（系统分析与集成专业论文）高速公路积雪深度检测系统设计.pdf

摘要 目录 a b s t r a c t v 第一章绪论。 l 1 1 论文研究的意义l 1 2 国内外现状l 1 3 论文的研究内容3 第二章超声波积雪深度测量原理与方案5 2 1 超声波的物理特性5 2 1 1 超声波的衰减6 2 1 2 超声波传播速度7 2 1 3 超声波传感器选择8 2 2 降雪量和积雪深度概念一9 2 2 1 降雪量的概念。1 0 2 2 2 积雪深度的概念1 0 2 3 超声波积雪深度测量原理1 1 2 4 超声波积雪深度测量方法1 2 2 5 超声波积雪测量盲区处理。1 3 第三章超声波积雪深度测量系统硬件电路设计 1 5 3 1 系统结构设计1 5 3 2 超声波积雪深度测量系统设计1 6 3 , 2 1 超声波测量系统发射驱动电路1 6 3 2 2 脉冲变长器的设计1 8 3 2 3 超声波积雪深度测量系统接收电路1 8 3 2 4 测量系统主控m c u 2 5 3 3 无线传感网络设计2 6 3 3 1z i g b e e 协议栈架构2 7 3 3 2z i g b e e 网络拓扑。2 7 3 3 3 利用z i g b e e 构建w s n 的模型。2 8 3 3 4 无线传感网络芯片c c 2 4 3 0 介绍2 9 3 3 5z i g , b e e 无线传感网络设计原理3 l 3 4 液晶显示模块3 2 3 5 串行数据通信模块3 3 3 6 温度补偿电路设计3 4 3 7 电源电路设计。3 5 3 8p c b 设计3 6 i 第四章超声波积雪深度测量系统软件设计 4 1 测量系统设计3 9 4 2 中断服务子程序设计4 0 4 3 无线传感器网络组网设计4 0 4 3 1 协调器网络的建立4 l 4 3 2 子节点入网过程4 3 4 4 温度补偿程序4 4 4 4 1d s l 8 8 2 0 的时序图4 4 4 4 2d s l 8 8 2 0 的流程图4 4 4 5 液晶显示模块程序4 5 4 6 串口通信模块软件4 6 第五章提高超声波测量系统精度的措施4 7 5 1 超声波在空气中传播时间修正4 7 5 2 超声波在空气中传播速度的影响和修正4 7 5 3 运用最小二乘法对测量数据线性化处理4 9 第六章实验结果及误差分析 6 1 软硬件环境的调试5 2 6 1 1 样机所需要的仪器5 2 6 1 2 软件开发环境5 2 6 1 3 超声波测量系统标定5 3 6 1 4 超声波信号5 4 6 2 系统测量应用5 5 6 2 1 测量系统精度比对试验5 5 6 2 2 同一反射面条件下测量数据5 6 6 2 3 不同反射面条件下测量数据。5 6 6 2 4 不同温度条件下测量数据5 7 6 3 超声波测量系统产生的误差j 5 9 6 3 1 超声波传感器固有频率带来的误差。5 9 6 3 2 其它误差来源分析6 0 6 4 构建高速公路积雪深度测量系统6 l 第七章总结与展望 7 1 总结6 4 7 2 展望6 4 参考文献 致谢 6 6 6 9 硕士在读期间发表的论文清单 附录 7 0 7 1 南京信息工程大学硕士学位论文 摘要 降雪是气象要素中最难测量的要素之一，每年积雪灾害都给社会带来不可估 量的损失，严重威胁人民群众生命财产安全，因此积雪测量显得尤为重要。本 论文在介绍国内外对积雪深度测量研究的基础上提出来一种无线的、非接触式 的、自动测量积雪深度方式。采用超声波检测原理，在z i g b e e 技术基础上组建 无线传感网络，将测量数据通过无线传感网络发送到控制中心上位机，实现高 速公路积雪深度实时监控，根据灾害情况进行实时处理，并发布相应信息提醒 广大司机，以减少交通事故的发生。 高速公路积雪深度测量系统分为两个部分，一是测量系统，以s t c 8 9 c 5 2 r c 处理器为核心，控制超声波传感器发射、接收超声波信号，在加入温度补偿的 基础上计算路面积雪深度；二是无线传感网络，以c c 2 4 3 0 处理芯片为核心，在 z i g b e e 技术基础上构建无线传感网络，接收测量系统发送的积雪深度数据，并 转发到控制中心的上位机。 本文首先分析超声波的物理特性、超声波测量系统原理与测量方法，对超声 波测量盲区与误差进行了详尽的分析，并进行相应的补偿来提高测量精度；其 次，通过几种方案对比设计出测量系统硬件电路图，采用模块化设计，给出了 软件程序流程图；再次，通过c c 2 4 3 0 组建无线网络，利用z i g b e e 技术实现无 线数据通信，将测量系统数据发送出去；最后，制作出测量系统样机，进行测 量试验，由于积雪对外部要求比较高，因此选择不同接触面、不同温度下采集 多组数据，验证测量系统的精度和可靠性。通过试验表明，系统基本达到设计 要求，并能通过无线传感网络将积雪深度数据发送到l a b v i e w 软件开发的上位 机上。 