專利名稱：高速公路氣象監測系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種交通安全設施技術領域，尤其涉及一種高速公路氣象監測系統。
背景技術：
隨著高速公路的快速發展和汽車擁有量的急劇增多，高速公路的行車事故愈加頻 繁，尤 其是霜霧、雨雪天氣所引發的追尾乃至連環追尾的事故屢見報道。為此，在高速公路 設立氣象監測裝置，實時發布監測路段的氣象信息，以及由氣象信息綜合生成的監測路段 行車安全參數，包括道路、安全車距及車速閾值信息，對預防車輛追尾、確保行車安全有著 重要意義。申請號為200910060562. 4、申請日為2009_01_16的發明專利申請公開了《高速公
路防追尾預警系統》。該系統由高速公路全程雙向車道的N個監測點(子網)和控制終端 組成；每個子網由多個內嵌有微處理器的超聲探頭、RS-485多機通信接口電路及聲光警示 牌等組成。在高速公路的入口處布設控制終端，控制終端由GSM/GPRS遠程通信模塊、PC工 作站及監測顯示模塊組成。該發明專利申請給高速公路預防車輛追尾提供了一個實用的平 臺，但也存在一些急待完善的問題1、造成追尾事故的氣象因素不僅是霜霧所帶來的能見度原因，雨雪天氣尤其是道 路覆雪、結冰使得路面附著系數減少，車輪容易打滑和側滑，也是造成追尾事故的重要氣象 因素。2、在技術層面上，尚無可實用于高速公路的冰雪傳感器面市，對冰雪的監測仍停 留在人工觀察的基礎上。3、現有能見度測量主要分為透射法和散射法(包括前向型及后向型散射測量)兩 大類。散射法能見度儀的優點是易于安裝，且標定及維護相對容易，缺點是測量結果在雨、 雪天氣以及儀器光源功率變化、鏡頭灰塵可產生較大誤差甚至難以修正。透射法采用收發 端分離的形式，它檢測的是光在傳播時因大氣中微粒消光作用衰減后的光強。為了保證測 量的準確度和能見度測量的范圍，發射器和接收器距離不能太短，而激光發射器的功率也 不能太小，因而設備體積大、價格較高。尤其是光路中不允許存在障礙物，加之收發端相距 較遠，往往對測量結果帶來嚴重影響。4、現有的風速風向儀大體可分為三類，分別是機電式、熱簿膜溫差式和超聲波式。 機電式風速儀與風向儀是兩者分離的，機電式風向儀利用七位格雷光電碼盤將風向標所指 風向轉換成角度碼，其主要缺憾是光電器件的使用壽命及價格因素難以在高速公路的多點 監測中大范圍推廣。熱簿膜溫差式風速風向儀是利用風的上游和下游會對熱膜表面產生不 均勻冷卻的原理，通過測量芯片表面產生的溫度梯度來反映風速和風向。保持芯片溫度和 環境溫度之差ΔΤ在合適的范圍是熱簿膜溫差式風速風向儀能否得到可靠風向信息的關 鍵。超聲波式風速風向儀的缺點不僅是受到環境溫度和價格的約束，而且與熱簿膜溫差式 風速風向儀一樣，要受到雨雪或粉塵的影響。顯然，尋求適合于高速公路的風參數測量儀 器，尤其是風向儀也是實現高速公路氣象監測的不可忽視的環節。
5、高速公路各路段的地形、地勢、道路結構以及濃霧、冰雪發生程度不盡相同，若多點布設氣象監測裝置所涉及的設備費用是一個能否實施的瓶頸問題，所以降低氣象監測 裝置成本是該發明的一個關鍵技術。

發明內容
針對上述問題，本發明提出了一種基于多傳感器融合技術組建的高速公路氣象監 測系統。該系統費用低廉、安裝方便，能實時監測高速公路相關路段環境溫度、地表溫度、能 見度等級、降雨(雪)量、降雨(雪)強度、降雨(雪)時間及路段分布等相關高速公路氣 象參數，并能根據氣象參數的變化，自動生成或調整高速公路不同路段、不同氣象條件下的 安全車距及車速的示警閾值，為預警追尾、超速等事故的發生，為提高道路通暢率，提供了 科學依據及安全保證。本發明提供的技術方案是根據氣象、交通資料分析和實地調研，確定高速公路上交通事故多發及濃霧易生 路段及區域，并在相應路段或區域合理布設數個高速公路氣象監測點裝置。