本發(fā)明涉及高速公路團(tuán)霧檢測(cè)技術(shù)，具體是一種高速公路團(tuán)霧檢測(cè)系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

團(tuán)霧似乎是近年來(lái)忽然變熱的一個(gè)詞，由于冬春時(shí)節(jié)頻繁報(bào)道的高速公路上團(tuán)霧引發(fā)的連環(huán)追尾事故。但是，人們對(duì)霧的研究和檢測(cè)卻由來(lái)已久。例如，1992年，K.J.Noone等人就比較了當(dāng)時(shí)較為流行的測(cè)量霧中水分含量的4種方法（Arends, B.G.; Kos, G.P.A.; Wobrock, W.; Schell, D.; Noone, K.J.; Fuzzi, S.; Pahl, S. Comparison of techniques for measurements of fog liquid water content. Tellus 1992, 44B, 604–611.），并指出基于前散射激光光譜儀（forward scattering laser spectromemter）的PVM具有最好的性能指標(biāo)。在2008年，Jeffrey L. Collett Jr.等人又設(shè)計(jì)出一個(gè)基于光衰減原理的云/霧檢測(cè)器（Carrillo, JH.; Emert, SE.; Sherman, DE.; Herckes, P.; Collett, JL.An economical optical cloud/fog detector. Atmospheric Research 2008, 87, 259-267.），并通過(guò)與PVM的對(duì)比實(shí)驗(yàn)得出結(jié)論，他們的新云/霧檢測(cè)器通常情況下能夠勝任檢測(cè)任務(wù)，關(guān)鍵是比PVM的產(chǎn)品便宜的多，一套只需約500美元?？梢?jiàn)，隨著光電子器件的不斷進(jìn)步，采用新器件大幅降低傳感器的成本從而便于市場(chǎng)化，這也是人們關(guān)注的一個(gè)研究方向。本發(fā)明將提出的傳感器，原理也是基于光衰減，但由于采用了新的不同的元器件和結(jié)構(gòu)，使傳感器成本降到500人民幣以下，同時(shí)也應(yīng)能夠滿足檢測(cè)團(tuán)霧的要求。

國(guó)際上用能見(jiàn)度對(duì)霧的分類見(jiàn)下表（Gwang Lee?，Bong-Keun Kim. Study on Development and Utilization of Wide Area Visibility Information System Using CCTV on the Highway. JKIECS, vol. 9, no. 6, 665-672, 2014）：

。

以往的團(tuán)霧檢測(cè)器（見(jiàn)下面專利）在設(shè)計(jì)時(shí)就希望它能測(cè)量較寬的能見(jiàn)度范圍，這樣會(huì)導(dǎo)致傳感器結(jié)構(gòu)復(fù)雜價(jià)格昂貴。按照上表，團(tuán)霧的能見(jiàn)度范圍應(yīng)該是0到40米。如果在設(shè)計(jì)團(tuán)霧傳感器時(shí)重點(diǎn)考慮0～40m 能見(jiàn)度的測(cè)量而適當(dāng)忽略長(zhǎng)距離能見(jiàn)度的測(cè)量，則可大幅簡(jiǎn)化傳感器結(jié)構(gòu)和減低其成本。這也是本發(fā)明的設(shè)計(jì)思路之一。

團(tuán)霧通常出現(xiàn)在高速公路沿線，其容易造成高速公路能見(jiàn)度低，由此引發(fā)重大交通事故。為了避免因團(tuán)霧引發(fā)的交通事故，目前出現(xiàn)了各種各樣的高速公路團(tuán)霧檢測(cè)技術(shù)（例如中國(guó)專利ZL200910184845.X公開(kāi)的一種高速公路團(tuán)霧實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)儀、中國(guó)專利ZL201210226642.4公開(kāi)的一種基于圖像顏色空間特征的霧天檢測(cè)方法、中國(guó)專利ZL201420112447.3公開(kāi)的一種基于數(shù)字?jǐn)z像的團(tuán)霧實(shí)時(shí)預(yù)警系統(tǒng)、中國(guó)專利ZL201310325570.3公開(kāi)的一種基于通視距離監(jiān)測(cè)的高速公路團(tuán)霧預(yù)警系統(tǒng)及預(yù)警方法）。然而，現(xiàn)有高速公路團(tuán)霧檢測(cè)技術(shù)由于自身原理所限，存在如下問(wèn)題：其一，現(xiàn)有高速公路團(tuán)霧檢測(cè)技術(shù)普遍是針對(duì)各種能見(jiàn)度的霧（能見(jiàn)度為0-40km的霧）而設(shè)計(jì)的，而并非專門針對(duì)團(tuán)霧（團(tuán)霧的能見(jiàn)度為0-40m）而設(shè)計(jì)，由此導(dǎo)致其檢測(cè)對(duì)象缺乏針對(duì)性，從而導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本昂貴。其二，現(xiàn)有高速公路團(tuán)霧檢測(cè)技術(shù)普遍采用老舊的電子器件設(shè)計(jì)而成，由此同樣導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本昂貴。基于此，有必要發(fā)明一種全新的高速公路團(tuán)霧檢測(cè)技術(shù)，以解決現(xiàn)有高速公路團(tuán)霧檢測(cè)技術(shù)存在的上述問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明為了解決現(xiàn)有高速公路團(tuán)霧檢測(cè)技術(shù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本昂貴的問(wèn)題，提供了一種高速公路團(tuán)霧檢測(cè)系統(tǒng)及方法。

