装在进隧道口的纵向中心线上，第三ZigBee检测节点安装在进隧道口右边路缘石下方，第一ZigBee检测节点、第二ZigBee检测节点、第三ZigBee检测节点的检测面与路面平齐，且在隧道口的横向上水平放置，用于检测隧道入口的路面结冰情况，并将检测到的结冰信息发送给ZigBee协调器；第四ZigBee检测节点安装在出隧道口右边路缘石下方，第五ZigBee检测节点安装在出隧道口的纵向中心线上，第六ZigBee检测节点安装在出隧道口左边路缘石下方，第四ZigBee检测节点、第五ZigBee检测节点、第六ZigBee检测节点的检测面与路面平齐，且在隧道口的横向上水平放置，用于检测隧道出口的路面结冰情况，并将检测到的结冰信息发送给ZigBee协调器；ZigBee协调器和语音报警器安装在汽车驾驶内仪表板上的杂物箱内，ZigBee协调器用于接收ZigBee检测节点发送来的数据，只要六个ZigBee检测节点中的任何一个ZigBee检测节点检测到隧道口结冰，语音报警器即为司机提供隧道口结冰的信息（前方XX米隧道口已结冰，请减速慢行）。

ZigBee检测节点由冰雪传感器、控制电路板、ZigBee网络终端节点组成，冰雪传感器检测隧道出入口是否存在冰雪；控制电路板采用单片机（STC89C52RC）作为主控芯片，用于处理冰雪传感器检测到的数据，将数据发送给ZigBee网络终端节点，再由ZigBee网络终端节点将单片机传送过来的数据发送给ZigBee协调器。

冰雪传感器由电容式结冰传感器、金属防护网、温度传感器、塑料盒、光缆线、湿度传感器组成，电容式结冰传感器由第一不锈钢圆角矩形金属环、第二不锈钢圆角矩形金属环、第三不锈钢圆角矩形金属环、第四不锈钢圆角矩形金属环、第五不锈钢圆角矩形金属环、文氏桥振荡电路板组成，其中第一不锈钢圆角矩形金属环、第三不锈钢圆角矩形金属环、第五不锈钢圆角矩形金属环构成电容式结冰传感器的检测部位的正极，第二不锈钢圆角矩形金属环和第四不锈钢圆角矩形金属环构成电容式结冰传感器的检测部位的负极，由于空气、蒸馏水、冰、雪的相对介电常数不同（空气：1.0006，蒸馏水：81，冰：3-4，雪：1-2），根据电容式结冰传感器的检测部位的正负极之间落入的物质的电介质不同，来判断电容式结冰传感器是否检测到了冰雪，通过文氏桥振荡电路板上的电路自激振荡产生正弦波输出电压，来计算电容式结冰传感器的电容值，以确定是否检测到冰雪；金属防护网覆盖在塑料盒上，用以防止其他杂物落入电容式结冰传感器的电极之间；温度传感器采用电阻温度检测器，用于检测隧道出入口的温度并判断是否达到结冰的温度，湿度传感器采用电容式湿度传感器，用于检测隧道出入口的湿度，并判断结冰的外界湿度条件；光缆线用来将电容式结冰传感器、温度传感器、湿度传感器采集到的信息传输给控制电路板；将电容式结冰传感器、温度传感器、湿度传感器装入塑料盒里，且检测面与塑料盒顶部平齐；只有当电容式结冰传感器检测到了冰雪、温度传感器检测到的隧道出入口的温度达到结冰的临界状态、湿度传感器检测到的隧道出入口的湿度达到预设值时，单片机才判断隧道出入口结冰。

本实用新型由包括第一ZigBee检测节点、第二ZigBee检测节点、第三ZigBee检测节点、第四ZigBee检测节点、第五ZigBee检测节点、第六ZigBee检测节点、ZigBee协调器、语音报警器组成。ZigBee检测节点将隧道口结冰情况发送给即将驶入隧道和驶出隧道的司机；当隧道口存在冰雪时，语音报警器能实时为司机提供隧道口结冰的信息。能让司机在进入隧道和出隧道之前就知道隧道口结冰情况，让司机提前做好防范措施，安全通过隧道口，降低交通安全事故。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图。

