發(fā)布時(shí)間：2022-02-16所屬分類：計(jì)算機(jī)職稱論文瀏覽：1次
摘 要： 摘 要 ：隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，私家車開始廣泛使用，城市交通擁堵已經(jīng)成為一個(gè)日益嚴(yán)重的問題。目前，常規(guī)意義上的限車令、限速令等并不能從根本上解決城市交通堵塞問題。鑒于 NB-IoT 具有低功耗、廣覆蓋、大連接的特點(diǎn)，通過 NB-IoT 無(wú)線技術(shù)設(shè)計(jì)車流量檢測(cè)系統(tǒng)，可以
摘 要 ：隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，私家車開始廣泛使用，城市交通擁堵已經(jīng)成為一個(gè)日益嚴(yán)重的問題。目前，常規(guī)意義上的限車令、限速令等并不能從根本上解決城市交通堵塞問題。鑒于 NB-IoT 具有低功耗、廣覆蓋、大連接的特點(diǎn)，通過 NB-IoT 無(wú)線技術(shù)設(shè)計(jì)車流量檢測(cè)系統(tǒng)，可以達(dá)到全天候?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)道路車流量的效果。因此，本文設(shè)計(jì)了以 STM32 微處理器為控制核心的車流量檢測(cè)系統(tǒng)，通過地磁傳感器對(duì)道路車輛信息進(jìn)行全面感知，并使用 NB-IoT 將信息無(wú)線傳輸?shù)轿锫?lián)網(wǎng)服務(wù)器平臺(tái)，從而對(duì)道路車流量數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測(cè)與分析，并且在達(dá)到一定峰值時(shí)會(huì)有報(bào)警鈴聲。由此得出的結(jié)果便于人們掌握各路段車輛通行規(guī)律，預(yù)測(cè)車流高峰和堵車高峰，為出行的人們提供決策依據(jù)。交通管理人員還可以根據(jù)長(zhǎng)時(shí)間的道路觀察，設(shè)計(jì)交通燈信號(hào)長(zhǎng)短來解決堵車問題。
關(guān)鍵詞 ：車流量 ;物聯(lián)網(wǎng) ;NB-IoT 無(wú)線技術(shù) ;自動(dòng)檢測(cè) ;STM32 ;地磁傳感器
0 引 言
隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，私家車成為更多人的代步工具。路上車輛的不斷增加，導(dǎo)致城市交通越發(fā)堵塞，嚴(yán)重影響了人們的出行效率。在行車的過程中路況質(zhì)量也更加受到人們的重視。因此，改善交通秩序和保持道路暢通變得尤為重要 [1-3]。
本文提出用車流量智能檢測(cè) [4] 這項(xiàng)技術(shù)配以信息處理和存儲(chǔ)的系統(tǒng)，能夠全天候地工作且精確有效地測(cè)評(píng)出室外的車流量數(shù)據(jù)，從而便于人們采取有效的措施來緩解城市交通車輛擁堵的現(xiàn)狀。系統(tǒng)測(cè)評(píng)出的數(shù)據(jù)也將為人們選擇出行路線提供重要依據(jù)，進(jìn)而提升人們的出行質(zhì)量。
1 系統(tǒng)組成與原理
本文根據(jù)日常道路狀況，設(shè)計(jì)出基于 NB-IoT 技術(shù)的車流量檢測(cè)器。該檢測(cè)器結(jié)合了 NB-IoT 系統(tǒng)和用于檢測(cè)車流量的模塊，能夠準(zhǔn)確監(jiān)控各個(gè)車道的車流量、車流速度，并及時(shí)發(fā)現(xiàn)交通事故。
系統(tǒng)中的地磁傳感器會(huì)在有車流經(jīng)過的時(shí)候產(chǎn)生數(shù)據(jù)。雷達(dá)會(huì)測(cè)算車輛所在車道、車速以及車型分類 [5-7]。地磁傳感器在配合雷達(dá)系統(tǒng)后，就能大大提高檢測(cè)準(zhǔn)確性，降低功耗。測(cè)得的信號(hào)在變換后會(huì)傳入 STM32 處理器。STM32 微處理器會(huì)將這些信號(hào)轉(zhuǎn)換成有效的車流量數(shù)據(jù)，并由 NBIoT 發(fā)送端與中心節(jié)點(diǎn)相結(jié)合進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸。最后，中心節(jié)點(diǎn)接收數(shù)據(jù)后，通過串口傳輸最后把實(shí)時(shí)可靠的數(shù)據(jù)呈現(xiàn)在 PC 端。PC 端就可以動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各車道車流量、車輛速度，并且計(jì)算各時(shí)段各車道的占用率，推算是否出現(xiàn)交通事故，形成現(xiàn)代化智能交通系統(tǒng)。系統(tǒng)總覽如圖 1 所示。