本發(fā)明是采用如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

一種高速公路團(tuán)霧檢測(cè)系統(tǒng)，包括團(tuán)霧傳感器、單片機(jī)信號(hào)處理系統(tǒng)、上位機(jī)通信系統(tǒng)；

所述團(tuán)霧傳感器包括玻璃管、前導(dǎo)氣管、后導(dǎo)氣管、輸氣泵、激光頭、光電二極管；

玻璃管的前端和后端均設(shè)有端壁；玻璃管的前部側(cè)面開(kāi)設(shè)有內(nèi)外貫通的前導(dǎo)氣孔；玻璃管的后部側(cè)面開(kāi)設(shè)有內(nèi)外貫通的后導(dǎo)氣孔；前導(dǎo)氣管貫穿固定于前導(dǎo)氣孔內(nèi)；后導(dǎo)氣管貫穿固定于后導(dǎo)氣孔內(nèi)；輸氣泵的出氣口與前導(dǎo)氣管的外端管口連通；激光頭的出射端與玻璃管的前端端壁相互正對(duì)；光電二極管的入射端與玻璃管的后端端壁相互正對(duì)；

所述單片機(jī)信號(hào)處理系統(tǒng)包括限流電阻、負(fù)載電阻、電容、單片機(jī)、鎖存器、數(shù)碼管、RS232收發(fā)器、下級(jí)RS232/RS485轉(zhuǎn)換器、電位器；

限流電阻的一端與光電二極管的陰極連接，另一端與電源端連接；負(fù)載電阻的一端與光電二極管的陽(yáng)極連接，另一端接地；電容的一端與光電二極管的陰極連接，另一端接地；單片機(jī)的信號(hào)輸入端與光電二極管的陽(yáng)極連接；鎖存器的信號(hào)輸入端與單片機(jī)的信號(hào)輸出端連接；數(shù)碼管的信號(hào)輸入端與鎖存器的信號(hào)輸出端連接；RS232收發(fā)器與單片機(jī)雙向連接；下級(jí)RS232/RS485轉(zhuǎn)換器與RS232收發(fā)器雙向連接；電位器的電源輸入端與單片機(jī)的電源輸出端連接；電位器的電源輸出端與激光頭的電源輸入端連接；

所述上位機(jī)通信系統(tǒng)包括總線、上級(jí)RS232/RS485轉(zhuǎn)換器、上位機(jī)；上級(jí)RS232/RS485轉(zhuǎn)換器通過(guò)總線與下級(jí)RS232/RS485轉(zhuǎn)換器雙向連接；上位機(jī)與上級(jí)RS232/RS485轉(zhuǎn)換器雙向連接。

一種高速公路團(tuán)霧檢測(cè)方法（該方法是基于本發(fā)明所述的一種高速公路團(tuán)霧檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的），該方法是采用如下步驟實(shí)現(xiàn)的：

a.在高速公路沿線每隔1200m安裝一個(gè)團(tuán)霧傳感器和一個(gè)單片機(jī)信號(hào)處理系統(tǒng)；在高速公路監(jiān)控中心安裝一個(gè)上位機(jī)通信系統(tǒng)；各個(gè)團(tuán)霧傳感器與各個(gè)單片機(jī)信號(hào)處理系統(tǒng)一一對(duì)應(yīng)連接；各個(gè)單片機(jī)信號(hào)處理系統(tǒng)均與上位機(jī)通信系統(tǒng)連接；