图2为本实用新型的检测节点结构示意图。

图3为本实用新型的冰雪传感器的结构示意图。

图4为本实用新型的电容式结冰传感器的结构示意图。

图5为本实用新型的电容式结冰传感器的文氏桥振荡电路图。

图6为本实用新型的电容式结冰传感器的放大、滤波电路图。

图7为本实用新型的冰雪传感器的温度传感器的放大电路图。

图8为本实用新型的冰雪传感器的湿度传感器的放大电路图。

图9为本实用新型的冰雪传感器的模数转换、数据处理电路图。

具体实施方式

下面结合实施例并对照附图对本实用新型作进一步详细说明。

一种公路隧道口冰雪检测与报警装置，包括第一ZigBee检测节点1、第二ZigBee检测节点2、第三ZigBee检测节点3、第四ZigBee检测节点4、第五ZigBee检测节点5、第六ZigBee检测节点6、ZigBee协调器7、语音报警器8；

第一ZigBee检测节点1安装在进隧道口左边路缘石下方，第二ZigBee检测节点2安装在进隧道口的纵向中心线上，第三ZigBee检测节点3安装在进隧道口右边路缘石下方，第一ZigBee检测节点1、第二ZigBee检测节点2、第三ZigBee检测节点3的检测面与路面平齐，且在隧道口的横向上水平放置，用于检测隧道入口的路面结冰情况，并将检测到的结冰信息发送给ZigBee协调器7；第四ZigBee检测节点4安装在出隧道口右边路缘石下方，第五ZigBee检测节点5安装在出隧道口的纵向中心线上，第六ZigBee检测节点6安装在出隧道口左边路缘石下方，第四ZigBee检测节点4、第五ZigBee检测节点5、第六ZigBee检测节点6的检测面与路面平齐，且在隧道口的横向上水平放置，用于检测隧道出口的路面结冰情况，并将检测到的结冰信息发送给ZigBee协调器7；ZigBee协调器7和语音报警器8安装在汽车驾驶内仪表板上的杂物箱内，ZigBee协调器7用于接收ZigBee检测节点发送来的数据，只要六个ZigBee检测节点中的任何一个ZigBee检测节点检测到隧道口结冰，语音报警器8即为司机提供隧道口结冰的信息（前方XX米隧道口已结冰，请减速慢行）。

ZigBee检测节点由冰雪传感器15、控制电路板16、ZigBee网络终端节点17组成，冰雪传感器15检测隧道出入口是否存在冰雪；控制电路板16采用单片机（STC89C52RC）作为主控芯片，用于处理冰雪传感器检测到的数据，将数据发送给ZigBee网络终端节点17，再由ZigBee网络终端节点17将单片机传送过来的数据发送给ZigBee协调器7。

冰雪传感器15由电容式结冰传感器9、金属防护网10、温度传感器11、塑料盒12、光缆线13、湿度传感器14组成，电容式结冰传感器9由第一不锈钢圆角矩形金属环19、第二不锈钢圆角矩形金属环20、第三不锈钢圆角矩形金属环21、第四不锈钢圆角矩形金属环22、第五不锈钢圆角矩形金属环23、文氏桥振荡电路板18组成，其中第一不锈钢圆角矩形金属环19、第三不锈钢圆角矩形金属环21、第五不锈钢圆角矩形金属环23构成电容式结冰传感器9的检测部位的正极，第二不锈钢圆角矩形金属环20和第四不锈钢圆角矩形金属环22构成电容式结冰传感器9的检测部位的负极，由于空气、蒸馏水、冰、雪的相对介电常数不同（空气：1.0006，蒸馏水：81，冰：3-4，雪：1-2），根据电容式结冰传感器9的检测部位的正负极之间落入的物质的电介质不同，来判断电容式结冰传感器9是否检测到了冰雪，通过文氏桥振荡电路板18上的文氏桥振荡电路自激振荡产生正弦波输出电压，来计算电容式结冰传感器9的电容值，以确定是否检测到冰雪；金属防护网10覆盖在塑料盒12上，用以防止其他杂物落入电容式结冰传感器9的电极之间；温度传感器11采用电阻温度检测器，用于检测隧道出入口的温度并判断是否达到结冰的温度，湿度传感器14采用电容式湿度传感器，用于检测隧道出入口的湿度，并判断结冰的外界湿度条件；光缆线13用来将电容式结冰传感器9、温度传感器11、湿度传感器14采集到的信息传输给控制电路板16；将电容式结冰传感器9、温度传感器11、湿度传感器14装入塑料盒12里，且检测面与塑料盒12顶部平齐；只有当电容式结冰传感器9检测到了冰雪、温度传感器11检测到的隧道出入口的温度达到结冰的临界状态、湿度传感器14检测到的隧道出入口的湿度达到预设值时，单片机才判断隧道出入口结冰。

