传感网技术应用 课件 项目3 智慧交通道路环境监测系统

项目3智慧交通——道路环境监测系统CONTENTS目录01

【项目描述】02

【项目要求】03

【学习目标】04

任务3.1智慧交通——道路环境监测系统的功能调研05

任务3.2传感器的选型CONTENTS目录06

任务3.3系统监测终端节点功能实现07

【项目实施】08

【拓展阅读】09

【项目总结】【项目描述】01交通安全隐患多

交通供需矛盾隐患社会进步交通发展带来出行便利，但汽车等交通工具增多，导致道路日渐拥挤，交通发展与安全矛盾加剧。恶劣天气影响安全大雾、降雨降低能见度，雨雪致路面湿滑，强风影响车辆稳定性，结冰霜冻降摩擦系数，高温易引发爆胎，均存安全隐患。道路环境监测重要性

监测系统组成架构由分布在高速公路沿线的若干个自动气象站联网组成，构建道路环境监测系统。

监测核心内容范围对高速公路沿线车流量、能见度、风况、温湿度、雨量及路面温度、干湿、结冰状况等自动监测。

监测信息应用价值实时监控路面与气象信息，及时传至监控中心，通过平台或显示屏发布，提醒驾驶员保障交通安全畅通。【项目要求】02工作任务

电路与系统搭建构建STM32单片机控制的最小环境监测电路，搭建基于CAN总线的物联网控制系统。

数据传输与系统功能通过CAN总线汇总道路环境监测数据，实现终端数据采集和上传的功能。

实验操作与调试在实验板上搭建电路，下载相关应用编程软件，完成系统的编程调试与维护测试。学习产出

本项目学习结束后，提交道路环境监测系统硬件搭建电路照片，截取采集到的终端数据图片【学习目标】03知识目标传感器认知要求能说出声音、空气质量、风速/风向传感器的功能，明确其适用应用场景。传感器实操能力能够依据项目实际需求，完成传感器的选型、配置与测试工作。传感器全流程认知知晓传感器选型依据，掌握数据采集、传输及调试运维的相关方法。技能目标

道路监测系统操作能分析道路环境监测系统功能，使用单片机完成各类传感器数据的采集与传输工作。CAN总线应用能力能运用CAN总线搭建开发环境并开展相关运用，还可根据系统需求开发设计环境监测终端。素质目标

培养学生安全防范意识，进而尊重生命、热爱生命

培养严谨的科学态度和精益求精的工匠精神

培养学生团结合作、信息处理的能力任务3.1智慧交通——道路环境监测系统的功能调研04[任务目标]

系统功能认知目标能分析道路环境监测系统的功能，知晓该系统所需配备的各类传感器。

传感器技能掌握掌握道路环境监测所需传感器的具体功能，熟悉其实际应用场景与方式。

综合能力培养培养学生查阅资料、交流沟通以及团队协作的多方面综合能力。[知识准备]：智慧交通概述

智慧交通发展溯源智慧交通前身是美国20世纪90年代初提出的智能交通，中国相关建设起步晚，其演变分三阶段。智慧交通核心定义是在交通领域运用物联网、云计算等新一代信息技术，对交通全领域及建设管理全过程进行管控支撑的新服务体系。智慧交通功能价值能让交通系统具备感知、互联、分析等能力，保障交通安全，发挥设施效能，提升运行效率与管理水平，服务出行与经济发展。[知识准备]：智慧交通概述智慧交通核心定义[知识准备]：智慧交通概述智慧交通系统与应用

智慧交通系统构成主要包含交通信息采集、处理分析、信息发布系统，各部分密不可分、相互协调，推动其应用范围不断扩大。

智慧交通发展现状我国已从探索进入实际开发应用阶段，按空间分为城市内部与城际交通，落地应用集中于三类交通信息化领域。[知识准备]：道路环境监测系统功能系统定位与作用

监测系统布设与监测作为智慧交通重要部分，按点布设监测站，实时自动监测道路沿线噪声、空气质量、风向、风速、降雨量、能见度、路面状况等。监测数据传输与作用通过有线或无线通讯将采集数据和现场视频传至本地控制器或指挥中心，为驾驶提供辅助、为道路管理提供精准决策数据。[知识准备]：道路环境监测系统功能系统组成与采集设备道路环境监控系统由信息采集、发布、处理单元组成，信息采集需多种监测传感器。[知识准备]：常用传感器声音传感器

