摘 要：在快速发展的21世纪，随着生活水平的提高，人们对驾车出行安全越来越重视，在车速较快的高速公路上，车辆运行速度很快，撞击护栏的交通事故时有发生，所以设计一个高速公路护栏安全监测报警装置是很有必要的。将传感器敷设在护栏背面，当护栏受到撞击时，传感器随之受到强烈振动，就会输出波形，通过单片机分析事故大小并将信号传输到监控单片机，监控单片机处理数据并在屏幕上显示冲击的强烈程度和位置信息并报警。
关键词：安全；震动传感器；显示位置；报警
1 引言
驾车出行给人们的生产生活都带来了极大的方便，引发的安全事故也越来越多，与普通公路相比，高速公路交通事故事故率、 致死率更高。高速公路护栏是影响交通安全的重要因素。在道路交通事故中，发生在高速公路上的交通事故占55％，且其中30％为车辆与高速公路护栏接触(碰撞、 刮擦等)或者直接驶出道路。发生事故后，由于报警人精神高度紧张很难描述清楚其所在的具体位置，或者根本无法判断自己所处的位置。更有甚者，单车事故发生在夜间，交通事故受害者重伤昏迷，更无法及时报警。所以设计制作一个高速公路护栏安全碰撞告警装置，发生事故之后，该系统可以探测到事故大小和位置信息，能帮助交警更快的定位，更能尽快救治伤员，保证生命安全。
2 研究意义
伴随着我国经济水平的持续提升与科学技术的不断发展，现在我国人民的生活消费水平急速提升，越来越多的人民开始追求生活质量与水平，汽车已经变成老百姓日常生活的不可缺少的必需品，因此全中国的汽车数量飞速增长，仅仅2018年我国汽车产量就已经达到278039万辆，销量达到2808.1万辆，位列全球第一位。但是，全国汽车总量的不断增加，交通道路的高速发展，在方便了我们生活的同时也带来了越来越多的问题，例如雾霾等一系列环境问题越来越严重，交通事故越来越多。自2005年到2019年这些年来，我国发生交通事故的频率日益增高，每一年发生的交通事故数量都保持在一个很高的位置，平均每年高达20万起，每年的交通事故去世人数高达5万，经济财产损失高达10亿元。当下，道路交通安全已经成为了我国现在不得不正视的焦点问题。据公安部统计，中国近几年来死于交通事故的平均人数一直保持在10万左右，而我国每年因交通事故造成的损失高达210亿美元，相当于中国国民生产总值的1.5％[1]。由此可见，交通事故已经成为了全球的通病，严重威胁了人们的生命财产安全，同时也给我们国家的综合国力带来了重大的影响。而我国交通事故死伤人数持续多年位列世界排名第一位，每年交通事故夺去的生命和经济财产让我们痛心疾首，交通事故已经成为了我国的一大灾害。目前已有的大量研究大都是在汽车上安装预警系统，提醒驾驶员注意等，基本没有设计是针对在发生交通事故后如何进行处理的。在高速公路上发生了事故后，当事人精神紧张、意识不清，在报警时存在描述不清事故位置的情况，甚至不能明确清晰判断自己所在的位置，若事故受害者受伤严重，不能及时报警，将难以得到及时的医护治疗，生命安全不能得到保障，因为发生事故后不能及时得到救助而失去生命的人不在少数。基于以上情况，本设计可以极大程度上缩短交通事故伤员等待医护救援的时间，能够给予事故受伤者及时的救助，有效地减少交通事故人员因救助不及时而失去生命的数量，很大程度降低交通事故死亡率。
3 工作原理
基于单片机的护栏安全监测报警装置，是由一个个节点组成，每个节点由传感器模块、通讯模块、单片机模块以及太阳能电池组成。在单片机的控制作用下，若护栏发生碰撞和事故，节点震动传感器监测到震动，就会输出波形，单片机可以根据波形的时间来判断出发生碰撞护栏事故的大小，通过通讯模块将数据传输出去，监控中心单片机根据接收到的信息可以判断出发生碰撞事故的位置。监控中心可以远程实时监测护栏撞击状态、震动传感器工作状态以及各模块工作状态及其电池电量，随时随地查阅数据和设置修改系统参数，一旦某段护栏发生了碰撞，系统将实时报警并显示相应的区间位置和发生时间其原理图如下图。
4 硬件组成
由单片机为中央处理器、传感器模块、通讯模块和显示模块等组成的。