在高速公路的 入口處布設控制終端，高速公路氣象監測點裝置由環境溫度傳感器、地表溫度傳感器、風速 傳感器、風向傳感器、冰雪傳感器和能見度測量模塊、微處理器及GSM/GPRS遠程通信模塊、 RS_232通信接口電路、時鐘芯片組成。控制終端由GSM/GPRS遠程通信模塊、Windows NT 構成的PC工作站和監測顯示模塊組成。控制終端通過GSM/GPRS網絡與各氣象監測點進 行數據交換，并實時將高速公路各監測路段或區域的相關氣象數據顯示在監測顯示屏上， 控制終端的PC機自動(亦可由控制終端的工作人員綜合會商)生成或調整高速公路不同 路段、不同氣象條件下的安全車距及車速的示警閾值，并通過GSM/GPRS網絡向申請號為 200910060562. 4、申請日為2009-01-16的《高速公路防追尾預警系統》的發明專利申請提 出的高速公路防追尾預警系統各監測子網廣播發布該路段或區域的安全車距及車速的示 警閾值。為了克服現有透射法或散射法能見度儀的一些缺憾，本發明公開了一種融合透射 法和散射法優點的能見度測量模塊；發射器電路將紅外激光照射在樣本空間，透射光多次 通過兩個直角棱鏡后由透射式接收器電路接收，從而達到折疊光路、縮短發射器與探測器 距離的目的。而前向散射光由散射式接收器電路接收，保留了前向散射法測量動態范圍大、 近程探測靈敏度高等優點。兩接收器電路中的從微處理器不僅能判別、剔除或修正隨機采 集的初始測量數據中的奇異值，而且能有效改善因激光發射器功率不穩定帶來的測量精度 問題。另外，為解決在霜霧測量環境中、棱鏡表面易產生的簿霧或結露弊端，可在直角棱鏡 激光束透射面邊框及兩側面涂復PTC導電加熱膜、并埋植電極金屬線，實現對棱鏡的定時 加熱，達到消除簿霧或結露的目的。雨雪天氣尤其是大雨暴雪不僅能顯著降低能見度，而且改變路面抗滑能力，當然 也是造成追尾事故的重要氣象因素。本發明公開了一種冰雪傳感器，不僅能定量監測道路 的降雪量、降雪強度和降雪歷時等，并具有融雪、雨、相對濕度和環境溫度監測于一體的諸 功能，較好地解決了高速公路冰雪監測的問題。為了克服機電式、熱簿膜溫差式和超聲波式風向儀的缺點，本發明公開了一種多 路電容式的風向傳感器，該風向傳感器利用一個低慣性的風向標部件隨風旋轉，帶動轉軸下端的電容風向測盤測量風向。電容風向測盤的內側安裝有16片等弧長的靜極金屬箔條， 16片金屬箔條與第一模擬開關的16路輸出端口依次連接。在風向標轉軸上固定連接一根 動極金屬箔條，動極金屬箔條弧長約為靜極金屬箔條弧長的兩倍。當風向標轉軸轉動時，風 向傳感器從微處理器通過對第一模擬開關的控制，依次選通16個靜極金屬箔條為激勵電 極，隨后，風向傳感器從微處理器再依次選通第二模擬開關的端口，分別測出激勵電極相鄰 前后兩靜極金屬箔條電極的電容值及比對值，經數字濾波及查表后，即可判別測量該風向 測點的瞬時風向、2min風向及lOmin風向等參數。比對值算法結合查表程序的采用，不僅節 省了存儲空間、提高了 CPU運算速度，而且較好地解決了溫差所帶來的誤差變化，大幅度提 高了風向監測精度。具體地說，本發明由在高速公路各路段及區域布設的氣象監測點裝置A和在高速 公路入口處布設的控制終端B組成；氣象監測點裝置由主微處理器、RS_232通信接口電路、環境溫度測量模塊、風向傳 感器模塊、冰雪傳感器模塊、能見度測量模塊、CAN總線收發驅動器、地表溫度測量模塊、時 鐘芯片、GSM/GPRS遠程通信模塊、風速傳感器模塊和CAN總線組成；主微處理器通過CAN總線收發驅動器連接至CAN總線上；風速傳感器模塊、風向傳感器模塊、冰雪傳感器模塊和能見度測量模塊通過各自 內嵌的從微處理器和CAN總線收發驅動器接入CAN總線上；地表溫度測量模塊與主微處理器的AINO端相連；環境溫度測量模塊和時鐘芯片 包含于冰雪傳感器模塊中，且與冰雪傳感器模塊中的從微處理器相關I/O 口連接；GSM/ GPRS遠程通信模塊80A通過RS_232通信接口電路01與主微處理器的TXO、RXO端相連。控制終端由GSM/GPRS遠程通信模塊、監測顯示模塊和PC工作站組成； GSM/GPRS遠程通信模塊通過RS_232通信接口與PC工作站進行連接；監測顯示模 塊通過DVI數字視頻接口與PC工作站進行連接。本發明具有下列優點和積極效果1、工作可靠、性價比高及使用壽命長；2、本發明中休眠_激活技術的采用，不僅延長了各監測模塊的使用壽命，減少通 信數據量和通信時間，而且大幅度降低各氣象監測點的功耗及設備運行成本；3、適合環境條件復雜的高速公路應用場合。