b.啟動(dòng)各個(gè)輸氣泵；各個(gè)輸氣泵持續(xù)抽吸高速公路沿線各處的團(tuán)霧，并通過(guò)各個(gè)前導(dǎo)氣管將團(tuán)霧持續(xù)送入各個(gè)玻璃管內(nèi)；各個(gè)玻璃管內(nèi)的團(tuán)霧自前向后持續(xù)流動(dòng)，并通過(guò)各個(gè)后導(dǎo)氣管持續(xù)排出；此時(shí)，啟動(dòng)各個(gè)激光頭；各個(gè)激光頭發(fā)出的激光穿透各個(gè)玻璃管內(nèi)的團(tuán)霧后入射到各個(gè)光電二極管，使得各個(gè)光電二極管產(chǎn)生反向電流，由此使得各個(gè)光電二極管的陽(yáng)極產(chǎn)生電壓；在此過(guò)程中，各個(gè)單片機(jī)通過(guò)各個(gè)電位器向各個(gè)激光頭持續(xù)供電，通過(guò)各個(gè)電位器可以調(diào)節(jié)各個(gè)激光頭的工作電壓，由此調(diào)節(jié)各個(gè)激光頭發(fā)出的激光光強(qiáng)；

c.各個(gè)單片機(jī)實(shí)時(shí)檢測(cè)各個(gè)光電二極管的陽(yáng)極電壓，并根據(jù)各個(gè)光電二極管的陽(yáng)極電壓計(jì)算出各個(gè)光電二極管的反向電流；然后，各個(gè)單片機(jī)根據(jù)各個(gè)光電二極管的反向電流計(jì)算出入射到各個(gè)光電二極管的激光光強(qiáng)，并根據(jù)入射到各個(gè)光電二極管的激光光強(qiáng)和各個(gè)激光頭發(fā)出的激光光強(qiáng)計(jì)算出各個(gè)激光頭發(fā)出的激光透射率；然后，各個(gè)單片機(jī)根據(jù)各個(gè)激光頭發(fā)出的激光透射率計(jì)算出各個(gè)玻璃管內(nèi)的團(tuán)霧分子數(shù)密度，并根據(jù)各個(gè)玻璃管內(nèi)的團(tuán)霧分子數(shù)密度計(jì)算出各個(gè)玻璃管內(nèi)的團(tuán)霧濃度，由此檢測(cè)出高速公路沿線各處的團(tuán)霧濃度；

d.各個(gè)單片機(jī)通過(guò)各個(gè)鎖存器將高速公路沿線各處的團(tuán)霧濃度發(fā)送至各個(gè)數(shù)碼管進(jìn)行就地顯示，以提醒過(guò)路司機(jī)注意；同時(shí)，各個(gè)單片機(jī)依次通過(guò)各個(gè)RS232收發(fā)器、各個(gè)下級(jí)RS232/RS485轉(zhuǎn)換器、總線、上級(jí)RS232/RS485轉(zhuǎn)換器將高速公路沿線各處的團(tuán)霧濃度發(fā)送至上位機(jī)進(jìn)行顯示，以供監(jiān)控人員觀察。

與現(xiàn)有高速公路團(tuán)霧檢測(cè)技術(shù)相比，本發(fā)明所述的一種高速公路團(tuán)霧檢測(cè)系統(tǒng)及方法基于全新的檢測(cè)原理，實(shí)現(xiàn)了對(duì)高速公路沿線各處的團(tuán)霧濃度進(jìn)行全面、實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的檢測(cè)，由此其具備了如下優(yōu)點(diǎn)：其一，本發(fā)明專門針對(duì)團(tuán)霧（團(tuán)霧的能見(jiàn)度為0-40m）而設(shè)計(jì)，由此使得其檢測(cè)對(duì)象更具有針對(duì)性，從而使得其結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單、成本更低廉。其二，本發(fā)明采用新興的光電子器件（激光頭、光電二極管）設(shè)計(jì)而成，由此同樣使得其結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單、成本更低廉。

