摘要：設(shè)計(jì)一款基于Arduino的車載測雪系統(tǒng)，旨在實(shí)現(xiàn)對冬季冰雪路面數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集和監(jiān)測。采用ArduinoUnoR3作為控制器，通過超聲波傳感器和溫濕度傳感器采集積雪深度數(shù)據(jù)和溫濕度數(shù)據(jù)，并由液晶1602實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)，為駕駛員冰雪天氣安全行駛提供參考依據(jù)。通過軟件仿真采集積雪深度數(shù)據(jù)和溫濕度數(shù)據(jù)，計(jì)算測量數(shù)據(jù)的誤差，分析測量的準(zhǔn)確性，從而驗(yàn)證該測雪系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可行性。

關(guān)鍵詞：車載測雪系統(tǒng)Arduino控制器傳感器

中圖分類號：U463.6

DesignofanArduino-BasedVehicleSnowMeasurementDataSystem

ZHANGMan1LIWei2WANGWenshuai1FENGZhu1WANGZhiqiang1CUIHaibin1WANGJiangbei1

1.HarbinPetroleumUniversity，HarbinCity，HeilongjiangProvince，150028China;2.ComprehensiveInformationSecurityCenteroftheStaffDepartmentoftheArmedPoliceHeilongjiangCorps，HarbinCity，HeilongjiangProvince，150028China

Abstract：Inthisstudy，anArduino-basedvehiclesnowmeasurementsystemisdesigned，aimingtoachievereal-time?WgmjSxmtuHF1EGh4gTzYSB1Fy3nOuqN5yNVed4rRoy8=;datacollectionandmonitoringofwintericeandsnowroadconditions.ThesystemusesArduinoUnoR3asthecontroller，collectsdataofsnowdepth，temperatureandhumiditythroughultrasonicsensorsandtemperatureandhumiditysensors.Italsodisplaysthedatainreal-timeona1602LCDscreen，providingreferenceforsafedrivinginsnowyweatherforthedriver.Itcollectssnowdepthdataandtemperatureandhumiditydatathroughsoftwaresimulation，calculatesmeasurementdataerrors，analyzestheaccuracyofthemeasurements，andthusverifiesthefeasibilityofthesnowmeasurementsystemdesign.

KeyWords：Vehicle;Snowmeasurementsystem;Arduinocontroller;Sensor

我國東北地區(qū)大地冰雪覆蓋的時(shí)間較長，下雪結(jié)冰具有不確定性，給路面交通帶來安全隱患。突如其來的下雪和結(jié)冰給車輛行進(jìn)帶來困擾。本文設(shè)計(jì)一種用于冬季冰雪頻繁地區(qū)路面檢測的系統(tǒng)，能根據(jù)測得的溫濕度數(shù)據(jù)確定行駛路面四周是否結(jié)冰，根據(jù)超聲波測距原理測得雪地厚度，為車輛平穩(wěn)行駛，確定雪地行駛路線提供參考依據(jù)，為有清雪能力的車輛提供數(shù)據(jù)支持。氣象局采用積雪深度來衡量降雪強(qiáng)度，積雪深度是指積雪表面到下墊面的垂直深度[1]。

1總體設(shè)計(jì)

監(jiān)測系統(tǒng)必備電源，電源模塊負(fù)責(zé)提供系統(tǒng)需要的各種供電電壓[2]，本設(shè)計(jì)采用直流5V的電源模塊。如圖1所示，本文選用ArduinoUnoR3作為控制器，ArduinoUNOR3是一款基于ATmega328P的微控制器板[3]。選用數(shù)字溫濕度傳感器DHT22測量環(huán)境的溫度、濕度。DHT22適用于道路積雪監(jiān)測系統(tǒng)中對溫濕度數(shù)據(jù)的采集，選用超聲波傳感器HC-SR04測量積雪深度，監(jiān)測積雪情況。表1描述了各傳感器的工作參數(shù)，包括測量范圍、測量精度、工作電壓范圍、工作溫度范圍等。根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，傳感器是安裝在車底盤，工作在戶外，因此有環(huán)境溫度要求。

