高速公路气象监测和预警系统设计
恶劣天气现象会影响高速公路路面安全状况，极易导致交通事故的发生。如大雾和降水天气会导致能见度降低，雨雪天气会导致路面湿滑，强风影响车辆行驶稳定性，积雪封路会导致交通阻塞，路面温度过高或过低都会产生高速公路安全隐患。针对各种不良气象因素对高速公路交通安全运行体制的恶劣影响，本文设计出一种适合高速公路气象监测系统，利用JAVA开发高速信息发布软件，制作了一套与之相应的车载气象信息预警系统，包括整套系统的设计、嵌入式硬件和软件的设计、硬件电路设计、实物的制作。它能够通过车载预警器接收远程气象预警信息，在第一时间告知驾驶员行驶路段的气象环境，使汽车驾驶员能够安全驾驶及时作出路线判断，保障高速公路安全运行。该系统稳定性高、信号接收强、传播速度快，能够应对绝大多数的高速公路气象监测与预警状况。关键词 高速公路，气象监测，车载预警，单片机目 录
1 绪论 1
1.1 研究的背景及意义 1
1.2 国内外研究概状 1
1.3 主要研究内容 3
2 理论基础 3
2.1 无线传输系统概述 3
2.2 单片机简介跟选型 4
2.3 MYSQL数据库 5
3 高速公路气象信息监测与预警系统的整体设计 5
3.1 高速公路的气象标准 5
3.2 系统整体设计 6
4 高速公路气象监测系统的设计 7
4.1 高速公路路面环境温度信息采集电路的设计 8
4.2 高速公路路面雨量信息采集电路的设计 9
4.3 高速公路路面能见度信息采集电路的设计 9
4.4 高速公路路面风速信息采集电路的设计 10
4.5 高速公路气象监测信息的发布 11
5 高速公路气象预警系统的设计 12
5.1 无线模块的选择 12
5.2 处理器模块的选择 13
5.3 LCD显示模块的选择 14
5.4 预警模块的的选择 14
5.5 预警系统硬件的设计 14
5.6 预警系统软件的设计 15
6 设计系统的测试 16
11
5 高速公路气象预警系统的设计 12
5.1 无线模块的选择 12
5.2 处理器模块的选择 13
5.3 LCD显示模块的选择 14
5.4 预警模块的的选择 14
5.5 预警系统硬件的设计 14
5.6 预警系统软件的设计 15
6 设计系统的测试 16
结 论 21
致 谢 22
参 考 文 献 23
1 绪论
1.1 研究的背景及意义
改革开放以来，我国经济不断发展，交通运输业也不断的向前发展中。进入二十一世纪以来，我国的高速公路建设更加突飞猛进，给人们出行带来方便的同时，也加速的我国经济和综合实力的飞速提高。但是近年来，由于恶劣天气的影响，高速公路交通意外事故也不断的增加，给高速公路管理带来了巨大的损失，也威胁到了人民群众生命财产的安全。
不同的气象状况对高速公路的影响是多方面的，它主要表现在大雾、大雪、大雨会使行车周围的能见度降低，从而妨碍到驾驶员的视线。在这种情况下，许多驾驶员都会凭借自己的感觉下意识的和前车保持一种不科学的距离，如果此时前车驾驶员遇到特殊情况而采取紧急制动的话，后面的车辆极易发生追尾事故；又或者在雨雪冰霜的天气下，它会改变路面的湿滑情况从而使得路面的摩擦力系数降低，这种情况下紧急制动会使车辆的制动距离变长，增加车辆事故的危险；有时候，降雪之后的路面，山坡会有积雪，他们往往会反射太阳的光线，对驾驶员的造成视觉上的干扰，会影响其对路况的判断同时也会使其的操作能力受到影响；还有就是在全球温室效应的影响下，全球气温正在逐步增加，高温天气在我国也越来越常见，往往在盛夏时节，高速公路路面环境温度常常能达到60摄氏度以上。而在高速公路上高速行驶的各种车辆，他们的轮胎会与地面发生快速的摩擦，使得汽车轮胎内的胎压不断变高。此时的汽车轮胎，如果遇到尖锐的物体、路面的不平或者因自身磨损过度，就会极易发生汽车爆胎事故，甚至导致车辆侧翻的危险。
为了使得高速公路交通状况变得安全、舒适、畅通、高效，创造出良好的高速运行体系，高速公路上各机动车驾驶人员就必须提前了解到相关的气象信息，而如何将相关气象信息及时准确的告知他们是高速公路安全运行过程中最重要的一个环节，所以研究开发高速公路气象信息监测与预警系统是相当必要的。
1.2 国内外研究概状
1.2.1 国外研究概况
国外在高速公路气象监测与预警方面的研究起步比较早，上世纪八十年代就在欧洲引起许多国家的关注。随着1984年荷兰成功召开国际道路气象会议以后，瑞典、英国、德国、波兰等13个国家就明确提出开发和研制相应的高速公路气象监测系统的想法。第一代气象预报系统就在不久之后问世了，在这些极少数率先开展高速公路气象监测的国家中，许多首创的先进的气象应用工程得到了开发和研制，随后又在其国内得到很快的发展，进而推向了全世界。目前，西方发达国家都在努力建设道路气象信息系统（RWIS），甚至将其与智能交通系统（ITS）相结合，这样能够通过不同的渠道获取更多的高速公路气象信息以提高各个地区对高速公路安全运行的管理能力。
