1、本科生毕业设计（论文）I摘 要随着我国高速公路的迅速发展，及时、有效的对高速公路的环境参数的监测是很有必要的，它不但可以减少交通事故的发生，从而给人们的出行安全带来很大方便。而且同时也能有效的为高速公路维护工作提供便利。高速公路环境参数自动监测系统的设计是通过对气温、湿度、风向、风速、路面结冰状况等气象要素的采集为工作的基础。本设计讨论了 GPRS 的无线通讯的高速公路环境参数自动监测系统的设计，并实现了气象采集的自动化和网络化。分析各气象要素传感器的接口、参数、性能、可靠性等关键问题，确定了HMP45D 型号的湿度传感器、PT100 温度传感器、IRS21 智能路面状况传感器、HW-N1 型
2、能见度仪、ZQZTF 风向风速传感器、确定了 H7000 无线 DDN 系统为用户提供高速、永远在线、透明数据传输的虚拟专用数据通信网络进行设计。由于高速公路环境参数自动监测系统因为其本身的地域的局限性，所以通讯方式最好采用无线通讯的方式。随着计算机网络技术的发展，GPRS 数据服务除了高速、永远在线的特点外，还具备通讯费用低廉的优势。因此得到了广泛的应用。关键词：GPRS 无线通讯；自动监测系统；传感器本科生毕业设计（论文）IIAbstractWith the rapid development of highway, timely and effective environmental p
3、arameters on the highway monitoring is necessary, it can not only reduce traffic accidents, giving people travel security bring great convenience. But also can effectively facilitate the work for the highway maintenance.Automatic monitoring of environmental parameters highway system design is throug
4、h the air temperature, humidity, wind direction, wind speed, icy conditions and other meteorological elements collected for the basis of the work. This design discussed GPRS wireless communication highway environmental parameters automatic monitoring system design and realization of meteorological a
5、cquisition automation and networking. Analysis of the meteorological sensor interfaces, parameters, performance, reliability, and other key issues, identified HMP45D type humidity sensor, PT100 temperature sensor, IRS21 intelligent road condition sensors, HW-N1 type visibility meter, ZQZ-TF wind dir
6、ection and speed sensor, identified H7000 wireless DDN system provides users with high-speed, always online, transparent data transmission virtual private data communications network design.Because the highway environmental parameters automatic monitoring system because of its own geographical limit
7、ations, so the best use of the wireless communication means of communication. With the development of computer network technology, GPRS data services in addition to high-speed, always-on features, but also have the advantage of low-cost communications. So it has been widely used.Keywords: GPRS wirel
