馬宇譞

大連市第八中學

城市交通路況安全實時監(jiān)測信息顯示系統(tǒng)

馬宇譞

大連市第八中學

項目摘要；選題背景與意義；發(fā)明目的與基本思路；創(chuàng)新點；研究的方法與過程；硬件設(shè)計；硬件設(shè)計思路；軟件系統(tǒng)設(shè)計；實物照片；使用說明

一、項目摘要

本項目是基于STM32單片機開發(fā)的一種對城市道路交通安全的實時監(jiān)控系統(tǒng)，對汽車在道路行駛中遇到的突發(fā)情況通過屏幕實時顯示，使汽車司機能做好預判，防止汽車在道路行駛中甚至隧道中行駛遇到塞車、雨水積水過深等問題導致行車的不便，實現(xiàn)城市交通智能化、智慧化。該系統(tǒng)由光電檢測模塊；TFT液晶顯示模塊；水位檢測模塊；處理器模塊等組成。

在道路發(fā)生交通事故導致道路堵塞，以及在雨天道路積水使汽車有拋錨風險時，本裝置能通過道路兩旁的顯示屏，實時顯示當前道路情況。顯示信息分為兩部分，一部分為交通事故信息顯示，一旦前方有車輛發(fā)生交通事故，顯示屏會優(yōu)先顯示前方發(fā)生事故的信息，提醒司機繞行，避開事故路段。另一部分為雨天道路積水顯示，針對不同的汽車對道路積水深度的承受限度不同，因此本裝置設(shè)計一套能精確測量道路具體深度的模塊，將積水深度通過顯示屏顯示，司機通過具體的道路積水深度判斷是否可以通過積水路段，這樣避免了司機在雨天道路積水不知情的情況下，強行通過積水路段，導致汽車中途拋錨。

同時，針對傳統(tǒng)隧道安全進行創(chuàng)新設(shè)計，一旦在隧道內(nèi)發(fā)生車自燃等火災、發(fā)生車輛追尾連撞事故，風扇電機啟動、蜂鳴器報警，并通過光電對管傳感器、火焰?zhèn)鞲衅鞑杉嚓P(guān)信息，迅速通過無線將此信息傳遞到隧道相關(guān)路口、路段的顯示屏上“車禍、火災請繞行”這樣在第一時間使往來車輛繞道行駛，將有效緩解隧道內(nèi)和隧道兩端車輛交通擁擠，減少國家和人民生命財產(chǎn)損失。

二、選題背景與意義

本項目基于道路安全狀況，設(shè)計一款城市交通路況安全實時監(jiān)測信息顯示系統(tǒng)。近幾年來，隨著經(jīng)濟和社會發(fā)展迅速，城市規(guī)模不斷擴大，城市化進程的不斷加快，城市人口迅速增長，并隨著人民生活水平的不斷提高，機動車擁有量迅速增長，交通需求極大增加，原有的交通供需平衡被打破，而相反城市的基礎(chǔ)設(shè)施、交通管理設(shè)施和管理能力的提高跟不上交通需求發(fā)展速度，原有基礎(chǔ)設(shè)施的缺陷和弊端不斷暴露出來，交通管理的科技水平越來越顯得不足，交通管理的手段、措施尚處于經(jīng)驗型、摸索型的狀態(tài)，處于成長期。“十二五”公路水路交通運輸信息化發(fā)展提出總體目標：完善交通運輸運行監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)交通運輸系統(tǒng)的全網(wǎng)聯(lián)動和協(xié)同應用，在提高運行質(zhì)量、服務公眾出行、保障安全應急、強化決策支持方面取得明顯成效，推進綜合運輸體系建設(shè)，發(fā)展現(xiàn)代物流，實現(xiàn)低碳綠色交通，初步構(gòu)建智能交通運輸系統(tǒng)。

