一种高速公路团雾检测系统及方法与流程

本发明涉及高速公路团雾检测技术，具体是一种高速公路团雾检测系统及方法。

背景技术：

团雾似乎是近年来忽然变热的一个词，由于冬春时节频繁报道的高速公路上团雾引发的连环追尾事故。但是，人们对雾的研究和检测却由来已久。例如，1992年，K.J.Noone等人就比较了当时较为流行的测量雾中水分含量的4种方法（Arends, B.G.; Kos, G.P.A.; Wobrock, W.; Schell, D.; Noone, K.J.; Fuzzi, S.; Pahl, S. Comparison of techniques for measurements of fog liquid water content. Tellus 1992, 44B, 604–611.），并指出基于前散射激光光谱仪（forward scattering laser spectromemter）的PVM具有最好的性能指标。在2008年，Jeffrey L. Collett Jr.等人又设计出一个基于光衰减原理的云/雾检测器（Carrillo, JH.; Emert, SE.; Sherman, DE.; Herckes, P.; Collett, JL.An economical optical cloud/fog detector. Atmospheric Research 2008, 87, 259-267.），并通过与PVM的对比实验得出结论，他们的新云/雾检测器通常情况下能够胜任检测任务，关键是比PVM的产品便宜的多，一套只需约500美元。可见，随着光电子器件的不断进步，采用新器件大幅降低传感器的成本从而便于市场化，这也是人们关注的一个研究方向。本发明将提出的传感器，原理也是基于光衰减，但由于采用了新的不同的元器件和结构，使传感器成本降到500人民币以下，同时也应能够满足检测团雾的要求。

国际上用能见度对雾的分类见下表（Gwang Lee․，Bong-Keun Kim. Study on Development and Utilization of Wide Area Visibility Information System Using CCTV on the Highway. JKIECS, vol. 9, no. 6, 665-672, 2014）：

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以往的团雾检测器（见下面专利）在设计时就希望它能测量较宽的能见度范围，这样会导致传感器结构复杂价格昂贵。按照上表，团雾的能见度范围应该是0到40米。如果在设计团雾传感器时重点考虑0～40m 能见度的测量而适当忽略长距离能见度的测量，则可大幅简化传感器结构和减低其成本。这也是本发明的设计思路之一。

团雾通常出现在高速公路沿线，其容易造成高速公路能见度低，由此引发重大交通事故。为了避免因团雾引发的交通事故，目前出现了各种各样的高速公路团雾检测技术（例如中国专利ZL200910184845.X公开的一种高速公路团雾实时监测仪、中国专利ZL201210226642.4公开的一种基于图像颜色空间特征的雾天检测方法、中国专利ZL201420112447.3公开的一种基于数字摄像的团雾实时预警系统、中国专利ZL201310325570.3公开的一种基于通视距离监测的高速公路团雾预警系统及预警方法）。然而，现有高速公路团雾检测技术由于自身原理所限，存在如下问题：其一，现有高速公路团雾检测技术普遍是针对各种能见度的雾（能见度为0-40km的雾）而设计的，而并非专门针对团雾（团雾的能见度为0-40m）而设计，由此导致其检测对象缺乏针对性，从而导致其结构复杂、成本昂贵。其二，现有高速公路团雾检测技术普遍采用老旧的电子器件设计而成，由此同样导致其结构复杂、成本昂贵。基于此，有必要发明一种全新的高速公路团雾检测技术，以解决现有高速公路团雾检测技术存在的上述问题。

技术实现要素：

本发明为了解决现有高速公路团雾检测技术结构复杂、成本昂贵的问题，提供了一种高速公路团雾检测系统及方法。

本发明是采用如下技术方案实现的：

一种高速公路团雾检测系统，包括团雾传感器、单片机信号处理系统、上位机通信系统；

所述团雾传感器包括玻璃管、前导气管、后导气管、输气泵、激光头、光电二极管；

玻璃管的前端和后端均设有端壁；玻璃管的前部侧面开设有内外贯通的前导气孔；玻璃管的后部侧面开设有内外贯通的后导气孔；前导气管贯穿固定于前导气孔内；后导气管贯穿固定于后导气孔内；输气泵的出气口与前导气管的外端管口连通；激光头的出射端与玻璃管的前端端壁相互正对；光电二极管的入射端与玻璃管的后端端壁相互正对；