8、ess communication; automatic monitoring system; sensor本科生毕业设计（论文）III目 录第 1 章 绪 论 .11.1 研究背景 .11.2 国内外发展 .21.3 本设计的解决的问题 .3第 2 章 方案论证 .52.1 方案对比 .52.2 方案分析 .7第 3 章 硬件电路设计 .103.1 单片机的选型及其外围电路的设计 .103.2 A/D 转换器 .113.3 传感器的选型 .133.3.1 路面传感器 .133.3.2 温、湿度传感器 .143.3.3 能见度传感器 .173.3.4 风速风向传感器 .193.4 通讯模块的设
9、计 .203.5 人机接口部分的设计 .233.5.1 按键电路的设计 .233.5.2 显示电路的设计 .243.5.3 报警电路的设计 .25第 4 章 软件设计 .264.1 主流程图 .264.2 子程序流程图 .26第 5 章 通讯网络系统的功能及实现 .305.1 GPRS 模块的设置 .305.2 数据中心的实现简介 .30第 6 章 总结 .32参考文献 .33致 谢 .34附录 I.35附录 II .36本科生毕业设计（论文）IV附录 III .53本科生毕业设计（论文）0第 1 章 绪 论1.1 研究背景近年来，我国高速公路建设的发展非常迅速，自 1988 年建成我国第一条
10、高速公路以来，到 2010 年底，我国高速公路通车里程达到 7.3 万 km。根据国家高速公路网规划，我国正在全力以赴地加快国家高速公路网主骨架建设，到 2020 年，基本建成国家高速公路网，届时，中国高速公路通车总里程将达 10 万 km。新路网由 7 条首都放射线、9 条南北纵向线和 18 条东西横向线组成, 简称为7918 网。随着交通运输业的飞速发展，天气条件对交通运输的影响也越来越广泛，恶劣的天气条件给交通运输带来巨大的损失，甚至威胁人们的生命财产安全。据统计，在冰雪路面、积水路面与正常干燥路面 3 种情况下， 交通事故发生的概率之为 4.21.611，在寒冷地区这种现象甚至更为严重
11、。所以，及时准确的天气信息成为交通管制部门决策支持的关键组成部分。高速公路交通气象监测系统由分布在高速公路沿线的若干个高速公路自动气象站联网组成，通过对天气变化、路面状况、空气环境进行实时监控，获取实时数据， 并实时向外界发布天气、交通的变化信息，从而使交通管制部门及时作出相应决策， 提高交通道路的安全指数，充分发挥交通道路效能。随着我国公路建设的快速发展，公路建设的监测和维护工作也显得越来越重要。公路路面在实际使用的过程中，温度、水分以及载荷等因素均会对整个路面结构产生不利影响，并极大的增大了交通事故的发生几率，带来了极大的财产和生命损失。根据对四川、云南、贵州、广西、甘肃、新疆、西藏、浙江
12、、河南、辽宁等几个省的事故资料统计研究发现，约有 44% 的道路交通事故与气象条件有直接或间接的关系。数据显示，在美国每年 680 万起交通事故中，20% 发生在像雨、雪或冰雪这样的恶劣气象条件下问。目前我国道路交通事故数、交通事故伤亡人数及经济损失居高不下，交通安全形势恶劣。雨、雪、雾天能见度低，路面积水、结冰等都会使路面光滑、行车发漂，是形成事故的重要原因之一。低收入和中等收入国家每年有 100 多万人因公路交通事故丧生，高收入国家则仅有 12.5万人因公路交通事故丧生。先进的仪器设备来建立健全交通安全环境，完善的道路情报收集与管理，可以为相关管理部门的决策提供依据，也可以对道路使用者进行
13、提示、警告、限制，大大减少交通事故的发生。目前中国高速公路建设快速发展，中国 2008 年新修通高速公路 6433 公里，高速公路通车总里程达到 6.03 万本科生毕业设计（论文）1公里，继续居世界第二位。根据交通部的规划，到 2020 年，我国将建成国家骨架公路网，全国高速公路总里程预计将达到万公里。路面传感器市场前景广阔。目前我国路面传感器市场主要被国外的企业垄断，昂贵的价格限制了其应用。实现路面传感器国产化，有着深刻的现实需求和经济前景高速公路的气象环境状况，特别是恶劣天气条件，直接影响高速公路的运营管理和行车安全。由于雨、雪、雾、积雪、结冰等天气环境条件对高速公路的运营有直接的影响，所
14、以交通部门对高速公路交通气象监测系统的需求主要从以下几个因素上加以考虑。(1) 安全因素：在大雾等低能见度的气候条件下，高速公路很容易引发多车相撞的恶性交通事故，这类交通事故往往造成相当惊人的损失，如北京、上海、陕西、江苏、广东等地相继开始对城市道路或高速公路的头号杀手雾进行监测与预报研究，并取得许多有价值的科研成果。(2) 经济效益因素：交通事故不但造成了重大的人员伤亡，还带来其它重大的经济损失。在大雾、下雪、结冰等天气情况下，往往采取关闭高速公路的办法来有效地杜绝交通事故，但关闭高建公路带来的直接经济效益损失不容轻视，因此不能准确判断各类型天气条件下高速公路的行车等级，也会带来不必要的经济