經(jīng)過我們的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，十五、十一五期間，我國公路系統(tǒng)進入大發(fā)展、大跨越時期。隧道因其具有改善路網(wǎng)，節(jié)約土地等優(yōu)點，逐漸成為公路建設(shè)的重要組成部分。但由于隧道具有空間狹窄、結(jié)構(gòu)封閉、視線差等缺陷，一旦發(fā)生交通事故，救援工作復雜困難，而且容易造成嚴重的交通阻塞，引發(fā)災難性的后果。因此，保證隧道行車安全至關(guān)重要。下面僅以2006年7月10日新建的椒金山隧道為例，至今已發(fā)生多次大大小小程度不同的交通事故，導致交通壓車擁堵短1小時，高達6小時，均給國家和人民的生命財產(chǎn)造成了損失。2014年6月6日上午8時許，入市區(qū)方向的椒金山隧道內(nèi)，一輛SUV突然起火自燃，火勢兇猛，大量濃煙灌滿隧道。事發(fā)后，數(shù)十輛車被困隧道內(nèi)，車上人員棄車逃生，相互攙扶著從黑暗隧道安全撤至洞外。SUV起火后，徹底將椒金山入市方向隧道堵死，由于正是出行高峰期，隧道里的車越積越多，從而導致東快路入市方向壓車嚴重。隧道全長達1095米，除了離南出口二三百米的地方無車，從著火車輛后幾米開始，隧道里的車都擠在一起，誰也動不了，“當時隧道里至少有100多輛車被困”。就在車上人員撤離時，著火車輛發(fā)生了爆炸。伴隨著爆炸聲，一陣陣黑煙從車中冒出。黑煙迅速隨風向北刮過來，黑煙特點嗆人，令人喘不過氣來。一段時間后，黑煙仍不斷地從隧道口冒出，越來越濃，即使站在隧道口處，也看不清離出口最近的車輛。撤出隧洞的司機、記者、交警等人員身上，臉上滿是黑灰。入市老隧道發(fā)生事故后，東快路入市方向基本處于“癱瘓”狀態(tài)。為了緩解交通壓力，交警部門將新隧道全部轉(zhuǎn)為入市方向，即使如此，東快路入市方向仍然車滿為患。受此影響，東快路出市方向壓車現(xiàn)象嚴重，致使東快路交通癱瘓2點30分。高。汽車往往在行駛時，由于能見度差，積水深度靠肉眼判斷，經(jīng)常造成誤判的情況，導致汽車盲目通往積水路段，由于很多路面處于坡面，當司機意識到路面積水太深無法通過時，已為時已晚。目前出現(xiàn)城市積水，許多下水管道不通是一個十分重要的原因，這主要是缺少專業(yè)施工隊伍施工導致。另外，有關(guān)部門沒有按時清理管道，部分路面垃圾泥沙過多，導致降水時管道堵塞，排水不暢。部分地區(qū)管道設(shè)計只注重該地的排水，沒有顧全區(qū)域性的排水，也是強降雨時多地積水的重要原因。所以非常有必要設(shè)計一款能顯示路面積水深度的裝置，提醒司機遇到積水路面繞行。

另一方面，我們發(fā)現(xiàn)每在南方等地由于雨量充沛，有時暴雨連連，經(jīng)常出現(xiàn)路面積水的情況，尤其在夏天極端天氣出現(xiàn)頻率更

通過以上調(diào)查研究分析，道路行車安全、路面積水、隧道安全成為交通的最大隱患，發(fā)生頻率又是非常之高，因此我們設(shè)計了本項目系統(tǒng)，旨在有效減少事故的發(fā)生。一旦發(fā)生相關(guān)的事故，能夠第一時間做出相應的處理方案，使城市道路交通智能化，實現(xiàn)智慧城市設(shè)計。

三、發(fā)明目的與基本思路

1、使交通安全智能化、城市智慧化，通過道路安全實時監(jiān)控顯示系統(tǒng)，減少道路安全事故堵塞風險，保障人民生命財產(chǎn)安全，減少國家維護道路交通堵塞成本。

2、將道路信息實時顯示在道路兩旁的顯示屏上，使過往的車輛能第一時間獲取前方路段的基本信息，在發(fā)生突發(fā)情況時（如車禍、道路積水嚴重）對行駛線路做出相應的調(diào)整，避免造成不必要的生命財產(chǎn)損失。

3、道路通暢情況下，本系統(tǒng)也能顯示道路積水等基本信息，同時在道路交通堵塞時會自動進行提醒，所以對于堵車、車輛追尾等情況，本系統(tǒng)也能提醒司機改變線路繞行。