关键词：z i g b e e 、无线传感器网络、温度补偿、超声波、积雪深度测量 a b s t r a c t s n o w f a l li sak i n do fm e t e o r o l o g i c a le l e m e n t s ，w h i c hi st h em o s td i f f i c u l tt om e a s u r e e v e r yy e a r s n o wd i s a s t e r sb r i n gi m m e a s u r a b l el o s s e st ot h es o c i e t ya n ds e r i o u s l yt h r e a tt h es a f e t yo f p e o p l e sl i f ea n dp r o p e r t y o nt h eb a s i so fi n t r o d u c i n gm e a s u r e m e n t so fs n o wd e p t ha th o m ea n d a b r o a d ，aw i r e l e s s ，n o n c o n t a c t , a n da u t o m a t i cm e t h o dt om e a s u r es n o wd e p t hi sp r o p o s e di nt h i s t h e s i s i tu s e st h eu l t r a s o n i ct of o r mt h em e a s u r e m e n ts y s t e m , e s t a b l i s h e sw i r e l e s ss e n s o r n e t w o r k so nt h eb a s i so fz i g b e et e c h n o l o g y , a n ds e n d st h em e a s u r e m e n td a t at ot h ec o n t r o l c e n t r ep ct h r o u g ht h ew i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k i nt h i sw a y , t h es y s t e mr e a l i z e st h er e a l - t i m e m o n i t o r i n go ft h es n o wp r o c e s sa l l o w sp e o p l et ot a k ec o r r e s p o n d i n ga c t i o n sa c c o r d i n gt ot h e d i s a s t e rs i t u a t i o na n dp u b l i s h e st h ea p p r o p r i a t ei n f o r m a t i o nt or e m i n dt h ed r i v e r st or e d u c et r a f f i c a c c i d e n t s t h ee x p r e s s w a ys n o wd e p t hm e a s u r e m e n ts y s t e mi nt h i st h e s i sc a nb ed i v i d e di n t ot w op a r t s ：o n e i sm e a s u r i n gs y s t e m ，w h i c hc o n t r o l st h eu l t r a s o n i cs e n s o rt r a n s m i t t e r , r e c e i v e st h es i g n a l so ft h e u l t r a s o n i cb yt h ec o r es t c 8 9 c 5 2 r cp r o c e s s o ra n dc a l c u l a t e ss u r f a c es n o wd e p t h0 1 1t h eb a s i so f c o n s i d e r i n gt e m p e r a t u r ec o m p e n s a t i o n t h eo t h e ri sw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s ，w h i c hf o r m st h e w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k so nt h eb a s i so fz i g b e et e c h n o l o g y , r e c e i v e