高速公路远程测温系统软件设计与开发开题报告
2020-02-10 10:02
1. 研究目的与意义（文献综述）
| 1.1目的及意义 高速公路是一种由多车道、全封闭，且安全服务设备配套齐全的高等级公路。高速公路具有行驶速度快、通行能力强、安全性高等特点。由于高速公路采取了一系列的安全措施，使得交通事故的发生率大大地降低，只是普通公路事故发生率的25%-30%左右，但是由于高速公路上车速较快，一旦发生交通事故，那么其死亡率则是普通公路的2倍。我国高速公路正处于高速发展时期，如果高速公路安全事件频发，其对于我国的政治和经济都会产生严重的影响，同时对于人们的生命财产安全也会造成严重的威胁。2013年八月，在宁波网报报道，“7月份以来，持续高温，我省高速公路事故高发：7月份共造成48人死亡，创近两年来单月死亡人数之最，较去年同期上升23%，较月平均上升92%。死亡事故与疲劳驾驶有关的有34人，占70%，涉及违法停车的有24人，占50%。其中货车死亡事故高发，发生死亡事故的76辆车中，货车就有70辆，占92.1%，死亡事故中货车主动碰撞的占93%。”可见，高温对于高速公路运营是十分不利的。 同时，随着交通系统的快速发展，我国即将进入智能交通系统的发展阶段。智能交通的系统就是未来交通系统的发展过程，它是把超前的信息技术，数字通讯传输的技术，电子传播感觉的技术，按键控制的技术和电脑特别有效果的给集合在是一块变成了对于整个路面交通管理的系统给建造出来的，在特别大的范围里边和整体方位的发挥作用。在全面智能化的大前提下，远程测温系统就显得尤为重要——在没有人为进行干扰的前提下，准确的根据多点路面温度采集装置收集路面温度信息并通过无线传输将信息集中形成多点实时温度网络再由显示装置呈现，通过设定上下极限的方式自动发出高低温警报——甚至在无人驾驶全面普及的智能交通系统中后期，可以直接由中央控制系统将警报发送至每一辆计划通过的车辆驾驶导航系统中，让这些车辆可以及时改变路线避免出行风险。 总之，远程温度测量系统，能够成为未来智能化交通普及过程中车辆安全保障系统中必不可少的一环，它不仅可以作为一个完整的温度检测警报系统上，在集成化完成后甚至能成为城市监控系统中的一环，不同的高速路段划分为不同区域城市规划管理范围，任何车辆的路线确定后目标城市（区域）中央控制系统就会接收到访问请求并根据路途中的温度、预计车流量等因素作为安全系数考虑计算并进行判断是否建议通行。如此，将大大提高人们出行的安全程度。
1.2国内外研究现状 1.2.1国内研究现状 人们研究温度测量的历史已经相当的久远了。公元1600年，伽利略研制出气体温度计。一百年后，酒精温度计图)和水银温度计四9问世。到了1821年，德国物理学家赛贝发明了热电偶传感器,人类真正的第一次把温度变成了电信号。此后，随着技术的发展，人们研制出了各种温度传感器并利用它们测量温度。本世纪，在半导体技术的支持下，相继诞生了半导体热电偶传感器、PN结温度传感器和集成温度传感器。与之相应，根据波与物质的相互作用规律，相继开发了声学温度传感器、红外传感器和微波传感器。可以说，对于温度传感器、温度测量装置的研究如[14]陈卢老师所说已经趋近于完善，不论是稳定性还是便携性都得到了充分的保障。 进入21世纪之后，智能温度传感器正朝着高精度、多功能、总线标准化、高可靠性及安全性、开发虚拟传感器和网络传感器、研制单片测温系统等高科技的方向迅速发展。对于无线测温，国内虽然还没有在高速公路上具体应用的例子，但已经有不少开发者已经有过成功应用这项技术的例子：李增祥，许丽娜，李业刚利用AT89C2051单片机作为主机，多个温度传感器DS18B20为从机，nRF401射频模块作为信息传输的媒介组成温度测量系统，对温室大棚中各个位置的温度进行测量，通过无线技术将检测到的大棚内温度信息传输至远程监控单元，从而实现大棚内温度的实时监控；钟鼎利用ARM公司推出的Cortex-M3内核微处理器STM32F103RBT6为核心，结合DS18B20温度传感器设计了一种GSM网络无线测温系统。