一種基于NB-IoT的公路霧燈自動指示系統

文/劉源　陳龍宇　周家緒　張歡

1　引言

當前，我國高速公路的發展十分迅猛，逐步由發達地區向不發達地區鋪進。與此同時，由于高速公路上行駛車輛速度快、車流量大等特點，當突發惡劣天氣時很容易發生撞上防護欄或連環追尾等嚴重的交通事故，后果不堪設想。目前，在高速公路上常見的警示方式為電子顯示牌顯示警示信息，警示牌或者警示柱等帶有反光作用的警示物為車輛提供道路路線信息。特別是在一些山區路段出現大霧天氣時，常常因為車輛在轉彎路段看不清道路而發生交通事故，主要原因就是能見度低以及行駛路線信息不足。

在事故頻發路段、惡劣天氣頻發路段主要使用安裝照明燈的方式，但燈具的開關通常由值班室或變電室根據實時的天氣、路況進行管控，或者由光控模塊來進行自動控制。當照明燈數量較多時，人工管控的成本較高且容易發生錯漏。而當前的光控模塊控制方式面臨著待機功耗高、控制信號覆蓋度低等問題，間接提高了使用成本。在NB-IoT技術逐漸成熟的今日，研究一種能夠保持低功耗、低時延，具有準確而快速地應對突發惡劣環境的能力的公路霧燈指示系統具有重要的實際應用意義。

2　NB-IoT技術簡介與特點

NB-IoT是新一代的低功耗物聯網技術標準，在當前主流運營商的蜂窩網絡（GSM、LTE等）上建立，可以實現平滑升級和快速部署。NB-IoT建立在電信營業商的授權頻段上，具有網絡連接可靠性高，連接安全性高，可維護性好，服務質量好等特點。使用的180KHz帶寬，相較與傳統的低速率蜂窩網絡（GPRS）覆蓋能力提升了20dB，每個基站可以承載4-5萬個連接，且覆蓋廣度可達10-12千米甚至更遠，具有低功耗、大連接、高覆蓋的特性。

3　NB-IoT霧燈系統架構

基于NB-IoT的霧燈系統架構主要由若干霧燈子系統（一個NB-IoT霧燈系統下至少包括一個霧燈子系統）、物聯網云平臺、客戶端軟件組成。一個霧燈子系統下包括一個檢測子系統和若干指示子系統（一個霧燈子系統下至少包括一個檢測子系統和一個指示子系統）。可以在公路兩側每隔固定距離（一般為50-100m）安裝一個指示子系統，每1-3千米安裝一個檢測子系統，使得一個檢測子系統可以控制該路段下所有的指示子系統。

整個霧燈系統工作流程如圖1所示，由檢測子系統每隔固定時間間隔采集能見度信息，通過NB-IoT通訊模塊與其對應的基站將數據上傳至物聯網云平臺，物聯網云平臺將接收到的數據存儲、處理后，會將數據顯示在客戶端軟件上，與此同時會將控制信息發送給檢測子系統，檢測子系統會進一步控制指示子系統并點亮霧燈。客戶端軟件上可以顯示所有接入云平臺的霧燈子系統的狀態、各個路段的能見度信息，并且可以控制每個霧燈子系統的開關并制定檢測策略等。

4　NB-IoT霧燈系統的實現

4.1　檢測子系統的實現

檢測子系統包括NB-IoT通訊模塊、微處理器、LoRa模塊和檢測傳感器。選型上，NB-IoT通訊模塊選擇M5310模組，該模組支持eSIM技術，且尺寸小可節約布板面積，適用于物聯網設備；微處理器選擇STM32F407VET6芯片；LoRa模塊選擇SX1278；檢測傳感器選擇VS2k-UMB能見度傳感器，該傳感器采用前散射光技術，具有測量范圍大、測量精度高的特點，其接收經過大氣散射后的紅外光，經過光敏二極管后轉換為電信號，再經過AD轉換和一定的算法處理后按照數據傳輸協議通過RS485接口輸出測量結果。

工作時，微處理器定時從RS485接口讀取能見度傳感器的采集數據并解析數據，由NB-IoT通訊模塊通過CoAP協議向物聯網云平臺上報信息，信息中包含該檢測子系統特有的唯一編號，能見度信息，所屬于該檢測子系統下的所有指示子系統的開關狀態等信息。其中采用的基于NB-IOT的CoAP協議是基于輕量級的UDP協議設計的，其數據協議包頭為4個字節，傳輸量小、功耗低的特性非常適合本檢測子系統。