st h es n o wd e p t hd a t as e n tb y m e a s u r e m e n ts y s t e mt ot h ec o r ec c 2 4 3 0p r o c e s s o ra n ds e n d st h ep r o c e s s e dd a t at oc o n t r o l c e n t e rp c t h i sp a p e rf i i 吼a n a l y z e st h ep h y s i c a lc h a r a c t e r i s t i c so fu l t r a s o u n d , t h ep r i n c i p l eo fu l w a s o n i c m e a s u r i n gs y s t e m , f a c t o r sa f f e c t i n g t h ep r e c i s i o no ft h e s y s t e ma n dac o r r e s p o n d i n g c o m p e n s a t i o n s e c o n d l y , i td e s i g n sam e a s u r e m e n ts y s t e mh a r d w a r es c h e m a t i cb yc o m p a r i n g s e v e r a lp r o g r a m sa n dg i v e st h ed e t a i l e df l o wc h a r to ft h es o f t w a r ep r o g r a m t h i r d l y , w i r e l e s s n e t w o r ki ss e tu pb yu s i n gc c 2 4 3 0 ，t h ew i r e l e s sd a t ac o m m u n i c a t i o n si sr e a l i z e d0 1 1t h eb a s i so f z i g b e et e c h n o l o g ya n dt h em e a s u r e m e n ts y s t e md a t ai ss e n lf i n a l l y ，i ti st h em e a s u r e m e n t t e s t b e c a u s es n o wh a sah i g he x t e r n a ld e m a n d , e n v i r o n m e n t so fd i f f e r e n ti n t e r f a c e s ，a n dd i f f e r e n t t e m p e r a t u r ew e r es e l e c t e dt oc o l l e c td i f f e r e n ts e t so f d a t at ov e r i 母t h ea c c u r a c ya n dr e l i a b i l i t yo f v 南京信息工程大学硕士学位论文 m e a s u r e m e n ts y s t e m t h er e s u l t ss h o wt h a tt h es y s t e mi nt h er o o mb a s i c a l l ym e e t st h ed e s i g n r e q u i r e m e n t sw h e ni tw a st e s t e di n d o o r s o nt h eb a s i so fag o o dm e a s u r e m e n ts y s t e m , t h ed a t ao f s n o wd e p t hw i l lb es e n tt ot h eh o s tc o m p u t e rb yt h el a b v i e ws o f t w a r ed e v e l o p m e n tt h r o u g h t h ew i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k k e yw o r d s ：z i g b e e ，w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k , t e m p e r a t u r ec o m p e n s a t i o n , u l t r a s o n i c ，s n o wd e p t h m e a s u r e m e n t v 1 第一章绪论 1 1 论文研究的意义 第一章绪论 近几年由于全球气候变化，自然灾害诸如洪水、暴风雪等频繁发生，特别是2 0 0 8 年我 国南方地区遭受了百年不遇的特大暴风雪袭击，不仅造成了南北交通命脉的中断，而且还 给人民群众生命财产带来巨大损失。