为了可以更快速地、准确的检测到高速公路气象的相关信息，法国在其国内的高速公路网上安装了先进的气象监控系统和通信系统。这套系统能够通过互联网将最新的气象信息发到国家交通管理系统中去，将对全国的气象进行实时的监测。同样运用这种方法的还有日本道路局，他们也是利用互联网向用户发布道路气象信息，保障高速公路运行安全。
美国长时间以来都是高速公路总里程第一的国家。在美国，每个州基本都拥有相应的配套服务设备。他们的管理和保障方案也比较完善。在美国蒙大拿州，由于许多高速公路处在山谷里，同时蒙大拿州又有显著的风洞效应，所以当地设计了专门测量风速风向的气象监测设备，为经过山谷里的超长超高的货车提供准确的大风方面的信息，保证其在进出山谷时不会被凶猛的侧向风造成影响；截止到2000年，美国爱荷华州建设了超过50个高速公路气象监测系统；在新泽西州，由于车流量较大，建立了专门的高速公路车辆车速与拥挤度相关的监测系统，保证在雨雪霜雾天气下，车辆不拥挤、不堵车以提高高速公路运作的安全性；在佛罗里达州，政府也开发当地的交通气象信息监测系统。佛罗里达州地处热带地区，常常会有降雨天气，雨量虽小，但频率较高。为防止路面过于潮湿使得汽车发生事故，专门设立监测路面干湿度的气象系统，提醒驾驶员在拐弯和陡峭路面注意安全驾驶；加拿大也研发了一种拥有自动和人工两种工作方式的道路气象信息预警系统“METRO”。
1.2.2 国内研究概况
高速公路交通气象监测系统的工作在我国起步是比较晚的。“从1999年到之后的6年时间内，仅仅有4个气象监测站是布设在高速公路。而从2006年起，高速公路自动气象监测站开始进入快速的建设阶段，仅2006年一年，全国就建立了56个站点。但在之后的3年时间内，建设工作有所放缓，在2009年进行全国统计时，总数还仅仅只有130多个[]。”以上信息是根据中国国家气象局对全国各地区气象部门布设监测站点的统计资料发现的。国家已经认识到高速公路气象状况信息对保障高速公路安全运行是相当重要的，也已经在众多的高速公路周边设立相关的气象监测站，同时也加大对相关理论和应用的研究力度。为了从事低能见度预警和预警试验研究，在沪宁高速公路江苏东段安装了21套 AMW 环境气象监测站。上海是完成高速公路能见度检测及预警系统建设的最早的城市。同样为了解决华北地区沙尘暴和冬季大雾等对高速公路的影响，北京市也设计出一种高速公路雾警自动限速标志系统。吉林省也新建了10个高速公路自动监测气象站，进行
1 绪论 1
1.1 研究的背景及意义 1
1.2 国内外研究概状 1
1.3 主要研究内容 3
2 理论基础 3
2.1 无线传输系统概述 3
2.2 单片机简介跟选型 4
2.3 MYSQL数据库 5
3 高速公路气象信息监测与预警系统的整体设计 5
3.1 高速公路的气象标准 5
3.2 系统整体设计 6
4 高速公路气象监测系统的设计 7
4.1 高速公路路面环境温度信息采集电路的设计 8
4.2 高速公路路面雨量信息采集电路的设计 9
4.3 高速公路路面能见度信息采集电路的设计 9
4.4 高速公路路面风速信息采集电路的设计 10
4.5 高速公路气象监测信息的发布 11
5 高速公路气象预警系统的设计 12
5.1 无线模块的选择 12
5.2 处理器模块的选择 13
5.3 LCD显示模块的选择 14
5.4 预警模块的的选择 14
5.5 预警系统硬件的设计 14
5.6 预警系统软件的设计 15
6 设计系统的测试 16
11
5 高速公路气象预警系统的设计 12
5.1 无线模块的选择 12
5.2 处理器模块的选择 13
5.3 LCD显示模块的选择 14
5.4 预警模块的的选择 14
5.5 预警系统硬件的设计 14
5.6 预警系统软件的设计 15
6 设计系统的测试 16
结 论 21
致 谢 22
参 考 文 献 23
1 绪论
1.1 研究的背景及意义
改革开放以来，我国经济不断发展，交通运输业也不断的向前发展中。进入二十一世纪以来，我国的高速公路建设更加突飞猛进，给人们出行带来方便的同时，也加速的我国经济和综合实力的飞速提高。但是近年来，由于恶劣天气的影响，高速公路交通意外事故也不断的增加，给高速公路管理带来了巨大的损失，也威胁到了人民群众生命财产的安全。
