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基于Cerebot 32MX4 Board的高速公路能见度预警系统设计
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2017-11-20
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一、设计摘要：
大气中包含空气分子、凝结核、烟尘、雾以及雪花等降水粒子单元，这些大大小小的粒子包括水或雾等对阳光与天气的散射是决定大气透明度最重要的因素。所谓大气散射是入射的光波遇到大气里大小不等的粒子，这些粒子将入射光波的一部分“拦截”下来，使这些光波改变方向并以粒子为核心按一定的规律向四周发射出去，其结果显然是使原来入射方向的光强减弱。沿水平方向观察远处目标物时，将受到太阳的直射光，天空云层以及地面的漫射光影响，它们被大气层的气溶胶粒子散射，使观察者感到大气中好象是有一层遮幕，降低了目标物和背静间的对比，从而减少了观察者能看见目标物的距离。这就使我们能够观测到物体的视距出现了远和近的变化，从而形成了能见度。
能见度的概念最早来源于气象部门，所以在没有特殊说明的情况下，通常所称的能见度就是指气象能见度。能见度通常是视力正常的人在白天无云的天空背景下能够辨认出一个视角为0.50~5。的黑色目标物体轮廓和形体的最大距离。在夜间则是在黑色背景下能够辨认出一定强度的灯光的最大距离。从上述定义可以知道能见度取决于人眼的生理特性，目标物和背景的光学性质，以及人与目标物间的大气的物理性质。
在我国高速公路在促进国民经济快速发展的同时，不断攀升的高速公路交通事故发生率和死亡率也给经济的高速发展、社会的持续稳定和人民的生命财产安全带来了诸多的不利影响。高速公路本以高速、便捷、高容量及高安全性著称，一般发达国家的高速公路的交通事故总数和死亡率只有普通公路的1/3到1/2。但在我国由于高速公路由于发展较晚，相关安全和预警措施不完善等原因，致使我国高速公路的交通事故的发生率比普通公路高2到3倍。据公安部网站消息，2008年，全国共发生交通事故265204起，造成73484人死亡、304919人受伤，直接财产损失10.1亿元。据统计，在所有高速公路的交通事故中，因雨雾等恶劣天气影响造成的交通事故就占1/4左右，雾天高速公路地事故率时平常地10倍。就是说低能见度环境是造成高速公路交通事故的一个非常重要的因素。因此，对高速公路沿线的天气尤其是能见度情况进行全程全天候的实时监控，随时预警低能见度特别是随机雾团、瞬时雨雪、沙尘等短时低能见度天气，对交通运输有着非常重要的意义。
本系统利用光的折射原理，发射近红外光并接收其在环境中的折射光，对比前后两次的光能量的大小来得出能见度。该设备结合近红外光发生设备，多种传感器，语音及LCD显示设备，主要处理控制部分应用Microchip公司生产的高性能MIPS核MCU--PIC32MX460F512L开发板Cerebot 32MX4 Board作为主控板，AD采样芯片完成数模信号的转换，并运用无线传输模块传递数据，可实现远距离对系统的控制。
本系统的设计是对当前高速公路交通问题的一大改进，目的是研究并设计一种具有成本较低，适于大规模生产，有广阔的市场前景的高速公路能见度预警系统。
二、系统原理和创新设计：
系统应用Microchip公司提供的80 MHz 32位MIPS处理器，以及丰富的外围设备，如：16通道，10位，500ksps A/D变频器，完成电信号的分析，滤波，提取等处理工作，得出能见度的大小，并控制语音芯片进行语音提示，驱动LCD进行显示，且将处理结果通过无线模块传输给终端主机做记录处理，到达实时能见度检测的效果。
整个设备主要有近红外光发射端、接收端、无线传输模块、电源模块、MIPS处理器控制模块五部分组成，下面分别对各部分的设计进行详细介绍：
1. 近红外光发射端设计
为了使近红外光正常发射，避免受到雾气、雨雪对端口的影响（如：浸湿透镜，结冰霜等）需要对发射端处进行实时的温度监控，并需安装加热装置对其进行温度调节，去除水汽。在此我们采用单线数字温度计DS18B20来实时采集发射端口处温度，降低成本我们采用电阻式加热器调控温度。
DS18B20 单总线数字温度计特性如下：
（1） 可用数据线供电，电压范围：3.0~5.5V；
（2） 测温范围：-55~+125℃，在-10~+85℃时精度为±0.5℃；
（3） 可编程的分辨率为9~12位，对应的可分辨温度分别为0.5℃、0.25℃、0.125℃和0.0625℃；
（4） 12位分辨率时最多在750ms内把温度值转换为数字；
（5） 负压特性：电源极性接反时，温度计不会发热烧毁，但不能正常工作。