文氏桥振荡电路板18上设有双运算放大器U1（LM358）、第一二极管D1、第二二极管D2、第一可变电阻Rw1、第1-5电阻：R1-R5，第1-4电容：C1-C4，电容式结冰传感器CX组成，第一可变电阻Rw1与第一电阻R1串联后串联在双运算放大器U1的反向输入端2脚与5V稳压电源的GND之间，第五电阻R5串联在双运算放大器U1的正电源端8和5V稳压电源的VCC之间，第一二极管D1与第二二极管D2反向并联后与第二电阻R2串联后再串联在双运算放大器U1的信号输出端1脚和反相输入端2脚之间，第一电容C1与第四电阻R4串联后串联在双运算放大器U1的信号输出端1脚和同相输入端3脚之间，第三电阻C3与电容式结冰传感器CX并联后再串联在双运算放大器U1的同相输入端3脚和5V稳压电源的GND之间，双运算放大器U1的负电源端4与5V稳压电源的GND相连，第二电容C2与第三电容C3、第四电容C4并联后再串联在5V稳压电源的VCC和GND之间；

控制电路板16上设有第一放大电路、第二放大电路、第三放大电路、滤波电路、A/D转换电路、数据处理电路，第一放大电路对电容式结冰传感器9发送来的信号进行放大再传输给滤波电路，滤波电路将第一放大电路发送过来的电信号进行滤波处理，滤去杂波后将电信号送到A/D转换电路进行模数转换；第二放大电路对温度传感器11采集到的信号进行放大处理后送到A/D转换电路进行模数转换；第三放大电路对湿度传感器14采集到的信号进行放大处理后送到A/D转换电路进行模数转换；经A/D转换电路进行模数转换后的数字信号送到数据处理电路进行数据处理，数据处理电路处理好数据后通过ZigBee网络终端节点17将数据发送给ZigBee协调器7。

第一放大电路和滤波电路由第一晶体三极管T1、第二晶体三极管T2、四运放集成电路U2（LM324）、第5-9电容：C5-C9，第6-15电阻：R6-R15组成，第一晶体三极管T1的基极与双运算放大器U1的信号输出端1脚相连，第六电阻R6串联在第一晶体三极管T1的发射极和5V稳压电源的VCC之间，第一晶体三极管T1的集电极与5V稳压电源的VCC连接，第七电阻R7串联在第二晶体三极管T2的基极和5V稳压电源的VCC之间，第五电容C5串联在第二晶体三极管T2的基极和第一晶体三极管T1的发射极之间，第八电阻R8串联在第二晶体三极管T2的基极和5V稳压电源的GND之间，第九电阻R9串联在第二晶体三极管T2的集电极和5V稳压电源的VCC之间，第六电容C6和第十电阻R10并联后再串联在第二晶体三极管T2的发射极和5V稳压电源的GND之间，第十一电阻R11的一端与第二晶体三极管T2的集电极相连，第十一电阻R11的另一端与第八电容C8串联后与四运放集成电路U2的同向输入端3脚连接，第七电容C7串联在第十一电阻R11的另一端和5V稳压电源的GND之间，第十五电阻R15串联在第十一电阻R11的另一端和四运放集成电路U2的信号输出端1脚之间，第十二电阻R12串联在U2的同向输入端3脚和5V稳压电源的GND之间，第九电容C9串联在5V稳压电源的VCC和GND之间，第十三电阻R13串联在四运放集成电路U2的反向输入端2脚和5V稳压电源的GND之间，第十四电阻串联在四运放集成电路U2的反向输入端2脚和信号输出端1脚之间，四运放集成电路U2的正电源端4与5V稳压电源的VCC相连，四运放集成电路U2的负电源端11与5V稳压电源的GND相连。