圖1是本發明的結構方框圖；圖2A是風速傳感器模塊和風向傳感器模塊的整體結構示意圖；圖2B是風向傳感器的電容風向測盤結構示意圖；圖2C(a)、圖2C(b)分別為風向傳感器測量電路原理上、下圖；圖3A是能見度測量模塊的光路圖；圖3B是能見度測量模塊發射端電路原理圖；圖3C是能見度測量模塊接收端電路原理圖；圖4為地表溫度測量模塊電路原路圖；圖5為控制終端軟件功能圖。
其中A-氣象監測點裝置； B-控制終端；00-主微處理器；01-RS_232 通信接 口 電路；10-環境溫度測量模塊；20-風向傳感器模塊，21-風向標，22-電容風向測盤，23-信號數據線， 24-支撐架，25-風向傳感器測量電路；30-冰雪傳感器模塊；40-能見度測量模塊；50-CAN總線收發驅動器；60-地表溫度測量模塊；70-時鐘芯片；80A、80B-GSM/GraS 遠程通信模塊；90-風速傳感器模塊；100-CAN 總線；110-監測顯示模塊；120-PC 工作站。
具體實施例方式下面結合附圖與實施例，對本發明詳細說明一、總體結構如圖1，本發明由在高速公路各路段及區域布設的氣象監測點裝置A和在高速公 路入口處布設的控制終端B組成；1、氣象監測點裝置A由主微處理器00、RS_232通信接口電路01、環境溫度測量模 塊10、風向傳感器模塊20、冰雪傳感器模塊30、能見度測量模塊40、CAN總線收發驅動器 50、地表溫度測量模塊60、時鐘芯片70、GSM/GPRS遠程通信模塊80A、風速傳感器模塊90和 CAN總線100組成；主微處理器00通過CAN總線收發驅動器50連接至CAN總線100上；風速傳感器模塊90、風向傳感器模塊20、冰雪傳感器模塊30和能見度測量模塊40 通過各自內嵌的從微處理器和CAN總線收發驅動器接入CAN總線100上；地表溫度測量模塊60與主微處理器00的AIN0端相連；環境溫度測量模塊10和 時鐘芯片70包含于冰雪傳感器模塊30中，且與冰雪傳感器模塊30中的從微處理器相關1/ 0 口連接；GSM/GPRS遠程通信模塊80A通過RS_232通信接口電路01與主微處理器00的 TX0、RX0端相連。2、控制終端B由GSM/GPRS遠程通信模塊80B、監測顯示模塊110和PC工作站120 組成；GSM/GPRS遠程通信模塊80B通過RS_232通信接口與PC工作站120進行連接；監測顯示模塊110通過DVI數字視頻接口與PC工作站120進行連接。二、主要功能塊結構1、風向傳感器模塊20如圖2A、圖2B、圖2C (a)、圖2C (b)，風向傳感器模塊20包括風向標21、電容風向測 盤22、信號數據線23、支撐架24和風向傳感器測量電路25 ；固定在支撐架24上的電容風 向測盤22的中心轉軸的頂端連接有風向標21，電容風向測盤22通過信號數據線23和風向 傳感器測量電路25連接；所述的電容風向測盤22包括絕緣底盤221、靜極金屬箔條222、動極金屬箔條223 和轉針224 ；在絕緣底盤221圓周上等間隔內嵌有16片靜極金屬箔條222 (即圖2C中與第 一模擬開關輸出相連的1-16號靜極金屬箔條)，在絕緣底盤221的中心軸上連接有轉針 224，轉針224和動極金屬箔條223垂直連接；動極金屬箔條223的弧長約為每片靜極金屬 箔條222弧長的兩倍；所述的風向傳感器測量電路25包括正弦波信號發生器2501、第一模擬開關2502 和第二模擬開關2503、射級跟隨器2504、正弦波移相器2506、正弦波/方波轉換電路2507、 