4、隧道內(nèi)交通安全智能實時監(jiān)控系統(tǒng)，保障隧道交通安全，緩解交通擁堵減少國家和人民生命財產(chǎn)損失。

5、及時將隧道內(nèi)的信息發(fā)送到隧道往來路口、路段屏幕上，讓來往的車輛司機第一時間發(fā)現(xiàn)隧道的通行狀況（如車禍導致的堵車、火災等）及時對汽車行駛路線進行調(diào)整。

6、一旦車禍發(fā)生嚴重，導致隧道內(nèi)發(fā)生火災等事故，在報警時，啟動風扇電機，向隧道外排氣。

7、本系統(tǒng)不僅在屏幕顯示隧道內(nèi)交通正常信息同時在屏幕顯示，追尾撞車信息火災信息。

四、創(chuàng)新點

1、以多個STM32單片機為主要控制中心，采取多核同時工作處理的方式，能夠迅速處理各傳感器的信息，并且設(shè)置優(yōu)先級對報警信息比對，顯示最緊要的報警信息，保障道路行駛安全，實現(xiàn)道路安全的實時監(jiān)控，緩解車禍造成的二次堵車，減少雨天積水造成的財產(chǎn)損失，保障道路交通安全。

2、采用光電對管傳感器、水位傳感器、TFT顯示模塊等實時監(jiān)控道路車輛行駛、交通安全相關(guān)信息，第一時間檢測車禍信息，在積水達到限度時提醒司機注意路面機積水情況，積水深度實時顯示，同時在車禍道路堵塞發(fā)生時優(yōu)先顯示車禍信息，防止司機在雨天車禍堵塞情況，使汽車被迫在積水路段拋錨。

3、跳出傳統(tǒng)視頻監(jiān)控方式，采用無線傳遞信息和獨立顯示系統(tǒng)，實現(xiàn)隧道交通安全實時監(jiān)控系統(tǒng)，有效緩解隧道交通壓車擁堵保障隧道交通安全。

五、研究的方法與過程

1、觀察選題；2、查新定題；3、研究隧道監(jiān)控的實現(xiàn)方法，設(shè)計構(gòu)思；4、找材料、選材料，原則上能代替則代替；5、制作、實驗；6、修改再實驗；7、整理總結(jié)。

六、硬件設(shè)計

1、技術(shù)路線

如圖所示，在選題基礎(chǔ)上結(jié)合單片機控制技術(shù)，計算機原理，嵌入式開發(fā)原理，軟件工程技術(shù)，傳感器技術(shù)，結(jié)合現(xiàn)有資源，對道路安全信息實現(xiàn)實時智能監(jiān)控，實現(xiàn)智慧城市智慧交通。

2、系統(tǒng)總體方案

本設(shè)計系統(tǒng)通過傳感器和模數(shù)AD轉(zhuǎn)換模塊將車禍、積水等信息轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號發(fā)送給控制中心，單片機收到信號迅速做出判斷，比對當前數(shù)值是否超過限值，將結(jié)果快速顯示在TFT屏幕上，對采集的數(shù)值進行實時顯示調(diào)整，單片機將迅速做出報警判斷，將報警信息發(fā)送到屏幕上。而主控方面采用STM32、89C52單片機分別控制中心控制系統(tǒng)和獨立顯示系統(tǒng)，其操作起來簡單易懂、易修改，同時也考慮操作的簡單方便性，設(shè)計出一種經(jīng)濟、實用且功能強大的智慧城市道路交通安全系統(tǒng)。

本項目目前只介紹了當前的設(shè)計方案，未來將會結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)進行“車聯(lián)網(wǎng)”設(shè)計，使每一輛車都能夠智能化行駛、管理，甚至取消交通燈的設(shè)計，讓車輛在路口自動停車并有序得行駛，真正意義達到智慧城市、智慧交通。

3、系統(tǒng)功能介紹

（1）車流量檢測

其主要應用光電對管實現(xiàn)對車輛的流動的檢測，其會根據(jù)不同的距離進行不同的檢測，當車輛來往時，其會返回脈沖進行，通過捕捉下降沿信號實現(xiàn)對車輛來往的檢測，由于光電對管的局限性，其只能檢測一條線上的來往，所以其擺放位置會根據(jù)車輛的車型、大小等因素進行調(diào)節(jié)，而且較為重要的一點則是兩個光電對管的間隔距離問題，其間隔不能超過一個車位的距離，否則檢測到的結(jié)果將會發(fā)生偏差。