2系統(tǒng)工作原理

本設(shè)計(jì)分四步驟工作，分別為傳感器測量、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)顯示和輸出、系統(tǒng)控制。車載測雪系統(tǒng)采用超聲波傳感器測量車下方積雪深度，溫濕度傳感器測量當(dāng)前溫濕度。Arduino采集傳感器數(shù)據(jù)，根據(jù)預(yù)定的算法和邏輯處理數(shù)據(jù)。Arduino會(huì)將距離數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為實(shí)際的雪深度數(shù)值，并根據(jù)采集的溫濕度情況。通過LCD顯示屏呈現(xiàn)給駕駛員。硬件的具體連接如圖2所示。

3超聲波傳感器測量原理

超聲波探頭發(fā)射一組超聲波脈沖，并由處理器記下初始發(fā)射時(shí)間[4]，通過計(jì)算收到回波所需時(shí)間，來計(jì)算距離的。由于傳感器安裝高度固定，通過連續(xù)測量即可實(shí)現(xiàn)對雪深的

監(jiān)測[5]。假設(shè)超聲波在空氣中的速度在恒定不變的前提下，得到數(shù)學(xué)表達(dá)式：

式（1）中：s為距離；v為超聲波速度（空氣中數(shù)值為343m/s）；Δt為從發(fā)送到收到回波的時(shí)間差。

4軟件平臺及硬件支持

本設(shè)計(jì)采用Arduino2.2作為編程平臺，Proteus8.15作為硬件繪制和仿真平臺。

4.1系統(tǒng)程序

#include<LiquidCrystal_I2C.h>

#include<microDS18B20.h>

MicroDS18B20<12>sensor;

LiquidCrystal_I2Clcd（0x27，16，2）;

#defineHC_TRIG3

#defineHC_ECHO2

uint32_tmyTimer1;

#defineALPHA0.2

floatfilteredDistance=0;

inttemper;

voidsetup（）{

Serial.begin（9600）;

lcd.init（）;

_{BJiyq3S/lJhUdHoAHfkmvg==}lcd.backlight（）;

pinMode（HC_TRIG，OUTPUT）;

pinMode（HC_ECHO，INPUT）;

temper=sensor.getTemp（）;

}

voidloop（）{

floatdist=getDist（temper）;

floatfilteredDistance=getFilteredDistance（dist）;

Serial.print（dist）;

Serial.print（""）;

Serial.print（filternWfpJTvClGRRLRYQgCtc+Q==edDistance）;//выводим

Serial.print（""）;

Serial.println（temper）;

delay（50）;

if（millis（）-myTimer1>=1000）

{

myTimer1=millis（）;

lcd.setCursor（0，0）;

lcd.print（""）;

lcd.setCursor（0，0）;

lcd.print（filteredDistance）;

}

}

floatgetDist（intt）{

digitalWrite（HC_TRIG，HIGH）;

delayMicroseconds（10）;

digitalWrite（HC_TRIG，LOW）;

uint32_tus=pulseIn（HC_ECHO，HIGH）;

return（us*（t*6/10+330）/2000ul/10）;

}

floatgetFilteredDistance（floatnewDistance）{

filteredDistance=（ALPHA*newDistance）+（（1-ALPHA）*filteredDistance）;

returnfilteredDistance;

}

{

"version"：1，

"author"："ValeraGribov"，

"editor"："wokwi"，

"parts"：[

{"type"："wokwi-Arduino-uno"，"id"："uno"，"top"：0.6，"left"：-115.8，"attrs"：{}}，

{"type"："wokwi-lcd1602"，"id"："lcd1"，"top"：16，&nbsp;"left"：236，"attrs"：{"pins"："i2c"}}，

{

"type"："wokwi-hc-sr04"，

"id"："ultrasonic1"，

"top"：-228.9，

"left"：197.5，

"attrs"：{"distance"："18"}

}，

{"type"："board-ds18b20"，"id"："temp1"，"top"：-279.53，"left"：4.08，"attrs"：{}}，

{

"type"："wokwi-resistor"，

"id"："r1"，

"top"：-177.6，

"left"：37.85，

"rotate"：90，

"attrs"：{"value"："5000"}

}

]

