一种基于北斗定位系统的道路积水检测装置

南京信息工程大学 李雅宁 韦 澜

道路安全关系着百姓生活的各个方面，如何防止道路交通事故的发生，是一个重要的问题。2019年，国内道路交通事故造成67759人死亡，约27.5万人受伤。尤其在特殊天气状况下，发生了不计其数的道路交通安全事故。由此可见，不良天气条件极大增加了道路安全事故发生的可能性。

当前，全球卫星导航系统（GNSS）在辅助道路车辆行驶上，产生了巨大的作用，实时的交通导航，路况报告，都为安全行驶提供了良好的保障。GNSS 在地理定位，路径规划和道路选择等应用上已经趋于成熟，但是在道路气象信息预报、预警上，仍有很大的应用空间。很多情况下，突发的天气状况以及小范围内因天气原因造成的道路状况的改变，无法由广域的气象预报信息获得，而局域的气象信息只能提供天气状况的参考，无法完全作为行程规划的依据。

针对目前道路交通因积水问题产生的拥堵，及安全事故等各种问题，基于北斗导航定位系统的定位特点，设计了实时道路积水检测系统。道路积水检测系统包括硬件积水检测系统和配套软件上位机，远程实时显示积水状况和位置信息。一旦检测到积水，系统自动报警；上位机软件具备数据的显示和统计功能，能定点显示当前位置，并在界面内绘制出各个时间段的积水信息图像。同时，实现数据共享，积水信息可以通过无线传输模块同步上传到云端，用户可登录系统查看信息。该系统相较于市面上的水位检测系统，更加简易、低功耗、更易安装应用，且成本更加低廉；使用北斗导航定位系统，定位更加精确，时间精度更高；使用开关液位传感器，数据处理更加便捷；使用基于LoRa扩频的无线传输模块，数据传输更加稳定。此外，该系统还可接入互联网，搭建服务器平台公开气象数据，实现城市降水实时播报。本系统能有效地在雨水天气帮助车辆规避积水路段，减少发生因积水过深导致车辆排气管进水，车辆抛锚的事故的可能性，保障车辆的行驶安全。

1 系统总体方案

本文所设计的道路积水检测装置采用基于Cortex-M3内核的STM32单片机作为主控芯片，该芯片具有高性能、低功耗、丰富片内外设的特点，负责系统的主要控制行为：根据主控器设定的阈值，接收开关液位传感器传回的积水数据，并根据积水数据进行道路积水状况的判断；接收北斗定位模块传回的实时定位数据，提供车辆当前的精确位置信息；系统将道路状况数据和积水数据利用LoRa无线扩频模块，传输给上位机系统，上位机系统对数据进行分析显示，并利用大数据车辆反馈的道路积水状况，为车辆规划行车路径。系统的设计框架如图1所示。

图1 积水检测装置设计框架

北斗定位模块是基于SkyTraS1216F8-BD芯片设计的GPS/北斗双模定位模块和3m有源天线共同组成，基于NMEA-0183通信协议，更新速率20Hz，能够达到精准的地理定位。

LoRa无线扩频模块是基于远距离无线电（Long Range Radio，LoRa）线性调频扩频的调制技术实现的射频器件，采用SX1268射频芯片，通过UART串口进行数据的收发，通信距离为10km，能够保证物联网系统的远距离通信和信号有效性。系统利用LoRa无线扩频模块与STM32单片机、电脑上位机之间实现远距离数据交互，STM32单片机利用LoRa模块将数据发送出去，电脑上位机利用LoRa接收串口数据后通过ACCESS数据库进行数据的存储，并在上位机上进行数据的显示和分析。

2 数据采集

开关液位传感器选用的是红外光学液位计，传感器模块将检测到的液位通过光学传递，改变材料的导电率，将液位信号转换为电压信号进行输出，利用AD0809模数转换器，将传感器的电压信号采集、放大并输出给STM32单片机。ADC0809芯片是一个8位的逐次逼近型数模转换器（Analog to Digital Converter，ADC），芯片内置一个8位AD转换器，一个地址锁存译码开关，一个8路模拟开关以及一个三态输出锁存器，ADC0809具有控制简单、低功耗、低成本的应用优势，在不需要较高精度的场景下，是一个良好的选择方案。

3 软件设计

3.1 北斗定位模块数据处理

北斗模块同外部设备的通信接口采用UART串口方式进行通信，采用的输出协议为NMEA-0183协议，控制协议为SkyTraq协议。NMEA-0183协议是GPS/北斗导航设备统一的RTCM（Radio Technical Commission for Maritime services）协议，该协议利用ASCII码传递GPS定位信息，数据格式为：帧起始位、地址域信息、数据信息、校验和前缀、校验和、帧结束位。北斗定位流程图如图2所示。

图2 北斗定位流程图

3.2 积水数据处理

积水数据的采集是通过ADC输出给STM32单片机，单片机为了保证数据接收的准确性，利用芯片片内的AD采集通道，对积水检测信号进行采集，处理后发送给上位机系统。积水数据处理流程图如图3所示。

图3 积水检测流程图

4 上位机设计

积水检测上位机设计是基于.NET Framework平台的客户端开发的Windows窗体应用程序，由C#编程语言进行开发，采用ACCESS数据库作为系统数据的记录、存储和系统工作状态的记录。

上位机能够显示各个检测装置所在路段同车辆的实时距离，可以帮助司机有效规避积水路段，防止因为积水导致的车辆熄火或者其它道路交通安全事故。

5 道路积水检测装置功能测试

道路积水检测装置设计制作完成，积水检测使用开关液位传感器，利用纸杯模拟积水检测环境。首先启动系统，获取初始位置状态，在无积水状态下，单片机启用低功耗模式，上位机休眠；在积水开始产生的情况下，单片机通过无线传输模块，向上位机广播积水状况、积水产生预警；在积水水量达到预警值，警戒灯闪烁，提醒车辆，单片机通过无线传输模块，向发送范围内可接收的上位机广播积水信息、积水预警，上位机显示积水路段图像信息；在积水水量达到警戒值，警戒灯常亮，单片机通过无线传输模块，广播积水信息，警戒信息，上位机显示积水图像信息。

结束语：本文系统实现了基于北斗定位系统的道路积水检测装置的设计与实现，系统可以根据积水检测状态进行报警和远程显示，具有检测速度快，显示范围广，使用安装方便、成本低等优势。系统作为嵌入式硬件，经过拓展，可以被应用于搭建网站平台公开气象数据，实现城市道路积水的实时播报。