本發(fā)明結(jié)構(gòu)合理、設(shè)計(jì)巧妙，有效解決了現(xiàn)有高速公路團(tuán)霧檢測(cè)技術(shù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本昂貴的問(wèn)題，適用于高速公路。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明中團(tuán)霧傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是本發(fā)明中單片機(jī)信號(hào)處理系統(tǒng)的第一部分結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3是本發(fā)明中單片機(jī)信號(hào)處理系統(tǒng)的第二部分結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4是本發(fā)明中單片機(jī)信號(hào)處理系統(tǒng)的第三部分結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5是本發(fā)明中上位機(jī)通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中：11-玻璃管，12-前導(dǎo)氣管，13-后導(dǎo)氣管，14-輸氣泵，15-激光頭，16-光電二極管，21-限流電阻，22-負(fù)載電阻，23-電容，24-單片機(jī)，25-鎖存器，26-數(shù)碼管，27-RS232收發(fā)器，28-下級(jí)RS232/RS485轉(zhuǎn)換器，29-電位器，31-總線，32-上級(jí)RS232/RS485轉(zhuǎn)換器，33-上位機(jī)。

具體實(shí)施方式

一種高速公路團(tuán)霧檢測(cè)系統(tǒng)，包括團(tuán)霧傳感器、單片機(jī)信號(hào)處理系統(tǒng)、上位機(jī)通信系統(tǒng)；

所述團(tuán)霧傳感器包括玻璃管11、前導(dǎo)氣管12、后導(dǎo)氣管13、輸氣泵14、激光頭15、光電二極管16；

玻璃管11的前端和后端均設(shè)有端壁；玻璃管11的前部側(cè)面開(kāi)設(shè)有內(nèi)外貫通的前導(dǎo)氣孔；玻璃管11的后部側(cè)面開(kāi)設(shè)有內(nèi)外貫通的后導(dǎo)氣孔；前導(dǎo)氣管12貫穿固定于前導(dǎo)氣孔內(nèi)；后導(dǎo)氣管13貫穿固定于后導(dǎo)氣孔內(nèi)；輸氣泵14的出氣口與前導(dǎo)氣管12的外端管口連通；激光頭15的出射端與玻璃管11的前端端壁相互正對(duì)；光電二極管16的入射端與玻璃管11的后端端壁相互正對(duì)；

所述單片機(jī)信號(hào)處理系統(tǒng)包括限流電阻21、負(fù)載電阻22、電容23、單片機(jī)24、鎖存器25、數(shù)碼管26、RS232收發(fā)器27、下級(jí)RS232/RS485轉(zhuǎn)換器28、電位器29；

限流電阻21的一端與光電二極管16的陰極連接，另一端與電源端連接；負(fù)載電阻22的一端與光電二極管16的陽(yáng)極連接，另一端接地；電容23的一端與光電二極管16的陰極連接，另一端接地；單片機(jī)24的信號(hào)輸入端與光電二極管16的陽(yáng)極連接；鎖存器25的信號(hào)輸入端與單片機(jī)24的信號(hào)輸出端連接；數(shù)碼管26的信號(hào)輸入端與鎖存器25的信號(hào)輸出端連接；RS232收發(fā)器27與單片機(jī)24雙向連接；下級(jí)RS232/RS485轉(zhuǎn)換器28與RS232收發(fā)器27雙向連接；電位器29的電源輸入端與單片機(jī)24的電源輸出端連接；電位器29的電源輸出端與激光頭15的電源輸入端連接；

所述上位機(jī)通信系統(tǒng)包括總線31、上級(jí)RS232/RS485轉(zhuǎn)換器32、上位機(jī)33；上級(jí)RS232/RS485轉(zhuǎn)換器32通過(guò)總線31與下級(jí)RS232/RS485轉(zhuǎn)換器28雙向連接；上位機(jī)33與上級(jí)RS232/RS485轉(zhuǎn)換器32雙向連接。

所述玻璃管11采用長(zhǎng)度為20cm、內(nèi)徑為10mm的石英玻璃管；所述前導(dǎo)氣孔的孔徑、后導(dǎo)氣孔的孔徑均為3mm；所述激光頭15采用長(zhǎng)度為20mm、直徑為9mm、激光波長(zhǎng)為650nm、出光功率為5mW、工作電壓為DC2.5-5V的可調(diào)焦距的激光頭；所述光電二極管16采用FDS100型硅光電二極管，其檢測(cè)波長(zhǎng)范圍為350-1100nm、感光區(qū)域?yàn)?.6mm*3.6mm；所述限流電阻21的阻值為1KΩ；所述負(fù)載電阻22的阻值為2.2KΩ；所述電容23的容量為0.1μF；所述單片機(jī)24采用STC12C5A60S2型單片機(jī)；所述鎖存器25采用7HC573型鎖存器；所述數(shù)碼管26采用4393AH型數(shù)碼管；所述RS232收發(fā)器27采用MAX232型RS232收發(fā)器；所述下級(jí)RS232/RS485轉(zhuǎn)換器28、上級(jí)RS232/RS485轉(zhuǎn)換器32均采用UT-2216型RS232/RS485轉(zhuǎn)換器；所述上位機(jī)33采用PC機(jī)。