（2）道路車禍等信息檢測

車輛在路面正常行駛時，如果前方遇到車禍等交通事故，如果沒有及時提醒，車輛在通過事故路段時將遇到堵車情況，堵塞嚴重時車輛甚至會處于進退兩難的局面，導致整個道路交通癱瘓，如果提早提醒司機前方路段事故改道繞行的話，將減少嚴重堵車風險。車禍的檢測通過光電對管發(fā)射脈沖信號，正常情況下，脈沖接收端在沒有事故或者交通堵塞時接收高電平信號，如果道路發(fā)生堵塞車禍等情況，兩個紅外對管將返回低電平信號，將車禍堵塞信息發(fā)送給控制中心進行下一步處理。

（3）隧道車禍等信息檢測

當車輛非正常行駛時，會發(fā)生滯留在隧道內(nèi)部的情況發(fā)生，這種情況會導致隧道內(nèi)部的交通癱瘓，甚至當內(nèi)部空氣污染過于嚴重時會對人的人體健康造成威脅，因此，對此的檢測就顯得非常重要，在車輛滯留時，光電對管會返回低電平信號，而當無車輛來往時會返回高電平信號，所以當其檢測到低電平信號達到一定時間后即識別出其為車禍滯留，為隧道的正常通行帶來了困擾與障礙，識別為車禍信息。

（4）火災報警

當交通事故嚴重時，其不免會發(fā)生火災等狀況，此時通過火焰報警器將發(fā)生警報，同時在隧道的兩端阻止車輛的進入，其隧道內(nèi)部打開排氣風扇，將由于火災而產(chǎn)生的粉塵和煙氣排除，以免對人體造成傷害。

（5）積水檢測

積水深度的檢測通過水位檢測傳感器，輸出一路模擬電壓信號給模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，將模擬信號轉(zhuǎn)換成單片機能識別的數(shù)字信號，單片機將獲取的8位數(shù)字信號通過計算的出當前水位的準確值，并將信息發(fā)送到顯示器上顯示。

（6）信息顯示系統(tǒng)

其系統(tǒng)之間采用的是無線傳輸，將內(nèi)部的檢測通過無線將信息傳遞到隧道兩端或者道路兩旁的顯示屏上，及時通知人們隧道內(nèi)部的行駛狀況，對其第一時間進行選擇交通狀況良好的道路上行駛。隧道顯示分為三種模式，一個為正常通行，即在車輛正常來往行駛時其會顯示正常的相關(guān)信息，其二則是車禍信息，一旦隧道內(nèi)部發(fā)生車禍等車輛滯留信息，其會顯示出車禍，提醒車輛進行繞行，另一個便是火災信息，隧道內(nèi)部一旦發(fā)生火災，其優(yōu)先級為最高，將向隧道前與隧道后的兩個控制中心發(fā)送信息緊急停止，讓車輛不要進入到其中。而道路信息顯示則有道路積水水位信息和車禍信息供司機參考。

七、硬件設(shè)計思路

1、控制中心電路

下圖為單片機控制電路，由晶振電路驅(qū)動單片機工作，設(shè)定不同的引腳口接收紅外對管的信號和水位數(shù)字信號，再通過連接LCD或者TFT顯示屏的引腳將信息顯示出來。

上圖為單片機的控制芯片電路，L1,L2,L3,L4分別對應光電對管的4個信號線，通過光電對管采集的信息將其返回到單片機中，進行下一步處理，TX和RX為無線發(fā)送與接收部分，通過無線模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送出去與接收回來。BEEP和MOTOR分別對應著控制蜂鳴警報和風扇，均可對其引腳直接拉到高電平即可實現(xiàn)對蜂鳴器和風扇的開關(guān)操作。