"connections"：[

["lcd1：VCC"，"uno：5V"，"red"，["h-28.8"，"v163.3"，"h-172.8"]]，

["lcd1：GND"，"uno：GND.2"，"black"，["h-19.2"，"v182.4"，"h-163.2"]]，

["lcd1：SDA"，"uno：A4"，"green"，["h-48"，"v201.8"，"h-67.2"，"v-9.6"]]，

["lcd1：SCL"，"uno：A5"，"green"，["h-19.2"，"v182.7"，"h-76.8"]]，

["ultrasonic1：VCC"，"uno：5V"，"red"，["v48"，"h-403.2"，"v374.4"，"h182.4"，"v-9.6"]]，

["ultrasonic1：GND"，"uno：GND.1"，"black"，["v19.2"，"h-298.8"，"v28.8"]]，

["ultrasonic1：TRIG"，"uno：3"，"green"，["v67.2"，"h-0.4"]]，

["ultrasonic1：ECHO"，"uno：2"，"green"，["v86.4"，"h-0.8"]]，

["temp1：GND"，"uno：GND.1"，"black"，["v0"]]，

["temp1：VCC"，"uno：5V"，"red"，["v9.6"，"h38.4"，"v-86.4"，"h-220.8"，"v576"，"h211.2"]]，

["temp1：DQ"，"uno：12"，"green"，["v0"]]，

["temp1：DQ"，"r1：2"，"green"，["v0"]]，

["r1：1"，"temp1：VCC"，"red"，["h0"，"v0"，"h-38.4"，"v-28.8"]]

]，

"dependencies"：{}

}

4.2積雪深度和溫濕度數(shù)據(jù)仿真測量結(jié)果

以2023年11月6日哈爾濱地區(qū)暴雪天氣數(shù)據(jù)為例，戶外溫度-9℃，相對濕度85%，積雪深度25cm。用前述數(shù)據(jù)作為本研究的輸入數(shù)據(jù)，如圖3、圖4所示，當(dāng)戶外積雪深度輸入數(shù)據(jù)為25cm時(shí)，超聲波傳感器測得積雪深度數(shù)據(jù)為24cm，誤差為1cm。當(dāng)戶外溫濕度輸入數(shù)據(jù)分別為-9℃、85%時(shí)，溫濕度傳感器測得溫度數(shù)據(jù)為-9℃，濕度數(shù)據(jù)為85%。仿真測量基本準(zhǔn)確。

5結(jié)語

本設(shè)計(jì)為車輛駕駛員提供行車路上積雪深度和戶外環(huán)境溫濕度，為冰雪路面行車提供參考依據(jù)。

本研究實(shí)現(xiàn)了車載測雪系統(tǒng)功能，為冬季行車提供積雪數(shù)據(jù)信息。通過溫濕度傳感器判斷行駛路面是否結(jié)冰。選用超聲波傳感器回波反射測量車下雪地深度數(shù)據(jù)。

本文設(shè)計(jì)的是一種應(yīng)用于冬季冰雪道路的測雪系統(tǒng)，通過電腦軟件仿真驗(yàn)證測雪系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可行性，從獲得的數(shù)據(jù)來看，超聲波測深度存在一定誤差，相對誤差為0.4%，為可以接受范圍。溫濕度傳感器測量仿真測量結(jié)果基本正確。

本文軟件仿真驗(yàn)證結(jié)果有一定的局限性，天氣轉(zhuǎn)暖積雪消融，超聲波傳感器無法到真實(shí)環(huán)境測量驗(yàn)證，獲取真實(shí)數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)在車輛底盤的準(zhǔn)確位置還有待進(jìn)一步校正。

參考文獻(xiàn)

[1]劉威.鐵路沿線激光雪深計(jì)研究與設(shè)計(jì)[D].南京：南京信息工程大學(xué)，2021.

[2]胡敏.基于邊緣AI的雪面識別技術(shù)研究與應(yīng)用[D].南京：南京信息工程大學(xué)，2021.

[3]黃業(yè)源，李守曉.基于Arduino與Blinker云平臺的溫室大棚環(huán)境監(jiān)控及自動(dòng)灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2024，14（1）：26-28，33.

[4]孟慶偉，張磊，蒲莉莉.超聲波自動(dòng)化積雪深度測量與分析[J].測繪與空間地理信息，2021，44（9）：102-105，109.

[5]周鵬，楊帥，楊斌，等.人工觀測與超聲波傳感器測量雪深的差異及其影響因素[J].貴州農(nóng)業(yè)科學(xué)，2020，48（6）：139-142.