15、损失。(3) 社会影响因素：由于公路交通重大事故比例高，人员伤亡大，人们对公路产生了潜在的死亡恐惧。据调查, 在铁路交通方便的情况下，出行者更愿意选择铁路交通。(4) 交通问题因素：封闭公路给周边城镇的交通带来了极大的压力，特别是交通容量小的小城镇，造成严重的大面积的交通阻塞和交通瘫痪。1.2 国内外发展瑞典、英国、芬兰等国家是世界上最早进行高速公路交通气象监测系统研究的国家, 许多开创性的应用工作也是从这些国家逐渐推向世界各地的。近年随着各种遥测技术、网络、数据库以及 GPRS 等技术的应用，国外高速公路交通气象监测系统能够向道路养护、交通运营管理以及公众出行提出更加丰富、及时、有效和全面的
16、信息，降低道路的养护运营成本，提高道路的运营服务与安全水平。而我国高速公路交通气象监测系统研究与应用工作起步较晚，交通气象信息也主要来源于公路沿线的气象站、雾天能见度检测仪等检测设施，公路部门与气象行业业务合作不够紧密，所以总体上缺乏系统研究，提供专业服务的能力还很有限。但近年来, 随着我国高速公路的快速发展，高速公路交通气象监测系统的研究和应用已经开始受到相关部门和研究机构的重视。如安徽省 2009 年底已开始建设本科生毕业设计（论文）2覆盖全省高速公路的恶劣气象条件监测系统、山东省已开始建设高速公路气象观测系统、山西省也将高速公路气象监测系统纳入地方“十二五”建设规划，此外河北省交通与气象
17、部门携手加强高速公路气象监测及预警服务能力建设等，所有这些都表明了交通部门对高速公路交通气象监测系统的关注, 但我国目前该系统的主体框架基本以传统气象要素的监测为主，能见度仪和路面状态传感器大多数仍依赖于国外进口设备，可见，我国交通气象监测与服务工作还需进一步加强。由于我国对这方面的设计的不足，所以对高速高速公路自动监测系统的研究是很有必要的。国外进行气象信息采集比较有名的有意大利、法国、日本等一些公司在从事自动气象站方面的研究。气象设备的主要生产厂家有芬兰的 Vasiala、意大利的DPS 一 Pormatic、法国的 exMEL、英国的 CamPbellseientifie 和 Casel
18、laCel 等。他们的大部分产品也是采用卫星和 GSM 的通信模式，随着移动通信技术的进步，国外的意大利的一家公司 2003 年首先推出了基于 GPRS 通信的相关产品。但是国外进口的自动气象站观测系统设备价格昂贵,很难在国内大范围普及。国内气象观测技术领域也有许多相关研究，并取得了一定的进展。国内比较著名的自动气象站有北京华创科技公司的 CAWS600 系列自动站，江苏无锡无线电科学研究所的 ZQZ 一 Cn 型自动气象站。另外还有长春气象研究所的同类产品。他们的产品主要是数据传输大多局限于传统的通讯方式(有线 MODEM、GSM 等通讯方式) 。本设计进行基于 GPRS 的多要素自动气象站
19、产品开发的同时无锡无线电科学研究所也在进行相关产品的研究和实验。1.3 本设计的解决的问题高速公路自动监测系统的设计关于环境参数的采集需要安装在现场，通过各种传感器对气象参数进行采集。同时，分析、存储采集的气象数据。利用 GPRS模块作为数据通讯通道。GPRS 通信网络是气象数据中心与现场自动气象站之间的数据传输的桥梁，各自的 GPRS 数据终端将数据打成 PI 包，经 GPRS 接入无线GPRS 网络，由移动服务商转接到 hietmet，最终通过各种网关和路由到达统一的数据处理中心工作站。使现场自动气象站的气象参数能够及时传送到气象中心的计算机中。气象数据中心是系统的监控中心，从各观测站发回
20、的气象资料经整理后存入 SQLesvrer 数据库，并通过网页浏览方式提供给相关部门及其他用户。它由三台主机和上位机软件组成。一方面气象数据中心通过 GPRS 网络与现场自动气象站进行双向通信收发数据，另一方面进行数据库管理和 WEB 网页浏览服务。上位机软件为用户提供一个可视化界面，实时监测各地的气象参数。通过此软件，本科生毕业设计（论文）3可查询历史数据库，查看各地气象息的历史记录和统计曲线，从而清楚地了解观测点的综合气象信息。本文的主要工作是自动气象监测系统中的基于 GPRS 传输的自动气象站的研制，提出并讨论的主要问题如下：1.各气象要素的信号采集传感器的选用、接口和性能的分析。2.硬