風向測量電路2508、前置放大電路2505，第二級放大電路2509，第三級放大電路2510和第 四級放大電路2513、4066A模擬開關2511、有源低通濾波器2512、從微處理器2514以及CAN 總線收發驅動器2515;正弦波信號發生器2501的輸出分為兩路一路連接至模擬開關2502的輸入端1/ 0，另一路連接至射級跟隨器2504的一個輸入端；模擬開關2502的16位輸出端口不僅與模擬開關2503的16路輸入端對應連接， 還分別與電容風向測盤22的16片靜極金屬箔條222對應相連；射級跟隨器2504輸出至前 置放大電路2505的一路輸入端，前置放大電路2505輸出至正弦波移相器2506輸入端；正 弦波移相器2506輸出至正弦波/方波轉換電路2507完成波形轉換后輸出至4066A模擬開 關2511的開關控制端；模擬開關2503輸出端與風向測量電路2508的輸入端相連；風向測 量電路2508的輸出端與第二級放大電路2509的輸入端相連，第二級放大電路2509的輸出 端與第三級放大電路2510的輸入端相連；第三級放大電路2510的輸出端與4066A模擬開 關2511的輸入端相連，4066A模擬開關2511輸出至有源低通濾波器2512輸入端，有源低通 濾波器2512輸出至第四級放大電路2513輸入端；第四級放大電路2513的輸出端V1N與從 微處理器2514的AIN0端相連；從微處理器2514通過其內的CAN總線控制端與CAN總線收 發驅動器2515相連；從微處理器2514的相關I/O分別與第一模擬開關2502和第二模擬開 關2503的通道選擇控制端相連；CAN總線收發驅動器2515通過CANH和CANL端連至整個 系統的CAN總線上。風向傳感器模塊20的工作原理是該風向傳感器模塊20利用一個低慣性的風向標21隨風旋轉，帶動中心轉軸下端 的電容風向測盤22測量風向；電容風向測盤22的16片靜極金屬箔條222與第一模擬開關 2502的16路輸出端口依次連接；當風向標21隨風帶動中心轉軸轉動時，風向傳感器模塊 20內的從微處理器通過對第一模擬開關2502的控制，依次選通16片靜極金屬箔條222為 激勵電極，隨后，風向傳感器從微處理器2514再依次選通第二模擬開關2503的端口，分別 測出激勵電極相鄰前后兩靜極金屬箔條電極的電容值及比對值，經數字濾波及查表后，即可判別測量該風向測點的瞬時風向、2min風向及lOmin風向等參數。比對值算法結合查表 程序的采用，不僅節省了存儲空間、提高了 CPU運算速度，而且較好地解決了溫差所帶來的 誤差變化，大幅度提高了風向監測精度。2、風速傳感器模塊90如圖2A (右側)，選用EL15-1/1A型杯式風速傳感器，它與主微處理器00之間通過 CAN總線100進行通信。3、能見度測量模塊40如圖3A，能見度測量模塊40由發射器電路41、透射式接收器電路42、散射式接收 器電路43、直角棱鏡44組成。如圖3B，發射器電路41由前后依次連接的方波振蕩器411、達林頓驅動電路412 和紅外半導體激光管413組成。如圖3C，透射式接收器電路42和散射式接收器電路43電路結構相同，均由前后依 次連接的紅外硅光二極管421、前置放大器422、反相放大器423、有源低通濾波器424、從微 處理器425和CAN總線收發驅動器426組成。能見度測量模塊40的工作原理是在大氣能見度較好、水霧彌散濃度不大時，發射電路41發射的脈沖光主要被直角 棱鏡44后的下方的透射式接收器電路42的紅外硅光二極管421接收，而上方的散射式接 收器電路43接收的信號相對較弱。當大氣能見度低、水霧彌散濃度較大時，發射電路41發射的脈沖光主要被上方的 散射式接收器電路43所接收，而下方的透射式接收器電路42接收的信號相對較弱。兩接收電路中的紅外硅光二極管421在不同的大氣能見度下分別將光脈沖轉變 成電信號，并經信號調理電路后由各自的從微處理器425分別作辯識運算及線性修正，最 后將各自的測量值通過CAN總線收發驅動器426和CAN總線100傳送至系統的主微處理器 00，主微處理器00對獲取的測量值作對比分析處理得出能見度值。