2、液晶顯示電路

供電電壓保持在3.3v-5v能使液晶正常工作。

TFT液晶

5110液晶

3、紅外對管電路

發(fā)射端和接收端集成在一個電路板上，可通過可調(diào)電阻調(diào)節(jié)光電對管的檢測距離。

4、水位傳感器電路

水位通過唯一的輸出端輸出水位電壓信號。

5、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路

本模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊為8位AD轉(zhuǎn)換模塊，能精確采集模擬電壓信號并轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。

八、軟件系統(tǒng)設(shè)計

軟件的設(shè)計是系統(tǒng)能否實現(xiàn)功能的核心，本系統(tǒng)采用了多個控制器，每個控制器實現(xiàn)不同的功能，整個系統(tǒng)在各個控制器的協(xié)調(diào)下實現(xiàn)所設(shè)計的功能。系統(tǒng)的所有程序均采用C語言編寫。

系統(tǒng)程序采用模塊編寫，各相應硬件模塊的主要程序設(shè)計均以程序流程圖的形式給出，程序的編寫只要對照程序流程圖編寫相應的語句即可。

九、實物照片

上層實物照片：

下層實物照片

十、使用說明

1、隧道光電對管位置

四個元件即光電對管（圖中為側(cè)視圖，即只顯示2個），只需將其對準行車的期間位置，就可以對來往車輛進行流動檢測，其左右間隔只需對著車行駛的位置就可以，而前后的間隔需要控制在一個車身的距離之內(nèi)。

大部分物流企業(yè)在成本核算時不能對所有的費用進行歸集。對有些物流人員消極怠工或者工作效率低而增加時間成本也沒有重視起來。

2、道路光電對管的放置與調(diào)試

四個光電對管放置在道路兩旁，每兩個檢測一條道路。兩個光電對管的位置至少要超過一個汽車機身，這樣在檢測時可以同時檢測車流量堵塞和車禍情況。其次是調(diào)節(jié)光電對管的繼電器，從而調(diào)節(jié)紅外對管的識別距離。

3、水位檢測傳感器

水位傳感器要放置在道路路面最低處，可以在第一時間檢測到有效積水深度，水位傳感器由于要豎直放置所以要注意水位傳感器的固定。

4、火源檢測報警與風扇排氣

火焰?zhèn)鞲衅魍ㄟ^對火源的識別進而判斷是否發(fā)生了火災，其對火焰的傳感距離可調(diào)、角度可調(diào)，實現(xiàn)隧道內(nèi)部無死角檢測，保證安全質(zhì)量檢測的目的，同時會打開警報提醒人們，風扇此時會自動打開，將煙排出。

5、無線傳輸

由于隧道的長度問題影響，如果使用有線傳輸，會使其造價非常大，而且其操作修整極其繁瑣，故此應用無線傳輸設(shè)備進行無線的發(fā)射接收處理數(shù)據(jù)，可有效將數(shù)據(jù)發(fā)送到隧道兩端的無線接收端，實現(xiàn)有效的信息傳輸。

6、液晶顯示信息

采集信息對于智能交通是遠遠不夠的，更重要的是將信息傳遞出去，將有效的信息及時告訴行車司機，液晶顯示部分可有效把信息顯示在屏幕上，其屏幕通過LCD顯示，不用擔心在天氣較差的情況下看不到。

圖為無線接收部分，使用一對即可完成主端和從端的收、發(fā)通信操作。

7、控制電路與獨立電源

每一個部分的電路均采用獨立電源供電，同時會有電源電量采集，當電量降到一定電量下會提醒工作人員進行更換電池、充電等。如圖所示為其控制電路與穩(wěn)壓電源部分，通過可充電的鋰電池直接輸出到降壓芯片，穩(wěn)壓后輸出穩(wěn)定的5V電壓，后供給單片機、光電對管、TFT液晶顯示屏等，控制電路采用STM32單片機對整體系統(tǒng)進行邏輯控制，同時控制著數(shù)據(jù)的無線收發(fā)等等。

8、注意事項

（1）光電對管的距離需要根據(jù)不同的隧道進行不同調(diào)整，并不是所有的隧道規(guī)格都一樣。

（2）使用時的環(huán)境溫度在-40℃～+120℃之間。

（3）充電電池要保證至少6V的工作電壓，穩(wěn)壓模塊會有1V左右壓降，若低于5V可能會導致其不能正常工作。