一種高速公路團(tuán)霧檢測(cè)方法（該方法是基于本發(fā)明所述的一種高速公路團(tuán)霧檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的），該方法是采用如下步驟實(shí)現(xiàn)的：

a.在高速公路沿線每隔1200m安裝一個(gè)團(tuán)霧傳感器和一個(gè)單片機(jī)信號(hào)處理系統(tǒng)；在高速公路監(jiān)控中心安裝一個(gè)上位機(jī)通信系統(tǒng)；各個(gè)團(tuán)霧傳感器與各個(gè)單片機(jī)信號(hào)處理系統(tǒng)一一對(duì)應(yīng)連接；各個(gè)單片機(jī)信號(hào)處理系統(tǒng)均與上位機(jī)通信系統(tǒng)連接；

b.啟動(dòng)各個(gè)輸氣泵14；各個(gè)輸氣泵14持續(xù)抽吸高速公路沿線各處的團(tuán)霧，并通過(guò)各個(gè)前導(dǎo)氣管12將團(tuán)霧持續(xù)送入各個(gè)玻璃管11內(nèi)；各個(gè)玻璃管11內(nèi)的團(tuán)霧自前向后持續(xù)流動(dòng)，并通過(guò)各個(gè)后導(dǎo)氣管13持續(xù)排出；此時(shí)，啟動(dòng)各個(gè)激光頭15；各個(gè)激光頭15發(fā)出的激光穿透各個(gè)玻璃管11內(nèi)的團(tuán)霧后入射到各個(gè)光電二極管16，使得各個(gè)光電二極管16產(chǎn)生反向電流，由此使得各個(gè)光電二極管16的陽(yáng)極產(chǎn)生電壓；在此過(guò)程中，各個(gè)單片機(jī)24通過(guò)各個(gè)電位器29向各個(gè)激光頭15持續(xù)供電，通過(guò)各個(gè)電位器29可以調(diào)節(jié)各個(gè)激光頭15的工作電壓，由此調(diào)節(jié)各個(gè)激光頭15發(fā)出的激光光強(qiáng)；

c.各個(gè)單片機(jī)24實(shí)時(shí)檢測(cè)各個(gè)光電二極管16的陽(yáng)極電壓，并根據(jù)各個(gè)光電二極管16的陽(yáng)極電壓計(jì)算出各個(gè)光電二極管16的反向電流；然后，各個(gè)單片機(jī)24根據(jù)各個(gè)光電二極管16的反向電流計(jì)算出入射到各個(gè)光電二極管16的激光光強(qiáng)，并根據(jù)入射到各個(gè)光電二極管16的激光光強(qiáng)和各個(gè)激光頭15發(fā)出的激光光強(qiáng)計(jì)算出各個(gè)激光頭15發(fā)出的激光透射率；然后，各個(gè)單片機(jī)24根據(jù)各個(gè)激光頭15發(fā)出的激光透射率計(jì)算出各個(gè)玻璃管11內(nèi)的團(tuán)霧分子數(shù)密度，并根據(jù)各個(gè)玻璃管11內(nèi)的團(tuán)霧分子數(shù)密度計(jì)算出各個(gè)玻璃管11內(nèi)的團(tuán)霧濃度，由此檢測(cè)出高速公路沿線各處的團(tuán)霧濃度；

d.各個(gè)單片機(jī)24通過(guò)各個(gè)鎖存器25將高速公路沿線各處的團(tuán)霧濃度發(fā)送至各個(gè)數(shù)碼管26進(jìn)行就地顯示，以提醒過(guò)路司機(jī)注意；同時(shí)，各個(gè)單片機(jī)24依次通過(guò)各個(gè)RS232收發(fā)器27、各個(gè)下級(jí)RS232/RS485轉(zhuǎn)換器28、總線31、上級(jí)RS232/RS485轉(zhuǎn)換器32將高速公路沿線各處的團(tuán)霧濃度發(fā)送至上位機(jī)33進(jìn)行顯示，以供監(jiān)控人員觀察。