21、件系统的主处理模块、气压测量模块、各传感器接口调理电路的分析与设计。3.GPRS 相关技术，及和单片机的接口问题4.气压的非线性校正和温度补偿的实现、温度传感器的非线性校正、可靠性分析与设计等若干关键技术问题。本科生毕业设计（论文）4第 2 章 方案论证2.1 方案对比目前国内也有很多基于无线传输的高速公路自动气象站，但或多或少都存在一些不足，总结起来主要有以下几个方面：1.采用的无线传输方式为短信方式，这种方式缺乏灵活性，局限性比较大，而且对于多站点、多时次的信息需求来说，费用比较昂贵。2.部分无线传输方式将采集得到的数据存于 U 盘、移动硬盘等介质中，实时性无法实现。另外，长时间的数据传输
22、积累下来的数据量比较大，需要人员定时去取存于移动介质中的数据，需要大量的人力物力，对于沙漠等偏远地区来说，实现起来就更加困难。3.随着计算机网络的发展,采集到的数据可以存入计算机，通过计算机网络传输到远端服务器，这种方式仅适用于有地面网络的地区，无法应用于无人。无气象站的地区。我国高速公路环境参数自动检测系统研制工作始于 20 世纪 50 年代后期，至今已有 40 多年的历史。60 年代初，由原中央气象局观象台主持研制无人环境自动检测系统，到 70 年代初研制出环境参数自动监测系统，在青海省的五个台站进行试验，前后达 10 年之久。与此同时，原中央气象局硬件所又主持研制出综合遥测自动气象站，在
23、杭州、苏州、北京等地进行了为期 6 个月的现场考核。80 年代中期，由中国气象科学研究院大气探测所主持，采用精致气象卫星中继数据的方式，研制出资料收集平台(DCP)，并在多个省份进行为期 1 年的试验。到 90 年代后期，我国第一批高速公路环境自动监测系统设计成型，并获准在业务中使用。截至 2005 年，全国有 1000 多个台站使用了自动环境监测系统，并实现了组网。在过去的十几年间，高速公路自动监测系统之所以取得了迅猛的发展，并得到了应用，取决于多种因素其中技术因素起到举足轻重的作用，包括微型计算机、通信、传感器等技术的发展和推广应用，为自动环境参数监测技术性能的提高提供了良好的技术基础,尤
24、其是微处理器的和通信技术的日趋成熟，简化了数据传输设计。降低了成本，提高了效率,使准确获得数据的同时能够准确、高效的传输，达到自动环境自动监测的功能要求。目前国内外都有许多研究高速公路环境自动监测系统的厂家，因此在技术上成熟了许多。国内比较知名的是北京华创科技有限公司的 CAWS600 系列环境参数自动检测系统，长春气象仪器研究所的本科生毕业设计（论文）5同类产品。他们的产品数据传输主要都局限于传统的通讯方式。随着社会经济的发展，科学技术的进步，将进一步推动环境参数自动监测技术向多功能、智能化、高精度、高可靠性方向发展，将为航空、水利等社会各部门提供更详细、更准确的气象信息。通过以上的分析，我
25、们发现上述各种方式或多或少的存在一定的弊端，尤其是通讯方式，它是制约环境参数自动监测系统发展的一个重要因素。GPRS 作为一个新的无线网络通信协议，是基于 GSM 的新型移动分组数据承载业务，每个用户可同时占用多个无线信道，同一无线信道又可以由多个用户共享，资源被有效的利用，比现有 GSM 网具有更高的数据率，并具有永远在线的特点。GPRS 数据服务除了高速、永远在线的特点外，还具备通讯费用低廉的优势。GPRS 数据服务可以按流量或时间或包月固定费等方式收取，就大大降低了用户使用 GPRS 进行数据传输的成本，尤其在数据采集与监控系统中。通过对比，本论文拟采用 GPRS 通信方式实现气象要素自
26、动监测无线化和网络化。本课题利用无线 GPRS 技术传输气象数据,主要是因为 GPRS 具有以下优点：1.GPRS 对于网络资源利用率高。GPRS 采用分组交换技术，对于数据吞吐量较小的网络，可以把大数据包先分成若干个小数据包，通过不同的路由，以存储转发的方式传送到目的主机，再按规则组合成完整数据包。2.覆盖范围广。GPRS 覆盖范围广，在无线 GSN 叮 GPRS 网络的覆盖范围之内，都可以完成对无线终端的控制和管理。而且，接入地点无限制，能满足山区、乡镇和跨地区的接入需求。3.数据传输速率高。GPRS 数据传输速度大于 40Kbps，最高可达到 115KbPs一 170Kbps，完全可以满
27、足用户应用的需求。4.建设成本小。由于采用 GPRS 无线公网平台，对于行业应用，只要安装好GPRS 终端即可，不需专门的布线，前期投资小、见效快,后期升级、维护成本低。5.接入时间短，提供了与现有的数据网络的无缝连接。GPRS 接入等待时间短，可快速建立连接，平均时间为两秒。6.提供实时在线功能“用户将始终处于连线和在线状态,这使得访问服务变得非常简单、快速。7.通讯费用低，按流量计费。GPRS 网络按照用户接收和发送数据包的字节数量来收取费用，在没有数据传递时，用户即使挂在网上也是不收费的。同时 GPRS 应用可以采用包月、包年的计费方式，运营的成本将大大降低。8.GPRS 系统的传输容量大，非常适合数据的传输应用。GPRS 的分组交换技术提供灵活的差错控制和流量控制，非常适用于数据传输应用，特别是间断的、