系统测量过程中DS18B20的测量精度可达到0.0625C；李建海，苏学军针对军队仓库环境监测的信息化管理需要，设计了一种运用DSI8B20温度传感器进行信息采集，AT89S52单片机作为监控中心主控芯片，nRF401无线收发模块作为通讯传输的远距离温度测量系统，该测温系统主要运用于监测军队武器装备仓库内的温湿度。系统具有成本低，使用便捷，测量精度高等特点；贾北平，马锦儒设计了一种针对奶牛体温定时、准确的无线温度测量方案，对奶牛体温的监测预防因温度变化而引起的各种兽类疾病，对已发生奶牛疾病及时诊断治疗.方案中利用DSI8B20的高精度测量及-线式数字输出特点，结合无线收发芯片nRF403与STC51单片机组成测温系统，分别从硬件电路及软件编程进行简要介绍；杨恒玲，胡燕瑜关于我国温泉水温监控设备落后等现象，研制出一种以单片机为核心，数字温度传感器DS18B20为测温敏感器件，并于液晶显示屏相结合的无线双向通信的多点温度实时在线监测系统。许多例子说明国内对于无线测温技术的掌握早已成熟，所缺乏的只是相应系统软件的设计与开发。
1.2.2国外研究现状 国外对多路温度检测系统的研究不多，他们的研究大都应用到高端的产品或特殊的场所，因此现有的温度检测系统都比较麻烦昂贵，而对普通场合的温度检测系统研究较少，现在人们逐渐认识到对这些普通场合如娱乐场合KTV、宾馆、大型超市、粮库、锅炉等的温度检测也相当重， 因此快速、准确、可靠、经济、简单的多路温度检测系统有很大的发展潜力，人们越来越需要这样的系统。同时，国外高速公路的设计方式与类型也和国内不同。赵立廷、李宏斌在《国内外高速公路总体设计的差异比较》一文中以阿尔及利亚的高速公路设计方式为例说明了国内外高速公路设计的最大区别主要是由于国情不同。我国高速公路建设的基本纲领是“不是破坏就是保护”，而阿尔及利亚生态环境较我国更为脆弱，因此在东西高速公路的设计上就是以保护生态环境为主要目的避免扰民、避免进行破坏性开发为纲领进行建设。对比国内外高速公路设计理念，不难看出我国的高速公路建立之初就是留有了增建、改造的空间的，届时将根据周围居民、环境的变迁而再次开发。而国外的高速公路则更多的是一次性开发，于荒野处开发。因此如同 Marwa F. Areed 所说国外高速公路的基本建设是较为完善的，在很长一段时间内并不用过多的修缮改进，行使的功能也是单纯的运输道路功能，据此可以断言，现阶段国外并没有成体系的非战略意义高速公路远程无线温度测量装置。同时由于国外人口密度普遍较低，因此对于这种装置的需求在国家普遍进行交通系统智能化前并没有过多需求。但对于真正的大国，例如日本、美国来说，交通智能化是必然的发展趋势。正如在三年年前笔者参加中日科协共同举办的“SUKURA SCIENCE PROGRAME”中与日本铃木章交谈时铃木老师所说的“日本是一个愿意便利的国家，只要能够井然有序、不打扰他人，我们并不介意用人工智能代替人力”。因此可以得出结论，短期之内国外除少数发达国家外并没有过多研究本项目，但是在智能交通系统普及后，高速公路远程测温系统是很有前景的。 |
2. 研究的基本内容与方案
| 2.1基本内容目标 本次设计的目标是设计一种应用于高速公路远程测温系统的软件系统，本系统初期目标是能够实时监控高速公路多点温度组成的温度网的变化，联网进行预警。现阶段拟采用人机交互的方式进行终端控制。在未来智能交通系统逐渐发达后软件将集成合并到交通安全监控预警系统中，作为智能化的一环，最大程度保证公民出行安全，具体方式包括在无人驾驶情况下帮助各类民用导航软件修改行进路线或通过警务系统频道进行广播示警，帮助司机避开极端温度路段。 研究内容有： 1、完成高速公路远程测温系统软件总体方案设计，即构建基于汇编语言/arduino的系统设计，重点在于选用各种温湿度传感器的硬件设计和zigbee/WiFi网络通信技术对高速公路温度进行监控。 2．完成高速公路远程测温系统软件的人机交互设计。 3．