不同的气象状况对高速公路的影响是多方面的，它主要表现在大雾、大雪、大雨会使行车周围的能见度降低，从而妨碍到驾驶员的视线。在这种情况下，许多驾驶员都会凭借自己的感觉下意识的和前车保持一种不科学的距离，如果此时前车驾驶员遇到特殊情况而采取紧急制动的话，后面的车辆极易发生追尾事故；又或者在雨雪冰霜的天气下，它会改变路面的湿滑情况从而使得路面的摩擦力系数降低，这种情况下紧急制动会使车辆的制动距离变长，增加车辆事故的危险；有时候，降雪之后的路面，山坡会有积雪，他们往往会反射太阳的光线，对驾驶员的造成视觉上的干扰，会影响其对路况的判断同时也会使其的操作能力受到影响；还有就是在全球温室效应的影响下，全球气温正在逐步增加，高温天气在我国也越来越常见，往往在盛夏时节，高速公路路面环境温度常常能达到60摄氏度以上。而在高速公路上高速行驶的各种车辆，他们的轮胎会与地面发生快速的摩擦，使得汽车轮胎内的胎压不断变高。此时的汽车轮胎，如果遇到尖锐的物体、路面的不平或者因自身磨损过度，就会极易发生汽车爆胎事故，甚至导致车辆侧翻的危险。
为了使得高速公路交通状况变得安全、舒适、畅通、高效，创造出良好的高速运行体系，高速公路上各机动车驾驶人员就必须提前了解到相关的气象信息，而如何将相关气象信息及时准确的告知他们是高速公路安全运行过程中最重要的一个环节，所以研究开发高速公路气象信息监测与预警系统是相当必要的。
1.2 国内外研究概状
1.2.1 国外研究概况
国外在高速公路气象监测与预警方面的研究起步比较早，上世纪八十年代就在欧洲引起许多国家的关注。随着1984年荷兰成功召开国际道路气象会议以后，瑞典、英国、德国、波兰等13个国家就明确提出开发和研制相应的高速公路气象监测系统的想法。第一代气象预报系统就在不久之后问世了，在这些极少数率先开展高速公路气象监测的国家中，许多首创的先进的气象应用工程得到了开发和研制，随后又在其国内得到很快的发展，进而推向了全世界。目前，西方发达国家都在努力建设道路气象信息系统（RWIS），甚至将其与智能交通系统（ITS）相结合，这样能够通过不同的渠道获取更多的高速公路气象信息以提高各个地区对高速公路安全运行的管理能力。
为了可以更快速地、准确的检测到高速公路气象的相关信息，法国在其国内的高速公路网上安装了先进的气象监控系统和通信系统。这套系统能够通过互联网将最新的气象信息发到国家交通管理系统中去，将对全国的气象进行实时的监测。同样运用这种方法的还有日本道路局，他们也是利用互联网向用户发布道路气象信息，保障高速公路运行安全。
美国长时间以来都是高速公路总里程第一的国家。在美国，每个州基本都拥有相应的配套服务设备。他们的管理和保障方案也比较完善。在美国蒙大拿州，由于许多高速公路处在山谷里，同时蒙大拿州又有显著的风洞效应，所以当地设计了专门测量风速风向的气象监测设备，为经过山谷里的超长超高的货车提供准确的大风方面的信息，保证其在进出山谷时不会被凶猛的侧向风造成影响；截止到2000年，美国爱荷华州建设了超过50个高速公路气象监测系统；在新泽西州，由于车流量较大，建立了专门的高速公路车辆车速与拥挤度相关的监测系统，保证在雨雪霜雾天气下，车辆不拥挤、不堵车以提高高速公路运作的安全性；在佛罗里达州，政府也开发当地的交通气象信息监测系统。佛罗里达州地处热带地区，常常会有降雨天气，雨量虽小，但频率较高。为防止路面过于潮湿使得汽车发生事故，专门设立监测路面干湿度的气象系统，提醒驾驶员在拐弯和陡峭路面注意安全驾驶；加拿大也研发了一种拥有自动和人工两种工作方式的道路气象信息预警系统“METRO”。
1.2.2 国内研究概况
高速公路交通气象监测系统的工作在我国起步是比较晚的。“从1999年到之后的6年时间内，仅仅有4个气象监测站是布设在高速公路。而从2006年起，高速公路自动气象监测站开始进入快速的建设阶段，仅2006年一年，全国就建立了56个站点。但在之后的3年时间内，建设工作有所放缓，在2009年进行全国统计时，总数还仅仅只有130多个[]。”以上信息是根据中国国家气象局对全国各地区气象部门布设监测站点的统计资料发现的。国家已经认识到高速公路气象状况信息对保障高速公路安全运行是相当重要的，也已经在众多的高速公路周边设立相关的气象监测站，同时也加大对相关理论和应用的研究力度。为了从事低能见度预警和预警试验研究，在沪宁高速公路江苏东段安装了21套 AMW 环境气象监测站。上海是完成高速公路能见度检测及预警系统建设的最早的城市。同样为了解决华北地区沙尘暴和冬季大雾等对高速公路的影响，北京市也设计出一种高速公路雾警自动限速标志系统。吉林省也新建了10个高速公路自动监测气象站，进行
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