声音基础与采集原理声音是物体振动产生的声波，经介质传播可被感知，声传感器能将声信号转换为电信号，供后续电路采集传感数据。

常用声传感器类型按换能原理分为电容式、压电式和电动式，典型应用为驻极体电容式、压电驻极体电声和动圈式器件，具备结构简单、性能稳定等优点。

电容式驻极体传感器分为振膜式和背极式，背极式性能更优，无需外加极化电压，振膜受声波策动产生微小电流，经放大形成音频电压信号，具寿命长等诸多优势。

压电驻极体传感器利用压电效应实现声电变换，采用多孔聚合物压电驻极体薄膜，取消空气共振腔，体积小、零件少、成本低，电荷稳定，应用范围广。

动圈式传感器原理及地位基于导体在磁场中振动产生感应电动势的原理，导体为线圈时即为动圈式，是目前使用最为广泛的声音传感器。[知识准备]：常用传感器气敏传感器

半导体气敏传感器利用待测气体与金属氧化物半导体接触时的物性变化检测气体，分表面/体控制型、电阻/非电阻型两类，各有不同作用机制。

接触燃烧式传感器通过与可燃气体接触检测，分直接和催化燃烧式，利用铂电热丝等气敏材料遇可燃气体燃烧升温致电阻变化，只对可燃气体敏感。

固体电解式气敏传感器以固体电解质为气敏材料，气体通过时产生离子形成电动势，通过测量电动势来测定气体浓度。

空气质量传感器应用是空气净化器及新风系统的重要组成部分，可监测温湿度、气压、PM2.5等，以及氧气、二氧化碳等多种气体浓度。[知识准备]：常用传感器其它传感器

位移传感器介绍又称线性传感器，属金属感应线性器件，分模拟式和数字式，线性差动变压器（LVDT）优势突出，应用广泛。

风速传感器说明用于测量风速，分机械式、超声波式，外形小巧，壳体防雨水耐腐蚀，适用于气象、农业、船舶等室外领域。

风向传感器详情以风向箭头探测风向，分光电式、电压式等，结构含风杯、主体等，抗干扰耐恶劣环境，应用于多领域。

速度传感器分类含线速度和角速度传感器，非接触式的激光测速、雷达测速应用广泛，可满足不同场景测速需求。系统调研任务安排需完成道路环境监测系统功能调研，介绍常用传感器功能与作用，先开展资料查询、收集及分析对比工作。调研内容成果呈现要完成资料收集整理并形成表3-1，调研涵盖系统功能、所需传感器及常用传感器功能种类等内容。调研基本信息说明调研地点为物联网××实训室，采用上网搜索资料的方式，涉及负责人与成员两类调研人员。[实践操作][实践操作]：填空题

智慧交通系统构成当前所提供的智慧交通系统原文仅提及包含三类系统，但未明确具体系统名称，暂无法提炼出完整的构成内容。

道路环境监测系统说明道路环境监测系统，可实时自动监测道路沿线及路面状况，主要含信息采集、发布、处理等单元

声音传感器基础介绍声音传感器可将外界作用于它的信号转换成相应电信号，输送给后续电路实现传感数据采集。

声传感器分类及原理常用声传感器按换能原理大体分3类，压电驻极体声传感器利用相关特性实现声电/电声变换。[实践操作]判断题1.判断驻极体声传感器分类及背极式是否更优2.判断MP9767声传感器是否为空气质量传感器3.判断位移传感器是否测速度加速度4.判断风向传感器类型及是否常与风速传感器同用简答题什么是智慧交通？2、空气质量传感器主要检测哪些？任务3.2传感器的选型05传感器知识掌握需熟悉传感器技术指标，明确声音传感器MP9767、空气质量传感器MQ135的具体参数，为搭建做准备。培养学生团队协作与问题解决能力，助力完成相关实践任务。实践能力培养聚焦学生团队协作能力打磨，同步锻炼其在实践过程中分析、解决问题的综合能力。[任务目标][任务目标]：传感器的技术指标

技术指标核心作用是表征传感器产品性能优劣的客观依据，看懂技术指标有助于正确选型和使用该产品。

静态指标相关说明考核被测静止不变条件下的性能，具体包括分辨力、精确度、灵敏度、线性度、漂移、阈值、量程、蠕变、稳定性等。

动态指标相关说明考察被测量快速变化条件下的性能，主要包含频率响应、阶跃响应等两类指标。[任务目标]：传感器的技术指标基本工作参数

传感器供电要求多数传感器需供电，典型为5V，电压过低会致数据异常甚至无数据，过高会造成不可逆损坏。

传感器输出信号说明输出信号是系统处理后的结果，可提供开关量信号控设备动作，形式多样，可从多维度分类，传感器输出分三类信号。[任务目标]：传感器的技术指标传感器的静态指标