实现编写高速公路远程测温系统的移动端控制软件，首先了解arduino IDE程序开发环境和编译代码，熟练掌握温度传感器的原理、硬件电路设计以及zigbee网络通信技术、网络协议和通信软件编程，利用知识构建高速公路远程测温系统的硬件平台并编写代码，最后进行系统调试并得出相应成果。 2.2技术方案草拟 1.在高速公路特殊节点处设置专门的温度采集装置，在硬件技术支持条件下采用DS18B20这种小型温度传感器。该温度传感器中较早进行开发的传感器品种，经过多年的研究与再开发技术与运用领域已经十分成熟。同时另外选取两种不同种类的温度传感器与之进行比较在和负责硬件的设计的同学进行商讨并确认最终方案。 2.传输系统设计。微处理器使用msp430型号单片机，优势是实现了真正的超低功耗，特别适用于长期用电池供电的设备，是16位RSIC架构。如果在实际设计中遇到了困难（汇编语言太过于繁冗）笔者预备使用arduino ide进行编译。传输协议可以利用ZigBee或者WiFi进行传输，前者优势在于很多国有基础通讯协议现在使用的还是ZigBee，传输距离长、功耗低并且对硬件要求比较低的特点。但是WiFi的带宽较宽所以传输距离会快很多。 3.显示装置设计。采用QC12864B液晶显示屏进行显示。这是一款既可以显示字符又可以显示汉字及图形的LCD显示屏，该显示屏有串行和并行两种接口方式，其中串行接口方式可以是2线的也可以是3线的，并行接口方式可以是4位的也可以是8位的，可以说其适用范围很广。如果有用显示屏显示汉字的需求，这款显示屏是极好的选择，因为该显示屏内部含有国标一级、二级简体中文字库。该模块不仅功能强大能显示任何所需的显示内容而且还具有电压要求低、功能损耗低、电路结构简单、程序编写简洁以及价格低廉的特点。 总体设计草图：见开题报告附件
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3. 研究计划与安排
| 1、1月15日—2月13日：认真分析毕业设计所需完成的任务，规划设计方案，整理所需资料并准备开题报告。 2、2月14日—3月15日：自主学习，了解arduino等可能会使用到的语言软硬件开发平台，熟悉编译环境、资料学习远程测温系统的一些成果和设计思路； 3、3月16日—4月10日：与张泽鹏同学一起商讨设计和选择传感器等的硬件电路，学习网络协议等，研究总体设计，硬件设计的完成； 4、4月11日—4月30日：进行软件化设计，各个子模块的程序编写。 5、5月1日—5月15日：系统设计及优化，进行调试等阶段 6、5月中下旬：工作总结，撰写论文。 |
4. 参考文献（12篇以上）
| [1] 于泉. 大气温度对高速公路机电设备故障的影响分析[A]. 中国公路学会养护与管理分会.中国公路学会养护与管理分会第七届学术年会论文集[C].中国公路学会养护与管理分会:中国公路学会养护与管理分会,2017:10. [2]于艳花. 基于故障树分析理论的高速公路预警系统研究[D].西安建筑科技大学,2012 [3]杨久河. 基于DS18B20的多点式无线温度测量仪的设计与实现[D].中国海洋大学,2010. [4]覃鲜艳. 基于DS18B20的无线测温系统的研究与设计[D].武汉理工大学,2012 [5]刘威. 基于DS18B20和nRF9E5的多点无线测温系统[D].吉林大学,2008. [6]班齐.爱上Arduino[M].第2版.北京:人民邮电出版社,2012 [7] 朱伶俐,沈碧波.一种基于UART-WIFI的公路图像采集远程报警系统设计[J].通化师范学院学报,2016,37(06):1-3. [8]李少林,张维路,刘民,张卓夫.基于ZigBee/WiFi技术的无线数据采集与控制系统[J].组合机床与自动化加工技术,2018(09):92-94 98 [9]李道全,张玉霞,魏艳婷.无线传感器网络源位置隐私保护路由协议[J/OL].