4、地表溫度測量模塊60如圖4，地表溫度測量模塊60由前后連接的能隙基準電源MC1403、分壓電路、前置 放大電路和第二級放大電路組成；其中的前置放大電路中設置有溫度傳感器；溫度傳感器選用國產PtlOO軟襯底薄膜熱敏電阻，與地表完全貼合。地表溫度測量模塊60的工作原理是地表溫度變化經地表溫度測量模塊60轉換為模擬電信號后，通過主微處理器00 內部的16位A/D電路轉換成數字信號提供給主微處理器00進行辨識運算及線性修正。5、冰雪傳感器模塊30冰雪傳感器模塊30另案申報發明專利，下面簡要說明其結構和工作原理圖1中的冰雪傳感器模塊30由承水器、PTC發熱元件PTC1和PTC2、環境溫度測量 模塊10、冰雪感應板、水量測量敏感元件、信號調理電路、從微處理器、時鐘芯片70和CAN總 線收發驅動器組成。在金屬罐上端通過空芯支撐管水平傾斜固定角度后放置冰雪感應板， 在不銹鋼承水器及冰雪感應板下側分別安裝有PTC發熱元件PTC1、PTC2，雨及融化的冰雪 流入水量測量敏感元件，并經流水槽流出。在金屬罐外側安裝有環境溫度測量模塊10用于 對環境溫度的測量。冰雪感應板、水量測量敏感元件經過各自的信號調理電路后分別與從微處理器的兩路A/D轉換輸入端相連。冰雪傳感器模塊30的工作原理如下，冰雪傳感器模塊30的從微處理器初始化后以固定周期監測環境溫度測量模塊10 采集的環境溫度值(1)當該值大于零攝氏度時，經過防水及高絕緣處理后的冰雪感應板能將霜霧、雨 變化轉換為區別明顯的電信號，被調理的模擬信號經多路模擬開關后由A/D電路轉換成數 字信號提供給冰雪傳感器模塊30的從微處理器進行辯識運算及線性修正。冰雪感應板若 檢測到霜霧時，從微處理器根據霜霧的檢測值變化，自動啟動冰雪感應板背面的PTC發熱 元件，迅速干燥冰雪感應板以重新測量相對濕度變化，最后從微處理器通過CAN總線收發 驅動器和CAN總線100將運算后的霜霧數據傳送至系統主微處理器00。冰雪感應板若檢 測到降雨時，承水器將雨水引導至水量測量敏感元件，產生的模擬電信號經A/D后轉換成 數字信號提供給從微處理器進行雨型、雨量辯識運算及線性修正，最后從微處理器通過CAN 總線收發驅動器和CAN總線100將運算后的雨量、降雨強度、降雨起止時間等降雨數據傳送 至系統主微處理器00。(2)當該值等于或者小于零攝氏度時，冰雪感應板若檢測到冰雪，從微處理器根據 冰雪的檢測值變化，分別采用不同的定時加熱時間，自動啟動冰雪感應板和承水器背面的 PTC發熱元件，迅速干燥冰雪感應板以重新測量降雪變化。冰雪感應板和承水器中的冰雪經 過加熱融化成水后流入水量測量敏感元件，產生的模擬電信號經過A/D后轉換成數字信號 提供給從微處理器進行雪型、雪量辯識運算及線性修正，最后從微處理器通過CAN總線收 發驅動器和CAN總線100將運算后的降雪量、降雪強度、降雪起止時間及累計積雪的厚度等 數據傳送至系統主微處理器00。6、主微處理器00主微處理器選用C8051F060型單片機。(其它功能塊的從微處理器也選用C8051F060型單片機)7、RS_232 通信接 口 電路 01RS_232通信接口電路為常用電路。8、環境溫度測量模塊10環境溫度測量模塊10由DS1820數字溫度傳感器及相關外圍電路組成。9、CAN總線收發驅動器50、CAN總線收發驅動器50由SN65HVD230型芯片及相關外圍電路組成。10、時鐘芯片70時鐘芯片70由DS1302芯片及相關外圍電路組成。11、GSM/GPRS遠程通信模塊80A和GSM/GPRS遠程通信模塊80BGSM/GPRS遠程通信模塊80A和GSM/GPRS遠程通信模塊80B均由GPRS無線通信模 塊MC35i及其外圍電路設計而成。三、控制終端軟件功能如圖5，按其實現的功能，控制終端軟件功能C可劃分為GIS地圖顯示模塊C1、 GSM/GPRS遠程通信模塊C2和GIS空間數據庫管理模塊C3。