當接收到客戶端通過云平臺下發的指令，或檢測到能見度持續低于閾值后，檢測子系統會通過LoRa網絡喚醒該檢測子系統下的所有指示子系統，點亮霧燈為過往車輛提供指引。

4.2　指示子系統的實現

指示子系統包括微處理器、LoRa模塊、GPS模塊和雙面霧燈。選型上，微處理器選擇STM32L053R8T6芯片，其低功耗模式下不同的狀態對應的電流消耗只有4-13μA；LoRa模塊選擇SX1278模塊；GPS模塊采用BS-125；雙面霧燈采用黃光鹵素燈，在單個霧燈中安裝有兩個鹵素燈，保證在低能見度下、不同方向上依然具備高穿透力。

一般，指示子系統處于低功耗運行狀態，通過LoRa網絡等待該指示子系統所在路段的檢測子系統的喚醒信號。在接收到喚醒信號后，微處理器會根據收到的信號執行相應任務，例如進行自檢并上報設備信息、點亮霧燈、進入休眠等任務。雙面霧燈的設計可以使得一個指示子系統可以對兩個不同的車輛行駛方向進行車輛指引、誘導，進一步降低部署成本。當接到點亮霧燈的信息后，微處理器會先初始化GPS模塊，獲取到世界時并與接收到的信息中包含的時間進行校對，再點亮霧燈，這樣該LoRa網絡下的所有指示子系統的霧燈都能以同樣的頻率進行同亮同滅。

圖1：NB-IoT霧燈系統工作流程圖

4.3　物聯網云平臺和客戶端軟件的選擇與實現

為了在大量的設備連接下保持良好的響應性能、數據上傳下發速度，選擇NB-IoT基站所屬的通信運營商承辦的物聯網云平臺。檢測子系統與該平臺的連接采用基于NB-IoT的CoAP協議，可以進行設備注冊、數據上報、接收命令等操作。

在客戶端軟件（C/S架構）上，使用C#和WPF完成具有地圖顯示、圖表顯示、命令下發等功能的客戶端軟件的實現，其中需要調用第三方地圖平臺的API、物聯網云平臺的消息協議API。為了加快軟件打開時渲染地圖數據的速度，選擇PostgreSQL作為存儲地圖渲染數據的數據庫，PostgreSQL相較于其他關系型數據庫最大的優點在于有GIS（地理信息系統）擴展。

5　NB-IoT霧燈系統的測試

當基于NB-IoT的公路霧燈系統的檢測子系統、指示子系統和客戶端軟件完成相應的實現，且物聯網云平臺的準備工作完成后，可在實地進行安裝測試。

在60米的路段上，安裝有一個檢測子系統、兩個指示子系統并開啟所有模塊，由于是第一次工作，所以檢測子系統在初始化設備、注冊NB-IoT運營商MNC后，會通過LoRa網絡收集兩個指示子系統的設備信息和GPS信息，并通過NB-IoT通訊模塊和相應的NBIoT基站向物聯網云平臺發送設備注冊信息，注冊信息中除了兩個指示子系統的信息外還包括檢測子系統本身的設備信息（包括但不限于imsi、imei）。

當物聯網云平臺接收到注冊信息后會在后端完成相應操作并向檢測子系統返回注冊成功信息，注冊成功信息中包括了云平臺分配給子系統的唯一編號。之后檢測子系統會進入循環采集能見度信息的流程，指示子系統則進入低功耗模式等待檢測子系統的喚醒信號。

檢測子系統每隔一定時間間隔向物聯網云平臺上報信息，云平臺收到信息后會存儲該信息中的重要部分并通過socket將重要信息轉發給客戶端軟件，客戶端軟件上顯示出指示子系統所在的位置（結合地圖顯示經緯度）、開關狀態、實時的能見度信息、歷史能見度信息及其折線圖。通過客戶端軟件向檢測子系統下發打開霧燈的命令，命令通過物聯網云平臺轉發并送達檢測子系統后，檢測子系統通過LoRa網絡喚醒指示子系統，指示子系統喚醒后通過GPS模塊獲取世界時，與軟件下發命令時帶的時間戳進行比較，當時間差為3秒的整數倍時開啟霧燈，霧燈會做以3秒為周期的亮滅，而兩個指示子系統中的兩個霧燈就會同時亮同時滅。

除了進行客戶端下發指令的測試外，還采用降低能見度傳感器的周圍環境能見度的方式進行測試。當環境能見度發生改變后，檢測子系統對傳感器數據經過一系列處理、判斷滿足點亮條件后，將自動喚醒指示子系統。測試統計，當環境能見度開始降低到200m以下時，在3分鐘內檢測子系統均可作出響應，且其在47次實驗中都能100%喚醒指示子系統。當能見度恢復正常狀態后，檢測子系統會使指示子系統重新進入低功耗模式等待下次喚醒，與此同時在客戶端軟件上會顯示指示子系統的亮滅狀態、時間等信息。

6　結論和展望

本文所提出的基于NB-IoT的公路霧燈自動指示系統具有檢測準確、警示效果強、管理方便等特點。系統架構設計、選型合理，經過測試，系統的響應迅速、性能穩定，具有較高的應用前景。