光源的选择要求有多方面优势：发光功率大、使用寿命长、发光效率高、稳定性好、光谱分布范围窄、发光面积小等特点，综合各方面的考虑，我们选择了 GT-P03IR4101 型近红外发光二极管作为光源。具体参数如下：
大气中包含空气分子、凝结核、烟尘、雾以及雪花等降水粒子单元，这些大大小小的粒子包括水或雾等对阳光与天气的散射是决定大气透明度最重要的因素。所谓大气散射是入射的光波遇到大气里大小不等的粒子，这些粒子将入射光波的一部分“拦截”下来，使这些光波改变方向并以粒子为核心按一定的规律向四周发射出去，其结果显然是使原来入射方向的光强减弱。沿水平方向观察远处目标物时，将受到太阳的直射光，天空云层以及地面的漫射光影响，它们被大气层的气溶胶粒子散射，使观察者感到大气中好象是有一层遮幕，降低了目标物和背静间的对比，从而减少了观察者能看见目标物的距离。这就使我们能够观测到物体的视距出现了远和近的变化，从而形成了能见度。
能见度的概念最早来源于气象部门，所以在没有特殊说明的情况下，通常所称的能见度就是指气象能见度。能见度通常是视力正常的人在白天无云的天空背景下能够辨认出一个视角为0.50~5。的黑色目标物体轮廓和形体的最大距离。在夜间则是在黑色背景下能够辨认出一定强度的灯光的最大距离。从上述定义可以知道能见度取决于人眼的生理特性，目标物和背景的光学性质，以及人与目标物间的大气的物理性质。
在我国高速公路在促进国民经济快速发展的同时，不断攀升的高速公路交通事故发生率和死亡率也给经济的高速发展、社会的持续稳定和人民的生命财产安全带来了诸多的不利影响。高速公路本以高速、便捷、高容量及高安全性著称，一般发达国家的高速公路的交通事故总数和死亡率只有普通公路的1/3到1/2。但在我国由于高速公路由于发展较晚，相关安全和预警措施不完善等原因，致使我国高速公路的交通事故的发生率比普通公路高2到3倍。据公安部网站消息，2008年，全国共发生交通事故265204起，造成73484人死亡、304919人受伤，直接财产损失10.1亿元。据统计，在所有高速公路的交通事故中，因雨雾等恶劣天气影响造成的交通事故就占1/4左右，雾天高速公路地事故率时平常地10倍。就是说低能见度环境是造成高速公路交通事故的一个非常重要的因素。因此，对高速公路沿线的天气尤其是能见度情况进行全程全天候的实时监控，随时预警低能见度特别是随机雾团、瞬时雨雪、沙尘等短时低能见度天气，对交通运输有着非常重要的意义。
本系统利用光的折射原理，发射近红外光并接收其在环境中的折射光，对比前后两次的光能量的大小来得出能见度。该设备结合近红外光发生设备，多种传感器，语音及LCD显示设备，主要处理控制部分应用Microchip公司生产的高性能MIPS核MCU--PIC32MX460F512L开发板Cerebot 32MX4 Board作为主控板，AD采样芯片完成数模信号的转换，并运用无线传输模块传递数据，可实现远距离对系统的控制。
本系统的设计是对当前高速公路交通问题的一大改进，目的是研究并设计一种具有成本较低，适于大规模生产，有广阔的市场前景的高速公路能见度预警系统。
二、系统原理和创新设计：
系统应用Microchip公司提供的80 MHz 32位MIPS处理器，以及丰富的外围设备，如：16通道，10位，500ksps A/D变频器，完成电信号的分析，滤波，提取等处理工作，得出能见度的大小，并控制语音芯片进行语音提示，驱动LCD进行显示，且将处理结果通过无线模块传输给终端主机做记录处理，到达实时能见度检测的效果。
整个设备主要有近红外光发射端、接收端、无线传输模块、电源模块、MIPS处理器控制模块五部分组成，下面分别对各部分的设计进行详细介绍：
1. 近红外光发射端设计
为了使近红外光正常发射，避免受到雾气、雨雪对端口的影响（如：浸湿透镜，结冰霜等）需要对发射端处进行实时的温度监控，并需安装加热装置对其进行温度调节，去除水汽。在此我们采用单线数字温度计DS18B20来实时采集发射端口处温度，降低成本我们采用电阻式加热器调控温度。
DS18B20 单总线数字温度计特性如下：
（1） 可用数据线供电，电压范围：3.0~5.5V；
（2） 测温范围：-55~+125℃，在-10~+85℃时精度为±0.5℃；
（3） 可编程的分辨率为9~12位，对应的可分辨温度分别为0.5℃、0.25℃、0.125℃和0.0625℃；
（4） 12位分辨率时最多在750ms内把温度值转换为数字；
（5） 负压特性：电源极性接反时，温度计不会发热烧毁，但不能正常工作。
光源的选择要求有多方面优势：发光功率大、使用寿命长、发光效率高、稳定性好、光谱分布范围窄、发光面积小等特点，综合各方面的考虑，我们选择了 GT-P03IR4101 型近红外发光二极管作为光源。具体参数如下：
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