计算机技术与发展,2019(07):1-5[2019-03-22] [10]刘加刊,顾晨,朱艳.ZigBee与其他短距离无线通信技术比较及其应用[J].中国新通信,2018,20(18):87-88 [11]冉君军. zigbee网络抗干扰技术的研究与实现[D].西南科技大学,2018. [12]杨森,李月娥.基于ZigBee与WIFI的无线传感器网关设计[J].山西大学学报(自然科学版),2018,41(03):572-578. [13]陈文雄.ZigBee无线通信技术及其应用[J].中国新通信,2018,20(13):139-140. [14]陈卢. 温湿度传感器芯片的分析与设计[D].电子科技大学,2018. [15]罗小敏,麻淑婉,金长华,张声岚,张玉.基于DS18B20温度传感器测温系统的研究与设计[J].轻工科技,2019,35(01):50-51 103 [16]王洪艳.谈计算机软件开发设计的难点和对策[J].智库时代,2018(51):126-127. [17]Qiang Zeng,Weihua Gu,Xuan Zhang,Huiying Wen,JinwooLee,Wei Hao. Analyzing freeway crash severity using a Bayesian spatialgeneralized ordered logit model with conditional autoregressive priors[J].Accident Analysis and Prevention,2019,127 [18]Marwa F. Areed. A Keyless Entry System Based onArduino Board with Wi-Fi Technology[J]. Measurement,2019. [19]SassoJohn.Errors Resulting From Excluding the Effects of Humidity on thePerformance of Combustion Turbine Plants Equipped With EvaporativeCoolers[J.Asme Power Conference [20]G Wang. A Heidar, KAA Makinwa, et al. An Accurate BJT-Based CMOS TemperatureSensor With Duty-Cycle -Modulated Output[J. IEEE Transactions on IndustrialElectronics, 2017, 17(l0): 3001-3011 [21]Qiwei Huang. Hyobin Joo, Jinwoo Kim, et al. An Energy EfficientFrequency-Domain CMOS Temperature Sensor With Switched Vermier Time-to-Digital Conversion[J] IEEE SensorsJourmnal, 2017, 17(10): 3001-3011 [22] Milan Solanki, Rajesh Khatri. A 0.45v,1.3nW Bandgap CMOs Voltage Reference Temperature Compensation[C] IEEE UttarPradesh Section International Conference onElectrical, Mathura, 2017.234-238 [23]赵立廷,李宏斌.国内外高速公路总体设计的差异比较[J].公路,2008(09):4-6 [24]张广宇.一种低功耗粮仓无线温度采集系统[J].计算机应用与软件,2018,35(09):162-166. [25]吴卓文,陈锦培.高压小车开关柜无线测温系统设计与实现[J].中国高新科技,2019(02):50-52. |