GIS地圖顯示模塊C1以圖形工作站等設備為支持，當選定某一監測點圖標點擊鼠標左鍵時，該點的氣象參數、經度、緯度、時間、監測點編號等信息將在終端PC機上顯示。GIS空間數據庫管理模塊C3主要實現對獲取數據的存儲、管理和查詢功能，包括 監測點氣象信息存儲C31、系統用戶修改C32和監測點氣象信息查詢及修改C33和報表生成 打印C34。監測點氣象信息存儲C31 所有的監測點氣象信息在數據庫中都有記錄；系統用戶修改C32:出于信息安全考慮，規定只有指定的用戶才能對本系統進行 相關的操作，包括控制臺指令的發送、監測點氣象信息的查詢和設施的維護；監測點氣象信息查詢及修改C33 數據庫管理模塊提供了添加、修改、刪除在數據 庫中存儲的監測點氣象信息的工具；報表生成打印C34 可生成值班人員工作報表和監控管理中心所需要的其它報表 并打印。四、工作過程描述高速公路氣象監測點各從微處理器初始化后，主微處理器00通過CAN總線100將 風向傳感器模塊20、能見度測量模塊40、地表溫度測量模塊60和風速傳感器模塊90內嵌 的各從微處理器置于休眠狀態，而安裝在冰雪傳感器模塊30金屬罐體中的環境溫度測量 模塊10則以固定周期監測環境溫度變化；(1)當該值大于零攝氏度時，經過防水及高絕緣處理后的冰雪感應板能可靠地將 霜霧、雨變化轉換為區別明顯的電信號，被調理的模擬信號由A/D轉換成數字信號后提供 給冰雪傳感器模塊30的從微處理器進行辯識運算及線性修正；冰雪感應板若檢測到霜霧 時，冰雪傳感器模塊30的從微處理器根據霜霧的檢測值變化，自動啟動冰雪感應板背面的 PTC發熱元件，迅速干燥冰雪感應板以重新測量相對濕度變化。同時，冰雪傳感器模塊30的 從微處理器通過CAN總線100迅速激活處于休眠狀態的各監測模塊投入監測工作態。主微 處理器00將接收到的各模塊監測的氣象數據通過GSM/GPRS遠程通信模塊80A無線發送給 控制終端B。冰雪感應板若檢測到降雨時，冰雪傳感器模塊30的從微處理器通過CAN總線100 迅速激活處于休眠狀態的風速傳感器模塊90、風向傳感器模塊20內嵌的從微處理器投入 監測工作態。同時，通過冰雪傳感器模塊30金屬罐體的承水器、將雨水引導至水量測量電 路模塊轉換為模擬電信號，經A/D轉換后、提供給冰雪傳感器模塊30的從微處理器進行雨 型、雨量辯識運算及線性修正，冰雪傳感器模塊30的從微處理器根據運算及線性修正值、 經查表及運行插值公式、自動生成車輛行駛速度、車間距閾值，主微處理器00將通過CAN總 線100采集的風速、風向、降雨量、降雨強度、降雨起止時間及車輛速度、車間距閾值等相關 數據打包后、經GSM/GPRS遠程通信模塊80A無線發送給控制終端B。(2)當該值等于或者小于零攝氏度，冰雪感應板若檢測到冰雪時；冰雪傳感器模 塊30的從微處理器通過CAN總線100迅速激活處于休眠狀態的風速傳感器模塊90、風向 傳感器模塊20、能見度測量模塊40、地表溫度測量模塊60內嵌的從微處理器投入監測工作 態。同時，冰雪傳感器模塊30的從微處理器根據冰雪的檢測值變化，分別采用不同的定時 加熱時間，自動啟動冰雪感應板和承水器背面的PCT發熱元件，加熱融化后的冰雪經水量 測量敏感元件及信號調理電路轉換為模擬電信號，經A/D轉換后、提供給冰雪傳感器模塊 30的從微處理器進行雪型、雪量辯識運算及線性修正。冰雪傳感器的微處理器根據運算及線性修正值、經查表及運行插值公式后、自動生成車輛行駛速度、車間距閾值。主微處理器 將通過CAN總線100采集的風速、風向、地表溫度、降雪量、降雪強度、降雪起止時間及車輛 速度、車間距閾值等相關數據打包后、經GSM/GPRS遠程通信模塊80A無線發送給控制終端 B，從而為高速公路冰雪天氣的安全車速閾值及車間距閾值提供各路段實時的氣象信息。