2 NB-IoT 技術(shù)的適用性
針對(duì)傳統(tǒng)的兩類物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)，例如 ZigBee、藍(lán)牙、 WiFi 等，雖然具有低功耗、低成本的特點(diǎn)，但是它們的傳輸距離都很短 ;再如 3G、4G 這種長(zhǎng)距離通信技術(shù)往往需要部署多個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)，所以穩(wěn)定性較差，且耗能巨大。而窄帶物聯(lián)網(wǎng)(NB-IoT)作為一種新興的技術(shù)大受歡迎，并且它支持低功耗設(shè)備在廣域網(wǎng)的蜂窩數(shù)據(jù)連接 [8]，所以也被叫做低功耗廣域網(wǎng)(LPWAN)。
本文基于 NB-IoT 設(shè)計(jì)智能車流量檢測(cè)器時(shí)主要考慮到其以下特點(diǎn) ：
(1)NB-IoT 物聯(lián)網(wǎng)終端采用工業(yè)級(jí) NB-IoT 模塊，具有 NB-IoT 的所有特性。
(2)對(duì)比短距離的 ZigBee 及藍(lán)牙通信技術(shù)，NB-IoT 具有低功耗的特點(diǎn)，能夠保證在正常運(yùn)行功耗 ≤20 mA 時(shí)，待機(jī)時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過以往的物聯(lián)網(wǎng)終端，在長(zhǎng)期工作狀態(tài)下也能保證續(xù)航時(shí)間達(dá)到十年，很好地解決了供電難或無(wú)法更換電池的問題。
(3)成本低。目前對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)終端已有對(duì)應(yīng)的基于 NBIoT 的解決方案。
(4)通信的覆蓋面廣，比 GPRS 覆蓋增強(qiáng) 20 dB，提供全面的室內(nèi)蜂窩數(shù)據(jù)連接覆蓋，能夠應(yīng)用于各種較大的環(huán)境。
(5) 海量連接。 與現(xiàn)有無(wú)線技術(shù)相比， 可以提升 50 ～ 100 倍的接入數(shù)。一個(gè)扇區(qū)可以支持 5 萬(wàn)個(gè)連接終端，適合海量接入的場(chǎng)景，完全能夠滿足未來全面推廣相應(yīng)技術(shù)時(shí)的需求。
3 硬件設(shè)計(jì)概述
硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要包括主控模塊、電源模塊、自主傳感器模塊及 NB 無(wú)線通信模塊。系統(tǒng)硬件總體設(shè)計(jì)如圖 2 所示。
3.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)
3.1.1 主控模塊
主控模塊使用的是 STM32F103 系列的板。STM32 系列基于 ARM Cortex-M3 內(nèi)核，而 ARM Cortex-M3 內(nèi)核是專門為有高性能、低成本、低功耗要求的嵌入式應(yīng)用設(shè)計(jì)的。相對(duì)于 51 單片機(jī)來說，其程序都是模塊化的，接口相對(duì)簡(jiǎn)單，自身攜帶許多功能，外圍接口豐富，工作速度更快。對(duì)于本設(shè)計(jì)來說，STM32F103 是十分適用的。
3.1.2 電源模塊
電源模塊結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，由鋰電池、充放保護(hù)電路和 DC-DC 升壓電路三部分組成。其中鋰電池充滿電之后電壓在 4.2 V 左右，由 DC-DC 升壓電路將其升至 5 V 之后對(duì)單片機(jī)和 NB 無(wú)線通信模塊進(jìn)行供電 ;充放電保護(hù)電路在充電和放電時(shí)對(duì)鋰電池進(jìn)行保護(hù)，防止電芯電壓過高或過低。充電電壓過高會(huì)導(dǎo)致電芯失效，嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)負(fù)極析鋰，正極晶體結(jié)構(gòu)破壞分解，甚至?xí)鸹鸨?;而電壓過低會(huì)導(dǎo)致電池 過放，影響電池壽命 ;長(zhǎng)時(shí)間低電壓甚至可能導(dǎo)致析銅，電芯失效 [9]。