所述单片机信号处理系统包括限流电阻、负载电阻、电容、单片机、锁存器、数码管、RS232收发器、下级RS232/RS485转换器、电位器；

限流电阻的一端与光电二极管的阴极连接，另一端与电源端连接；负载电阻的一端与光电二极管的阳极连接，另一端接地；电容的一端与光电二极管的阴极连接，另一端接地；单片机的信号输入端与光电二极管的阳极连接；锁存器的信号输入端与单片机的信号输出端连接；数码管的信号输入端与锁存器的信号输出端连接；RS232收发器与单片机双向连接；下级RS232/RS485转换器与RS232收发器双向连接；电位器的电源输入端与单片机的电源输出端连接；电位器的电源输出端与激光头的电源输入端连接；

所述上位机通信系统包括总线、上级RS232/RS485转换器、上位机；上级RS232/RS485转换器通过总线与下级RS232/RS485转换器双向连接；上位机与上级RS232/RS485转换器双向连接。

一种高速公路团雾检测方法（该方法是基于本发明所述的一种高速公路团雾检测系统实现的），该方法是采用如下步骤实现的：

a.在高速公路沿线每隔1200m安装一个团雾传感器和一个单片机信号处理系统；在高速公路监控中心安装一个上位机通信系统；各个团雾传感器与各个单片机信号处理系统一一对应连接；各个单片机信号处理系统均与上位机通信系统连接；

b.启动各个输气泵；各个输气泵持续抽吸高速公路沿线各处的团雾，并通过各个前导气管将团雾持续送入各个玻璃管内；各个玻璃管内的团雾自前向后持续流动，并通过各个后导气管持续排出；此时，启动各个激光头；各个激光头发出的激光穿透各个玻璃管内的团雾后入射到各个光电二极管，使得各个光电二极管产生反向电流，由此使得各个光电二极管的阳极产生电压；在此过程中，各个单片机通过各个电位器向各个激光头持续供电，通过各个电位器可以调节各个激光头的工作电压，由此调节各个激光头发出的激光光强；

c.各个单片机实时检测各个光电二极管的阳极电压，并根据各个光电二极管的阳极电压计算出各个光电二极管的反向电流；然后，各个单片机根据各个光电二极管的反向电流计算出入射到各个光电二极管的激光光强，并根据入射到各个光电二极管的激光光强和各个激光头发出的激光光强计算出各个激光头发出的激光透射率；然后，各个单片机根据各个激光头发出的激光透射率计算出各个玻璃管内的团雾分子数密度，并根据各个玻璃管内的团雾分子数密度计算出各个玻璃管内的团雾浓度，由此检测出高速公路沿线各处的团雾浓度；

d.各个单片机通过各个锁存器将高速公路沿线各处的团雾浓度发送至各个数码管进行就地显示，以提醒过路司机注意；同时，各个单片机依次通过各个RS232收发器、各个下级RS232/RS485转换器、总线、上级RS232/RS485转换器将高速公路沿线各处的团雾浓度发送至上位机进行显示，以供监控人员观察。

与现有高速公路团雾检测技术相比，本发明所述的一种高速公路团雾检测系统及方法基于全新的检测原理，实现了对高速公路沿线各处的团雾浓度进行全面、实时、准确的检测，由此其具备了如下优点：其一，本发明专门针对团雾（团雾的能见度为0-40m）而设计，由此使得其检测对象更具有针对性，从而使得其结构更简单、成本更低廉。其二，本发明采用新兴的光电子器件（激光头、光电二极管）设计而成，由此同样使得其结构更简单、成本更低廉。

本发明结构合理、设计巧妙，有效解决了现有高速公路团雾检测技术结构复杂、成本昂贵的问题，适用于高速公路。

附图说明

图1是本发明中团雾传感器的结构示意图。

图2是本发明中单片机信号处理系统的第一部分结构示意图。

图3是本发明中单片机信号处理系统的第二部分结构示意图。

图4是本发明中单片机信号处理系统的第三部分结构示意图。

图5是本发明中上位机通信系统的结构示意图。

图中：11-玻璃管，12-前导气管，13-后导气管，14-输气泵，15-激光头，16-光电二极管，21-限流电阻，22-负载电阻，23-电容，24-单片机，25-锁存器，26-数码管，27-RS232收发器，28-下级RS232/RS485转换器，29-电位器，31-总线，32-上级RS232/RS485转换器，33-上位机。