静态特性核心定义传感器静态特性指静态输入信号下，输出量与输入量之间的相互关系，含线性度、灵敏度等多项指标。

重点指标详解主要介绍量程、灵敏度、分辨力、精确度和漂移，含各指标的定义、特性及应用相关说明。[任务目标]：传感器的技术指标传感器的动态指标动态特性核心定义传感器动态特性指对快速变化输入信号的响应能力，用于评估动态测量的准确性与实时性，核心指标为频率和阶跃响应。频率响应特性参数指正弦波输入下输出与输入的幅值比、相位差随频率变化的特性，适用于周期性信号，关键参数含通频带、幅值误差、相位滞后。阶跃响应特性参数指阶跃输入下输出随时间变化的过程，适用于瞬态信号，关键参数含上升时间、调节时间、过冲量。传感器类型选定需结合测量对象与环境，分析多方面因素确定传感器原理类型，再考量其具体性能指标。灵敏度选择要点在线性范围内，传感器灵敏度越高越好，对应被测量变化的输出信号更大，更利于信号处理。频率响应特性要求其频率响应特性决定被测量的频率范围，需在允许频率内保持不失真测量，且希望响应延迟时间越短越好。[任务目标]：传感器的技术指标传感器选型依据[任务目标]：传感器的技术指标

线性范围与量程线性范围指输出输入成正比的范围，此范围内灵敏度恒定，线性范围越宽量程越大，选传感器先看量程是否满足需求。

传感器精度选择精度是重要性能指标，关系整个测量系统精度，只需满足系统精度要求即可，不必过高，可选便宜简单的传感器。

传感器稳定性要求稳定性指传感器使用后性能保持不变的能力，受自身结构与使用环境影响，需具备较强环境适应能力。[任务目标]：道路环境监测系统传感器选型举例声音传感器选型

声音传感器特性说明以MP9767为例，其灵敏度-48~66dB，频响50~20KHz，全指向低阻抗，最大电流500μA，工作电压3V。声音采集电路及原理典型采集电路含放大与比较模块，调节VR1设阈值，通过比较器输出电平信号，可接入微控制器或控制模块。[任务目标]：道路环境监测系统传感器选型举例空气质量传感器选型

传感器工作原理MQ135采用清洁空气中电导率较低的二氧化锡为气敏材料，污染气体浓度增加时其电导率增大，可通过简单电路转换为对应输出信号。传感器特性与应用驱动电路简单，寿命长、功耗低，对氨气、硫化物、苯系蒸气等灵敏度高，多用于空气质量检测、有害气体报警及空气设备控制。传感器技术参数涵盖产品类型、封装、检测气体与浓度，还有回路电压、加热电压等电路条件，以及加热电阻、灵敏度等元件特性参数。传感器测试电路需施加加热器电压VH和测试电压VC，VH可用交直流电源提供工作温度，VC须用直流电源，VRL为负载电阻RL上的电压。调研核心任务说明需完成道路环境监测系统传感器调研及传统传感器应用介绍，先开展资料查询、收集与分析对比，再完成资料整理展示（表3-4）。任务基础信息梳理于物联网××实训室，通过实训操作，完成道路环境监测系统传感器的选型相关任务选型相关待填项说明需列出道路环境监测系统传感器的选型依据，列出道路环境监测系统传感器的具体规格型号[实践操作][交互式练习测试题]填空题型设置包含两类题目，一是询问传感器技术指标的分类，二是列举传感器的多项静态指标。判断题型设置涵盖传感器供电要求、空气质量传感器类型、静态特性核心指标、动态指标内容、典型供电电压五方面判断。传感器静态指标A、精确度B、频率响应C、阶跃响应D、漂移传感器动态指标A、分辨力B、精确度C、灵敏度D、频率响应传感器选型要点A、传感器的类型B、传感器的灵敏度C、传感器的稳定性D、传感器的精度任务3.3系统监测终端节点功能实现06任务3.3系统监测终端节点功能实现硬件配置学习目标

熟悉道路环境监测系统中STM32F103ZET6的IO口、串口及二者的配置方法。接口与调试要求

掌握传感器与单片机的接口电路，完成基于串口的系统功能调试操作。综合能力培养

在任务实施过程中，锻炼团队协作能力，提升解决实际问题的能力。单片机的IO技术：单片机的GPIO口介绍GPIO口基础说明GPIO即通用型输入输出口，功能类似8051的P0—P3口，引脚可程控，能实现与外部通讯、控制或数据采集功能。STM32F103ZET6概况该芯片搭载72MHz的ARMCortex-M3内核，有高速嵌入式存储器，外设丰富，工作温度和电压范围宽，应用场景广泛。芯片GPIO口配置此144脚芯片含7组GPIO口，每组16个，可简称为PAx至PGx，x取值为0-15。GPIO口工作模式IO口输入、输出各有四种模式，共八种，涵盖模拟输入、浮空输入、开漏输出、复用推挽输出等类型。单片机的IO技术：单片机的GPIO口介绍