降雪发生时伴随的恶劣能见度对公路、铁路、航空产 生很大影响，在降雪发生之后地面形成的积雪会长时问阻碍交通运输的正常运行。城市积 雪会影响城市交通的正常运行，扰乱市民的正常工作和生活，降低交通运输效率；高速公 路积雪造成车行受阻、封路，影响正常运营；山区公路积雪可导致两天甚至更长时间交通 中断，给交通运输和生产部门造成重大经济损失。积雪造成地面摩擦力减小、打滑，很容 易引起交通事故，白天经过太阳照射融化，晚上气温降低在路面上结冰，地面摩擦系数变 得更小，会导致高速公路上行驶的汽车刹车失灵，发生交通事故的概率会大大增加，严重 威胁汽车司机和旅客的生命安全。 以2 0 0 8 年1 月2 0 日至2 月1 0 日，福建省公路受雨雪影响状况为例：据报道，全省道 路因雪( 雨) 冰冻影响，受阻3 5 4 公里( 其中高速路受阻1 5 4 公里，共封闭1 6 次，影响6 个进口) ，损毁7 2 公里，损失5 2 0 0 万元。受灾滞留道路车辆5 5 0 2 7 辆( 仅2 月1 日，在 福( 州) 银( 川) 高速路三明至江西省界路段，滞留的车辆最多时候一天就达到9 0 0 多辆) ， 影响旅客1 6 9 8 2 1 人。全省累计停开客运班车8 5 3 2 班次，影响旅客出行2 3 6 2 1 9 人次，经济 损失2 6 0 0 多万元。从1 月2 3 日至2 月2 7 日，特别是受冰雪灾害的影响，福建发生道路 交通事故1 8 6 7 起，死亡3 7 9 人，受伤2 0 0 0 余人，财产损失3 4 7 万余元。 从上面例子可以清楚的看到降雪天气对交通安全( 特别是封闭运行状态的高速公路) 造成巨大危害，一个区域如果出现大规模的降雪，而不能实时检测轻则导致大量车辆滞留； 重则会造成连环交通事故发生。因此，对降雪实现实时检测，并将数据通过无线发送模块 和g p r s 模块实时发到交通指挥控制中心，控制中心根据灾害情况进行实时处理，采取相 应措施诸如：封路、除雪、撤盐等，并发布相应信息提醒广大司机，以减少交通事故的发 生，最大程度保护广大司机和旅客的安全。 1 2 国内外现状 由于风、温度等外界因素对降雪分布产生很大影响，积雪深度测量一直是困扰我们日 南京信息工程大学硕士学位论文 常生活的大难题，引起人们越来越多的关注，雨雪测量的方法和仪器也在不断发展和更新 中。 目前国内外测量积雪深度的方法有两种： 第一种直接钻孔测量。这是我国气象部门普遍采用的测量方式：降雪后，每日早8 时 在观测地点用量雪尺3 次测量，取其平均值【4 l 】，或者用称重化雪测量融水的方法确定新雪 密度，然后计算雪水当量。人工测量受区域分布点不足、数据不够全面等因素影响，导致 观测数据实时性较差、测量误差较大，已难以适应当今应急气象服务的需求。 第二种物理探测技术测量。依靠超声波或者是激光发射脉冲信号，脉冲信号遇到积雪 表面之后会发生反射，接收探头会接收脉冲信号，通过计算到达雪界面反射回来的时问， 计算出探头到积雪表面的距离，从而换算出积雪的厚度；实测精度受到温度、风速大小、 局部表面起伏的影响，厚度的变化需要在雪层的表面和底面相对测试才能体现。这一类测 量方式既可以实现自动化和数据实时传递，在保证精度满足测量要求的前提下又可以大大 节约成本，是现在气象行业正在大力研究和推广积雪测量的解决方案。 对于使用超声波测量积雪深度的仪器在近几年已研制成功，并开始初步应用，例如： ( 1 ) 华云研制的h c s s r 8 0 超声波深度仪，它是一款性价比较高的测量雪深的测量 仪器，如下图1 1 所示。h s c s r 8 0 深度仪测量根据从探头到被测目标表面的距离并推算出 积雪深度。技术指标：供电：+ 1 2 v ；测量时间：0 9 s ( 1 次测量) 、1 1 s ( 8 次测量) 、1 4 s ( 1 6 次测量) 。测量时间间隔1 5 s ；测量范围：0 8 3 m ；精度：2 c m 或o 2 f s ：工 作温度范围：- 4 0 + 5 0 ；数据输出：串行a s c i i ，9 6 0 0 b p s ，r s - 2 3 2 接口；功耗： l l ia ( 静态电流) ， 电 源线 信号线，信号线宽为0 2 m m o 3 m m ，电源线为1 2 m m - 2 5 m m ，接地线为2 m m - 3 m m ， 地线设计原则是：将数字地与模拟地通过电感隔离开。如果印制电路板上既有逻辑电路又 有线性电路，应使它们尽量分开。 ( 2 ) 数字电路与模拟电路的共地处理 由数字电路和模拟电路构成的混合电路在布线时考虑噪音干扰问题，数字电路的信号 频率高，而模拟电路的信号敏感度强，因此对高频的信号线尽可能避开模拟电路器件。低 频部分的地线应采用单点并联接地，实际布线时可先部分串联后再并联接地；高频部分采 用多点串联接地，地