具体实施方式

一种高速公路团雾检测系统，包括团雾传感器、单片机信号处理系统、上位机通信系统；

所述团雾传感器包括玻璃管11、前导气管12、后导气管13、输气泵14、激光头15、光电二极管16；

玻璃管11的前端和后端均设有端壁；玻璃管11的前部侧面开设有内外贯通的前导气孔；玻璃管11的后部侧面开设有内外贯通的后导气孔；前导气管12贯穿固定于前导气孔内；后导气管13贯穿固定于后导气孔内；输气泵14的出气口与前导气管12的外端管口连通；激光头15的出射端与玻璃管11的前端端壁相互正对；光电二极管16的入射端与玻璃管11的后端端壁相互正对；

所述单片机信号处理系统包括限流电阻21、负载电阻22、电容23、单片机24、锁存器25、数码管26、RS232收发器27、下级RS232/RS485转换器28、电位器29；

限流电阻21的一端与光电二极管16的阴极连接，另一端与电源端连接；负载电阻22的一端与光电二极管16的阳极连接，另一端接地；电容23的一端与光电二极管16的阴极连接，另一端接地；单片机24的信号输入端与光电二极管16的阳极连接；锁存器25的信号输入端与单片机24的信号输出端连接；数码管26的信号输入端与锁存器25的信号输出端连接；RS232收发器27与单片机24双向连接；下级RS232/RS485转换器28与RS232收发器27双向连接；电位器29的电源输入端与单片机24的电源输出端连接；电位器29的电源输出端与激光头15的电源输入端连接；

所述上位机通信系统包括总线31、上级RS232/RS485转换器32、上位机33；上级RS232/RS485转换器32通过总线31与下级RS232/RS485转换器28双向连接；上位机33与上级RS232/RS485转换器32双向连接。

所述玻璃管11采用长度为20cm、内径为10mm的石英玻璃管；所述前导气孔的孔径、后导气孔的孔径均为3mm；所述激光头15采用长度为20mm、直径为9mm、激光波长为650nm、出光功率为5mW、工作电压为DC2.5-5V的可调焦距的激光头；所述光电二极管16采用FDS100型硅光电二极管，其检测波长范围为350-1100nm、感光区域为3.6mm*3.6mm；所述限流电阻21的阻值为1KΩ；所述负载电阻22的阻值为2.2KΩ；所述电容23的容量为0.1μF；所述单片机24采用STC12C5A60S2型单片机；所述锁存器25采用7HC573型锁存器；所述数码管26采用4393AH型数码管；所述RS232收发器27采用MAX232型RS232收发器；所述下级RS232/RS485转换器28、上级RS232/RS485转换器32均采用UT-2216型RS232/RS485转换器；所述上位机33采用PC机。

一种高速公路团雾检测方法（该方法是基于本发明所述的一种高速公路团雾检测系统实现的），该方法是采用如下步骤实现的：

a.在高速公路沿线每隔1200m安装一个团雾传感器和一个单片机信号处理系统；在高速公路监控中心安装一个上位机通信系统；各个团雾传感器与各个单片机信号处理系统一一对应连接；各个单片机信号处理系统均与上位机通信系统连接；

b.启动各个输气泵14；各个输气泵14持续抽吸高速公路沿线各处的团雾，并通过各个前导气管12将团雾持续送入各个玻璃管11内；各个玻璃管11内的团雾自前向后持续流动，并通过各个后导气管13持续排出；此时，启动各个激光头15；各个激光头15发出的激光穿透各个玻璃管11内的团雾后入射到各个光电二极管16，使得各个光电二极管16产生反向电流，由此使得各个光电二极管16的阳极产生电压；在此过程中，各个单片机24通过各个电位器29向各个激光头15持续供电，通过各个电位器29可以调节各个激光头15的工作电压，由此调节各个激光头15发出的激光光强；

c.各个单片机24实时检测各个光电二极管16的阳极电压，并根据各个光电二极管16的阳极电压计算出各个光电二极管16的反向电流；然后，各个单片机24根据各个光电二极管16的反向电流计算出入射到各个光电二极管16的激光光强，并根据入射到各个光电二极管16的激光光强和各个激光头15发出的激光光强计算出各个激光头15发出的激光透射率；然后，各个单片机24根据各个激光头15发出的激光透射率计算出各个玻璃管11内的团雾分子数密度，并根据各个玻璃管11内的团雾分子数密度计算出各个玻璃管11内的团雾浓度，由此检测出高速公路沿线各处的团雾浓度；

d.各个单片机24通过各个锁存器25将高速公路沿线各处的团雾浓度发送至各个数码管26进行就地显示，以提醒过路司机注意；同时，各个单片机24依次通过各个RS232收发器27、各个下级RS232/RS485转换器28、总线31、上级RS232/RS485转换器32将高速公路沿线各处的团雾浓度发送至上位机33进行显示，以供监控人员观察。