另外，控制終端B亦可在任意時刻通過終端的GSM/GPRS遠程通信模塊80B發出請 求獲取氣象信息的指令，各氣象監測點的主微處理器00經GSM/GPRS遠程通信模塊80A獲 取并驗證該指令后，迅速激活各監測模塊采集相關氣象數據，并遠程傳送回控制終端B。本 發明中休眠技術的采用，不僅延長了各監測模塊的使用壽命，減少通信數據量和通信時間， 而且大幅度降低各氣象監測點的功耗及設備運行成本。
權利要求
一種高速公路氣象監測系統，其特征在于由在高速公路各路段及區域布設的氣象監測點裝置(A)和在高速公路入口處布設的控制終端(B)組成；氣象監測點裝置(A)由主微處理器(00)、RS_232通信接口電路(01)、環境溫度測量模塊(10)、風向傳感器模塊(20)、冰雪傳感器模塊(30)、能見度測量模塊(40)、CAN總線收發驅動器(50)、地表溫度測量模塊(60)、時鐘芯片(70)、GSM/GPRS遠程通信模塊(80A)、風速傳感器模塊(90)和CAN總線(100)組成；主微處理器(00)通過CAN總線收發驅動器(50)連接至CAN總線(100)上；風速傳感器模塊(90)、風向傳感器模塊(20)、冰雪傳感器模塊(30)和能見度測量模塊(40)通過各自內嵌的從微處理器和CAN總線收發驅動器接入CAN總線(100)上；地表溫度測量模塊(60)與主微處理器(00)的AIN0端相連；環境溫度測量模塊(10)和時鐘芯片(70)包含于冰雪傳感器模塊(30)中，且與冰雪傳感器模塊(30)中的從微處理器相關I/O口連接；GSM/GPRS遠程通信模塊(80A)通過RS_232通信接口電路(01)與主微處理器(00)的TX0、RX0端相連；控制終端(B)由GSM/GPRS遠程通信模塊(80B)、監測顯示模塊(110)和PC工作站(120)組成；GSM/GPRS遠程通信模塊(80B)通過RS_232通信接口與PC工作站(120)進行連接；監測顯示模塊(110)通過DVI數字視頻接口與PC工作站(120)進行連接。
2.按權利要求1所述的一種高速公路氣象監測系統，其特征在于風向傳感器模塊(20)包括風向標(21)、電容風向測盤(22)、信號數據線(23)、支撐架 (24)和風向傳感器測量電路(25)；固定在支撐架(24)上的電容風向測盤(22)的中心轉軸 的頂端連接有風向標(21)，電容風向測盤(22)通過信號數據線(23)和風向傳感器測量電 路(25)連接；所述的電容風向測盤(22)包括絕緣底盤(221)、靜極金屬箔條(222)、動極金屬箔條 (223)和轉針(224)；在絕緣底盤(221)圓周上等間隔內嵌有16片靜極金屬箔條(222)，在 絕緣底盤(221)的中心軸上連接有轉針(224)，轉針(224)和動極金屬箔條(223)垂直連 接；動極金屬箔條(223)的弧長約為每片靜極金屬箔條(222)弧長的兩倍；所述的風向傳感器測量電路(25)包括正弦波信號發生器(2501)、第一模擬開關 (2502)和第二模擬開關(2503)、射級跟隨器(2504)、正弦波移相器(2506)、正弦波/方波 轉換電路(2507)、風向測量電路(2508)、前置放大電路(2505)，第二級放大電路(2509)，第 三級放大電路(2510)和第四級放大電路(2513)、4066A模擬開關(2511)、有源低通濾波器 (2512)、從微處理器(2514)以及CAN總線收發驅動器(2515)；正弦波信號發生器(2501)的輸出分為兩路一路連接至模擬開關(2502)的輸入端1/ 0，另一路連接至射級跟隨器(2504)的一個輸入端；模擬開關(2502)的16位輸出端口不僅 與模擬開關(2503)的16路輸入端對應連接，還分別與電容風向測盤(22)的16片靜極金 屬箔條(222)對應相連；射級跟隨器(2504)輸出至前置放大電路(2505)的一路輸入端， 前置放大電路(2505)輸出至正弦波移相器(2506)輸入端；正弦波移相器(2506)輸出至 正弦波/方波轉換電路(2507)完成波形轉換后輸出至4066A模擬開關(2511)的開關控制 