本设计采用Arduino作为控制器，Arduino是一款基于开放源代码的USB接口的Simple I/O接口板，便捷灵活、方便上手的开源电子原型平台。Arduino相对于51单片机来说更先进一些，Arduino能够通过各种各样的传感器来感知环境。Arduino的函数既简单又实用，不存在难懂复杂的汇编，也没有复杂麻烦的底层代码，而且其简单的编程环境自由度极高；本设计采用的Arduino硬件型号为Arduino Mega 2560 2012 R3版。Arduino Mega 2560是采用USB接口的核心电路板，它最大的特点就是多达54路的数字输入输出端口，特别适合需要大量I/O接口的设计，其处理器核心为ATmega2560，共有模拟输入端口16个，UART串口一共有四路，同时具有一个16MHZ的晶体振荡器，使用简单，用USB连接线连接电脑就可以进行使用。
本设计采用801S型振动传感器。801S型振动传感器主要芯片由LM393、801S振动感应头组成，同时还有电压比较器以及灵敏度调节开关跟输出指示灯，其工作电压范围为DC 3-5V。801S型振动传感器能够输出检测到的信号指示，而且其输出信号为单路输出，具有宽振动测试范围。在正常情况下其输出低电平，监测到信号后输出有效信号高电平，并且检测信号灵敏度可以进行调节。其原理图如下图。
无线网络模块我们选用24L01-M微型2.4G无线模块，优点是集成PCB天线，传输距离远，最高工作速率2Mbps, 高效GFSK调制，抗干扰能力强，模块可软件设地址，只有收到本机地址时才会输出数据(提供中断指示)，可直接接各种单片机使用，内置专门稳压电路，使用各种电源包括DC/DC开关电源均有很好的通信效果。无线模块将传来的数据发送给控制单片机。控制单片机对接收到的危险信号处理并显示报警事故大小和位置信息。
数据显示模块我们采用12864 OLED显示器，其显示区域为128*64的点阵，可显示汉字、图案、ASCII等，分辨率高，效果可靠。相对于液晶显示屏，OLED屏幕更加轻薄，亮度更高，响应速度快。本模块全面兼容Arduino，功耗极低，占用I/O口少，共有7个引脚，其中第一个管脚GND为电源地，用来接地；第二个管脚VCC为电源正，用来与+5V电源相接；第三个、第四个管脚为显示屏的D0、D1脚，其功能是在SPI与IIC通信中为时钟管脚与数据管脚；第五个管脚为RES脚，其功能是用来低电平复位；第六个管脚为DC脚，其功能是数据和命令控制；最后一个管脚为CS脚，也就是片选管脚；当采用SPI或IIC通信方式时，本显示器最多使用4个I/O口即可进行通讯其原理图如下。
5 软件设计
本设计使用Arduino ide进行软件编程，Arduino ide 作为Arduino 官方对应的编程环境，其语法简单，界面简洁，能够方便的进行编写程序以及程序的上传，而且Arduino ide具有高度的兼容性，能够完美运行于现在的各大操作系统。Arduino IDE软件操作界面简洁明了，非常容易上手，其软件界面共分为四大功能区：菜单栏、工具栏、编译区以及状态区域，首次打开软件需要在菜单栏选择对应的端口以及电路板，然后就可以进行编程了。由于Arduino系列电路板都自带烧录程序，编程编译完毕后就可以方便的进行上传程序，完成程序的烧录。程序主要作用是监测震动，输出震动的时间，计时程序能够计算震动时间来判断事故具体位置，然后无线模块将传来的数据发送给控制单片机，单片机对接收到的危险信号处理并显示报警事故大小和位置。数据在刚开始可能无法做到一次性通过, 可能会在效果上出现错误等一系列问题, 但是我们能够从问题中找到代码中的错误源头, 不断修改代码, 对程序进行调试, 如果程序最终成功运行, 就可以直接生成文件运用到硬件当中。其程序流程图如下。
6 结语
基于单片机的护栏安全监测报警装置能有效解决高速公路安全事故问题，发生事故后，第一时间报警，并确定位置，减少人员伤亡；装置光伏发电，绿色节能。选用震动传感器，成本低，精确度高。装置安全可靠，达到保护人员的目的。
[参考文献]
[1]范冰彦.家庭无线智能防盗报警系统[J].安防科技,2003(03):70-71.
[2]周皓冉.基于K60的汽车内环境监测与报警系统设计[J].电子技术与软件工程,2018(21):65.
[3]张赢银,张晁祎,刘瑞蕊,肖迪.汽车防盗报警系统设计[J].中国科技信息,2016(16):42-43.
[4]刘兵. 基于单片机的家庭报警系统的研究与设计[D].山东大学,2015.
论文作者:刘金浩 平建 王颖 杨庆雨,徐伟耀 孙鹏
论文发表刊物:《工程管理前沿》2019年18期
论文发表时间:2019/11/7
标签：单片机论文; 交通事故论文; 护栏论文; 模块论文; 事故论文; 传感器论文; 位置论文; 《工程管理前沿》2019年18期论文;