第二放大电路由第三二极管D3、第四二极管D4、第一仪表放大器U3（AD620）、第二可变电阻Rw2、第十六电阻R16、第十七电阻R17、第十电容C10、第十一电容C11组成，湿度传感器串联在第一仪表放大器U3的同相输入端3脚和反相输入端2脚之间，第三二极管D3与第四二极管D4反向并联后串联在第一仪表放大器U3的同相输入端3脚和反相输入端2脚之间，第十六电阻R16和第二可变电阻Rw2串联后再串联在第一仪表放大器U3的外接增益调节电阻端1脚和8脚之间，第十七电阻R17串联在第一仪表放大器U3的同相输入端3脚和基准电压端5脚之间，第十电容C10串联在+5V稳压电源的VCC和GND之间，第十一电容C11串联在-5V稳压电源的VCC和GND之间，第一仪表放大器U3的正电源端7脚与+5V稳压电源的VCC相连，第一仪表放大器U3的负电源端4脚与-5V稳压电源的VCC相连。

第三放大电路由第18-20电阻：R18-R20，第12-14电容:C12-C14,第二仪表放大器U4（AD620）组成，湿度传感器与第十八电阻R18串联后与第十二电容C12并联再串联在第二仪表放大器U4的同相输入端3脚和反相输入端2脚之间，第十九电阻R19串联在第二仪表放大器U4的外接增益调节电阻端1脚和8脚之间，第二十电阻R20串联在第二仪表放大器U4的同相输入端3脚和基准电压端5脚之间，第十三电容C13串联在+5V稳压电源的VCC和GND之间，第十四电容C14串联在-5V稳压电源的VCC和GND之间，第二仪表放大器U4的正电源端7脚与+5V稳压电源的VCC相连，第二仪表放大器U4的负电源端4脚与-5V稳压电源的VCC相连。

A/D转换电路和数据处理电路由模数转换器U5（ADS7825P）、单片机U4（STC89C52RC）、第15-20电容：C15-C20,第二十一电阻R21、第二十二电阻R22,晶振Y1、复位开关S1组成，第十五电容C15串联在模数转换器U5的内部REF的输出缓冲端6脚和模拟地端6脚、8脚的公共端之间，第十六电容C16串联在外部参考电压输入端7脚和模拟地端6脚、8脚的公共端之间，第十七电容C17的一端与模数转换器U5的电源端27脚、28脚的公共端连接，第十七电容C17的另一端与模数转换器U5的数字地端14脚连接，模数转换器U5片选输入端23脚与5V稳压电源的GND连接，模数转换器U5的4路模拟输入通道2脚、3脚、4脚与四运放集成电路U2的信号输出端1脚、第一仪表放大器U3的共地信号输出端6脚、第二仪表放大器U4的共地信号输出端6脚对应连接，模数转换器U5的并行数据输出端9脚-13脚、15脚-17脚与单片机U4的I/O口21脚-28脚对应连接，模数转换器U5的通道选择端18脚-19脚、并行/串行输出选择端20脚、并行输出模式下高位/低位字节输出选择端21脚、读取/转换输入端22脚、忙状态信号输出端24脚、连续转换控制信号端25脚、掉电模式输入端26脚与单片机U4的I/O口1脚-8脚对应连接，

晶振Y1并联在单片机U4的两个外接时钟端18脚、19脚之间 ，第十八电容C18的一端与第十九电容C19的一端的公共端与5V稳压电源的GND相连，第十八电容C18的另一端与单片机U4的外接时钟端19脚并联，第十九电容C19的另一端与单片机U4的外接时钟18脚并联，第二十一电阻R21的一端、第二十电容C20的一端的公共端接5V稳压电源的VCC，第二十一电阻R21的另一端与复位开关S1串联后接5V稳压电源的GND，第五电容C5的另一端、单片机U4的复位端9脚、单片机U4的电源端20脚的公共端与5V稳压电源的GND相连，单片机U4的电源端40脚与5V稳压电源的VCC相连，第二十二电阻R22串联在单片机U4的I/O口37脚与ZigBee网络终端节点17之间。

工作原理：

本实用新型用于公路隧道口冰雪检测与报警装置。本实用新型能采用电容式结冰传感器、温度传感器、湿度传感器复合而成的冰雪传感器来检测隧道口结冰情况；采用ZigBee无线通信将隧道口结冰信息发送给即将驶入隧道和驶出隧道的司机；当隧道口存在冰雪时，语音报警器能实时为司机提供隧道口结冰的信息。能让司机在进入隧道和出隧道之前就知道隧道口结冰情况，让司机提前做好防范措施，安全通过隧道口，降低交通安全事故。