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建構一颱風災情收集及應用的區域性路況即時查詢系統─淹不到我
─第九屆盛群盃HOLTEK MCU創意大賽─

【作者: 王壘教授】   2015年06月10日 星期三

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本文將介紹一套可以即時量測水深與風速等天氣資訊的區域性感測網路系統。該系統之原始設計起因於一般人的旅遊經驗。若當出遊時不巧正逢豪大雨過境,天上下著傾盆大雨,在經過某一鄉鎮時因為前面道路淹水,所以導致在公路上等待了許久而動彈不得,旅遊興致亦因此而一掃而空。因此本團隊就想若是有產品能及時得到前方道路積水深度的資訊,就能即時改變交通方向,引導用路人避開淹水路段並確保安全。因此本系統之創作目的為將台灣易淹水的區段,在豪雨或颱風天若路段淹水,能過即時回傳淹水高度,本作品具有測量水深、風速、以及無線網路的功能,能將各據點所量測的資料回傳,進而建立防災網路。


如圖1所示,系統的感測結點,即綠色圓點,能設立於鄉鎮間的道路旁收集當地的路況資訊,經由Zigbee模組所建立的無線網路將收集到的資料傳回主機,即圖中褐色房子的位置。主機收到資料後經過處理後會將資料送至雲端資料庫儲存。因為所收集的資訊包含了當地的衛星定位位置,因此使用者可以透過手機查看風災時的路況資訊。



圖1 : 「淹不到我」架設示意圖
圖1 : 「淹不到我」架設示意圖

在設計上本團隊將作品設計成可以直接依靠電線杆或路燈架設,並依照必要偵測點做密集的架設,如此將大幅確保資料的完整度,能準確判別道路當前的路況。並且因為為可拆式的,所以可在不需使用時拆下進行維修保養,更為重要的是每次淹水區域不盡相同,因此可拆式的設計,可將資源準確提供給需要使用的地區,避免資源浪費。


圖2所示為主機及從機的關係圖,主機及從機分工明確,主機僅負責接收與處理從機傳來的資料,而從機是負責收集設立點的路況資訊。從機收集到資料後會將資料透過Zigbee模組回傳到主機,主機再把資料傳到電腦做處理。



圖2 :  主機、從機關係圖
圖2 : 主機、從機關係圖
圖3 :  部分從機結構
圖3 : 部分從機結構

圖3是從機的主要架構,其中包含了開發版、風速儀、GPS模組、Zigbee模組及下方用來量測水深的結構。


風速儀的機體是用3D列印技術印製再加裝光遮斷器及用來判斷遮斷的紙片。程式會計算一定時間內風速儀所轉的圈數再將其轉換成對應的風速級數輸出。當風速儀在轉動時安裝在上的紙片會掃過光遮斷器,這時計算圈數的計數器數值就會增加,到一定時間時就會讀取計數器的值。


水深量測裝置則是在水管的頂部加裝紅外線測距模組,紅外線測距模組可以量測水管中浮標距離水管頂部的長度。當道路上淹水的水位上升時,水管內部的水位與浮標亦會隨之升高,紅外線測距模組所量測到的距離會減少,在輸出時用水管的全長減去紅外線測距模組所量測到的距離即是水淹上來的高度。


而為了知道每個從機的位置,每個從機上都裝有GPS模組,GPS模組可以透過衛星定位來確定從機的位置。


每個從機量測到設立的點路況資訊後會透過無線感測網路將資料傳回主機,而感測網路的建立則是透過Zigbee模組來實現,Zigbee模組可以快速的建立網路,而且在距離上可以透過Zigbee模組間的傳遞將範圍涵蓋整個鄉鎮。


團隊撰寫了手機的應用程式,應用程式結合了GOOGLEMAP,因此配合從機量測到的GPS位置,就可以直接在地圖上顯示出觀測點的經緯度、風速及積水深度。圖4為用手機查看路況資訊時的實際狀況。



圖4 :  手機APP顯示圖
圖4 : 手機APP顯示圖

在開發過程中,本研發團隊並不是一個部份完成了再做下一個的循序設計,而是依照功能把整個系統拆成了好幾個部分,每個人負責一部份,同步進行,最後再做整合。如此分工每個部份同時進行,可以減少開發的時間,同時每個團員可以較熟悉自己所負責的部分。最後做整合時大家也會討論哪裡可以再做修改,再把每個部分更加完善。


透過成品的參賽,本組團隊從最開始的選題目、討論、設計、分工、獨自製作、整合、調整、展出中學到很多東西,不論是團員間的合作、討論、溝通、配合;或是個人的程式撰寫能力、問題處理能力等都有很大的進步。


本設計成品難度不是很高,但卻正符合了運用嵌入式系統的多功能設計及即時連線處理特性,達成整合量測風速、積水深度的感測功能,結合衛星定位及感測網路多跳叢集控制,以及後端伺服器整合資訊及手機APP設計,因而整個系統功能完整,實品成果具實用價值且可立即安裝使用於台灣鄉鎮或都會行政區域做天災預測路況查詢使用。


(本文作者王壘為逢甲大學電機工程學系教授,朱秉宏、林奕辰、黃鈺雯、廖一洋為逢甲大學電機工程學系研究生)


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