端；模擬開關(2503)輸出端與風向測量電路(2508)的輸入端相連；風向測量電路(2508)的輸出端與第二級放大電路(2509)的輸入端相連，第二級放大電路(2509)的輸出端與第 三級放大電路(2510)的輸入端相連；第三級放大電路(2510)的輸出端與4066A模擬開關 (2511)的輸入端相連，4066A模擬開關(2511)輸出至有源低通濾波器(2512)輸入端，有源 低通濾波器(2512)輸出至第四級放大電路(2513)輸入端；第四級放大電路(2513)的輸出 端V1N與從微處理器(2514)的AIN0端相連；從微處理器(2514)通過其內的CAN總線控制 端與CAN總線收發驅動器(2515)相連；從微處理器(2514)的相關I/O分別與第一模擬開 關(2502)和第二模擬開關(2503)的通道選擇控制端相連；CAN總線收發驅動器(2515)通 過CANH和CANL端連至整個系統的CAN總線上。
3.按權利要求1所述的一種高速公路氣象監測系統，其特征在于能見度測量模塊(40)由發射器電路(41)、透射式接收器電路(42)、散射式接收器電路 (43)、直角棱鏡(44)組成；發射器電路(41)由前后依次連接的方波振蕩器(411)、達林頓驅動電路(412)和紅外 半導體激光管(413)組成；透射式接收器電路(42)和散射式接收器電路(43)電路結構相同，均由前后依次連接 的紅外硅光二極管(421)、前置放大器(422)、反相放大器(423)、有源低通濾波器(424)、從 微處理器(425)和CAN總線收發驅動器(426)組成。
4.按權利要求1所述的一種高速公路氣象監測系統，其特征在于地表溫度測量模塊(60)由前后連接的能隙基準電源MC1403、分壓電路、前置放大電路 和第二級放大電路組成；其中的前置放大電路中設置有溫度傳感器；溫度傳感器選用國產PtlOO軟襯底薄膜熱敏電阻，與地表完全貼合。
5.按權利要求1所述的一種高速公路氣象監測系統，其特征在于冰雪傳感器模塊(30)由承水器、PTC發熱元件PTC1和PTC2、環境溫度測量模塊(10)、 冰雪感應板、水量測量敏感元件、信號調理電路、從微處理器、時鐘芯片(70)和CAN總線收 發驅動器組成。在金屬罐上端通過空芯支撐管水平傾斜固定角度后放置冰雪感應板，在不 銹鋼承水器及冰雪感應板下側分別安裝有PTC發熱元件PTC1、PTC2，雨及融化的冰雪流入 水量測量敏感元件，并經流水槽流出；在金屬罐外側安裝有環境溫度測量模塊(10)用于對 環境溫度的測量；冰雪感應板、水量測量敏感元件經過各自的信號調理電路后分別與從微 處理器的兩路A/D轉換輸入端相連。
6.按權利要求1所述的一種高速公路氣象監測系統的工作方式，其特征在于為休 眠_激活工作方式在終端不要求獲取氣象信息的情況下，系統監測點除了環境溫度測量模塊工作外，其 他各功能塊均處于休眠狀態，當控制終端在某一時刻通過終端GSM/GPRS遠程通信模塊發 出請求獲取氣象信息的指令后，各氣象監測點的主微處理器經GSM/GPRS通信模塊獲取并 驗證該指令，迅速激活各監測模塊采集相關氣象數據，并遠程傳送回控制終端。
全文摘要
本發明公開了一種高速公路氣象監測系統，涉及一種交通安全設施技術領域。本發明由在高速公路各路段及區域布設的氣象監測點裝置和在高速公路入口處布設的控制終端組成；氣象監測點裝置由主微處理器、環境溫度測量模塊、風向傳感器模塊、冰雪傳感器模塊、能見度測量模塊、CAN總線收發驅動器、地表溫度測量模塊、時鐘芯片、GSM/GPRS遠程通信模塊、風速傳感器模塊、RS 232通信接口電路和CAN總線組成；控制終端由GSM/GPRS遠程通信模塊、監測顯示模塊和PC工作站組成。本發明工作可靠、性價比高及使用壽命長；適合環境條件復雜的高速公路應用場合。
文檔編號G08G1/09GK101859492SQ200910061448
公開日2010年10月13日 申請日期2009年4月7日 優先權日2009年4月7日
發明者熊昌侖, 謝輝, 譚福耀 申請人:武漢大學