3.1.3 自主傳感器模塊
自主傳感器模塊采用的是 HMC5883L 地磁傳感器。地磁傳感器是一種新型的檢測(cè)車輛信息的儀器，性能好且更加穩(wěn)定。埋在道路下的線圈主要是用于感受車輛經(jīng)過時(shí)產(chǎn)生的電磁導(dǎo)致的磁場(chǎng)變化，并將引起的電磁變化轉(zhuǎn)變?yōu)榍逦碾妷盒盘?hào)，從而去識(shí)別車輛 [10]。
3.1.4 NB 無(wú)線通信模塊
通過 NB-IoT 模塊指定的通信協(xié)議與云平臺(tái)之間進(jìn)行通信，數(shù)據(jù)一律儲(chǔ)存在 NB-IoT 云平臺(tái)的數(shù)據(jù)庫(kù)中。
4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
4.1 軟件流程設(shè)計(jì)
軟件系統(tǒng)程序包括系統(tǒng)初始化、定時(shí)器模塊、地磁模塊讀數(shù)、基準(zhǔn)值和閾值更新、狀態(tài)更新和多可能狀態(tài)機(jī)、計(jì)數(shù)模塊、定時(shí)器中斷和上傳云端顯示，如圖 3 所示。該系統(tǒng)的軟件部分主要包括終端節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)、NB-IoT 通信協(xié)議及應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)。具體的軟件設(shè)計(jì)流程如圖 4 所示。
4.2 終端節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)
本文使用 MCU 來完成終端節(jié)點(diǎn)程序，地磁傳感器與 MCU 之間通過 I 2 C 通 信，NB-IoT 模塊與 MCU 之間采用 RS 232 通信。MCU 采用“睡眠—喚醒—睡眠”的循環(huán)工作模式，從而達(dá)到降低功耗的目的，時(shí)間間隔設(shè)置為 1 s，喚醒后進(jìn)行系統(tǒng)自檢，與此同時(shí)檢測(cè)地磁傳感器收集到的數(shù)據(jù)是否發(fā)生變化。若發(fā)生變化，則通過 NB-IoT 把數(shù)據(jù)發(fā)送到 PC 機(jī)上，并且每間隔 1 min 將更新的數(shù)據(jù)顯示在屏幕上 ;否則，會(huì)繼續(xù)睡眠狀態(tài)，等待下一次的喚醒到來。
系統(tǒng)主要通過地磁模塊對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并利用濾波模塊將不需要的信號(hào)過濾掉，通過檢測(cè)模塊檢測(cè)所獲得的值是否大于設(shè)定好的閾值，最后由更新模塊更新數(shù)據(jù)，如圖 5 所示。
4.3 NB-IoT 通信協(xié)議
本設(shè)計(jì)通過 COPA 協(xié)議去完成 NB-IoT 模塊與云平臺(tái)之間的通信。在此過程中，COPA 協(xié)議由 NB-IoT 模塊自動(dòng)發(fā)送，在第一次發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)會(huì)帶有 NB-IoT 模塊的 IMEI 號(hào)上報(bào)并注冊(cè)到平臺(tái)。
4.4 應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)
NB-IoT 云平臺(tái)設(shè)置了開放的 API，可以根據(jù)需求設(shè)計(jì)很多不同功能的應(yīng)用軟件，例如車流量統(tǒng)計(jì)、車輛限速等等，進(jìn)而滿足使用者的多方面需求。
5 結(jié) 語(yǔ)
為了緩解城市交通擁堵，本文在已有車流量檢測(cè)器的基礎(chǔ)上，通過結(jié)合 NB-IoT 無(wú)線傳感技術(shù)與地磁傳感器，對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)。因?yàn)?NB-IoT 技術(shù)的部署成本較低，運(yùn)營(yíng)網(wǎng)絡(luò)是由電信經(jīng)營(yíng)商運(yùn)行，不需要額外部署網(wǎng)關(guān)和集中器 ;并且它能夠?qū)崟r(shí)將車流量數(shù)據(jù)傳輸至云端，有著較大的應(yīng)用前景，能夠?yàn)榻煌ㄖ悄芑峁┍憷?mdash;—論文作者：周業(yè)涵，陳亞輝
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