智能車流量檢測器研究

周業(yè)涵，陳亞輝

（蘇州科技大學(xué)天平學(xué)院，江蘇 蘇州 215009）

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。

本文提出用車流量智能檢測這項(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)的車流量檢測器。該檢測器結(jié)合了NB-IoT系統(tǒng)和用于檢測車流量的模塊，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)測算車輛所在車道、車速以及車型分類。地磁傳感器在配合雷達(dá)系統(tǒng)后，就能大大提高檢測準(zhǔn)確性，降低功耗。測得的信號(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。

圖1 系統(tǒng)總覽

2 NB-IoT技術(shù)的適用性

針對傳統(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，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法更換電池的問題。

（3）成本低。目前對于物聯(lián)網(wǎng)終端已有對應(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5萬個(gè)連接終端，適合海量接入的場景，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無線通信模塊。系統(tǒng)硬件總體設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 硬件總覽

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。相對于51單片機(jī)來說，其程序都是模塊化的，接口相對簡單，自身攜帶許多功能，外圍接口豐富，工作速度更快。對于本設(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)相對簡單，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之后對單片機(jī)和NB無線通信模塊進(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ǎ欢妷哼^低會(huì)導(dǎo)致電池過放，影響電池壽命；長時(shí)間低電壓甚至可能導(dǎo)致析銅，電芯失效。

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。

3.1.4 NB無線通信模塊

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。

圖3 系統(tǒng)的軟件框圖

圖4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程

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IC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，通過檢測模塊檢測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。

圖5 地磁傳感器讀數(shù)方式

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

為了緩解城市交通擁堵，本文在已有車流量檢測器的基礎(chǔ)上，通過結(jié)合NB-IoT無線傳感技術(shù)與地磁傳感器，對其進(jìn)行改進(jìn)。因?yàn)镹B-IoT技術(shù)的部署成本較低，運(yùn)營網(wǎng)絡(luò)是由電信經(jīng)營商運(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?/p>