输入模式模拟输入（GPIO_Mode_AIN）、浮空输入（GPIO_Mode_IN_FLOATING）、下拉输入(GPIO_Mode_IPD)、上拉输入(GPIO_Mode_IPU)单片机的IO技术：单片机的GPIO口介绍输出模式

GPIO输出模式分类包含开漏输出、推挽输出、复用开漏输出、复用推挽输出四种类型，各对应图示说明。

GPIO核心特性说明支持2MHz、10MHz、50MHz三种最大翻转速度，I/O口寄存器需按32位字访问。

两类输出模式差异开漏输出无法直接输出高电平，需外部上拉，无外部上拉时为0或悬空；推挽输出可输出高低电平。

复用模式含义解读纯GPIO口无需考虑复用，若配置为串口、I2C、ADC、SPI等外设功能，则需启用复用模式。

GPIO配置操作方式通过编程相关寄存器设定功能，还可借助STM32CubeMX工具可视化配置，如设置PE6引脚为LED2的GPIO输出。单片机的IO技术：单片机的串口介绍USART/UART介绍

USART与UART定义USART是通用同异步收发器，UART是通用异步收发器，UART裁剪了USART的同步通信功能，仅保留异步通信。

USART功能特性可实现全双工数据交换，支持宽范围波特率选择，还支持同步单向、半双工单线通信，以及LIN、智能卡协议、调制解调器操作和多处理器通信。

STM32F1串口配置该系列微控制器含3个USART和2个UART，USART1挂载APB2总线，最高72MHz，其余挂载APB1总线，最高36MHz。

串口通信方式差异异步通信无需传递时钟信号，如RS232，实际应用更常用；同步通信则需要发送时钟信号。

串口引脚分布特点STM32F103VET6的USART/UART引脚有明确分布，除UART5外，其他收发器功能引脚有多个选择，便于PCB布线。单片机的IO技术：单片机的串口介绍配置USART外设的工作参数

01USART1图形化配置展开“Pinout&Configuration”标签页左侧“Connectivity”选USART1，配置为异步模式，打开参数配置标签设置波特率、数据方向，查看已配置引脚。

02串口查询式配置步骤先配置串口及对应I/O口时钟，再将I/O口设为复用推挽输出、输入悬空输入，接着配置串口参数，最后打开串口。单片机的AD技术

A/D与D/A转换器作用数字技术普及下，模拟量需转数字量供计算机处理，处理后数字量也需转模拟量，A/D、D/A转换器是二者间的桥梁器件。

A/D与D/A转换器定义模数转换器即A/D转换器，将模拟量转数字量；数模转换器即D/A转换器，将数字信号转模拟信号，二者是信息系统必备接口电路。

A/D转换核心过程模数转换包含采样、保持、量化和编码四个过程，部分过程可合并进行，如采样与保持、量化与编码可同步完成。转换精度STM32的ADC为12位逐次逼近型模数转换器，一般至少有ADC1，部分型号还配有ADC2。通道数ADC1共18个通道，含16个外部信号源、2个内部信号源，支持多种转换与结果存储模式。ADC含模拟看门狗STM32的ADC模拟看门狗，可检测输入电压是否超用户设定阈值，超阈值即置位AWD状态位。单片机的AD技术：ADC的基本特性单片机的AD技术：ADC的基本特性转换速度

ADC时钟参数要求ADC的输入时钟不得超过14MHz，该时钟由PCLK2经分频产生，需留意此参数限制。

ADC转换时间详情不同型号单片机在对应系统时钟下有不同最高转换时间，增强型、基本型、USB型产品各有具体数值标准。单片机的AD技术：ADC的基本特性

供电电压与参考电压ADC供电2.4V-3.6V，输入范围VREF-≤VIN≤VREF+，不同封装参考电压接法不同，2.4V参考时数字量=VIN/2×44096

规则通道转换期间有DMA（直接存储器存取控制器）请求产生。仅ADC1有此功能单击此处添加项正文ADCCLK时钟来源ADCCLK最高可达14MHz，源自经分频器的PCLK2（2、4、6、8分频），再经ADCPrescalers分频得到ADC转换时间构成整个转换时间＝采样时间＋12.5个周期（固定时间）采样时间设置说明采样时间可通过设置寄存器ADC_SMPR1的SMPx[2:0]选通道x采样周期，共8种，优先选大的以提升ADC稳定性与精确度。转换时间计算示例以14MHz时钟、1.5个采样周期为例，转换周期为14个时钟周期，换算后为1μs，其他情况可依此推算。单片机的AD技术：ADC采样周期与转换时间单片机的AD技术：规则组、注入组STM32的ADC1有16个外部通道，它们可被分成两组：规则组和注入组

何为规则组、注入组规则组：STM32ADC按指定顺序循环转换的指定通道组。注入组：可中断规则组转换的临时通道组。单片机的AD技术：规则组、注入组规则组、注入组各自的特性

规则组配置说明由多达16个转换组成，通道及转换顺序在ADC_SQRx寄存器选择，转换总数写入该寄存器L[3:0]位。注入组配置说明由多达4个转换组成，通道及转换顺序在ADC_JSQR寄存器选择，转换总数写入该寄存器L[1:0]位。寄存器更改影响若ADC_SQRx或ADC_JSQR寄存器在转换期间更改，当前转换会被清除，将发送新启动脉冲转换新选择组。内部通道特性内部温度传感器连ADCx_IN16，内部参照电压VREFINT连ADCx_IN17，仅ADC1有这两个通道，可按注入或规则通道转换。两组功能应用举例规则组可作为常规采集的“主业”，注入组作为临时监控的“副业”，启动注入组转换时规则组会暂停，完成后再继续。单片机的AD技术：规则组、注入组STM32的ADC的程序流程与编程要点

01ADC转换模式说明STM32的ADC有单次转换与连续转换两种模式，单次转换仅执行一次，连续转换完成即启动下一次。

02ADC程序操作流程以ADC1为例，需开启ADC1与对应GPIO时钟并配置引脚，设置分频因子、工作模式等参数，使能转换器，完成校准后读取AD值。

03ADC库函数要点ADC库函数在“stm32f10x_adc.h”和“stm32f10x_adc.c”中，需掌握转换模式、外部触发模式、数据对齐方式等关键函数配置。

04多通道数据传输多通道转换后数据存储有特定规律，如两通道转换时，数组偶数位与奇数位分别对应不同通道数据，需注意该存储规则。核心任务概述需完成STM32F103ZET6的IO口、串口及配置，传感器与单片机接口电路、串口系统调试，以及资料收集整理展示任务基础信息任务目的：熟悉STM32F103ZET6相关配置，掌握通信与ADC配置；于指定日期在物联网实训室实训操作实训操作内容使用STM32CubeMX工具完成GPIO、USART、ADC图形化配置，生成初始化代码框架，绘制节点软件功能流程图单片机的AD技术：[实践操作]单片机的AD技术：[交互式练习测试题]

填空题部分STM32F103ZET6的IO口4种输入模式；ADC基本特性含分辨率等；ADC1分两组通道。单片机的AD技术：[交互式练习测试题]判断题部分

输出方式判定题推挽输出是STM32四种输出方式之一，可输出高、低电平，需判断表述正误。

GPIO翻转速度考题两道题目提及GPIO支持2MHz、10MHz、50MHz三种最大翻转速度，其中一题单位书写有误，需判断正误。

通信方式差异考题包含同步与异步通信的区别判断，以及RS232（UART）采用异步传输、无需传递时钟信号的表述判断。【项目实施】07基础电路构建需搭建STM32单片机控制的最小环境监测电路，以此为基础搭建基于CAN总线的物联网控制系统。系统调试与测试在实验板上完成电路搭建，下载应用编程软件调试编程，实现道路环境监测系统终端数据采集和上传功能。CAN总线数据传输依托CAN总线进行数据汇总，完成物联网控制系统的搭建、测试与维护，保障系统稳定运行。道路环境监测系统功能实现道路环境监测系统功能实现系统搭建需搭建基于CAN总线的道路环境监测系统，含上位机、网关、CAN节点、三类传感器及调试器。道路环境监测系统功能实现：基于云平台的空气质量、光照、声音检测节点功能实现

操作步骤）主控模块配置将M3主控模块板的JP1拨码开关拨向“boot”模式，采用智慧盒烧写设置（如图3-4-2）配置串通与Flash参数用ST官方ISP工具“FlashDownloadDemostrator”下载固件，需配置串口号、波特率，选STM32F1_High-denity-512k型号后点Next选择需要下载的固件配置好串通与Flash参数后，点击指定按钮选对应后缀固件，点Next下载，终端与网关仅选文件不同。节点配置用M3主控模块配置工具，勿选485协议，开连接，配节点地址与传感器类型：模块1设0x0001+光照传感器，