智能车流量检测器研究

周业涵，陈亚辉

（苏州科技大学天平学院，江苏 苏州 215009）

0 引 言

随着社会经济的迅速发展，私家车成为更多人的代步工具。路上车辆的不断增加，导致城市交通越发堵塞，严重影响了人们的出行效率。在行车的过程中路况质量也更加受到人们的重视。因此，改善交通秩序和保持道路畅通变得尤为重要。

本文提出用车流量智能检测这项技术配以信息处理和存储的系统，能够全天候地工作且精确有效地测评出室外的车流量数据，从而便于人们采取有效的措施来缓解城市交通车辆拥堵的现状。系统测评出的数据也将为人们选择出行路线提供重要依据，进而提升人们的出行质量。

1 系统组成与原理

本文根据日常道路状况，设计出基于NB-IoT技术的车流量检测器。该检测器结合了NB-IoT系统和用于检测车流量的模块，能够准确监控各个车道的车流量、车流速度，并及时发现交通事故。

系统中的地磁传感器会在有车流经过的时候产生数据。雷达会测算车辆所在车道、车速以及车型分类。地磁传感器在配合雷达系统后，就能大大提高检测准确性，降低功耗。测得的信号在变换后会传入STM32处理器。STM32微处理器会将这些信号转换成有效的车流量数据，并由NBIoT发送端与中心节点相结合进行实时数据传输。最后，中心节点接收数据后，通过串口传输最后把实时可靠的数据呈现在PC端。PC端就可以动态实时监测各车道车流量、车辆速度，并且计算各时段各车道的占用率，推算是否出现交通事故，形成现代化智能交通系统。系统总览如图1所示。

图1 系统总览

2 NB-IoT技术的适用性

针对传统的两类物联网通信技术，例如ZigBee、蓝牙、WiFi等，虽然具有低功耗、低成本的特点，但是它们的传输距离都很短；再如3G、4G这种长距离通信技术往往需要部署多个中继节点，所以稳定性较差，且耗能巨大。而窄带物联网（NB-IoT）作为一种新兴的技术大受欢迎，并且它支持低功耗设备在广域网的蜂窝数据连接，所以也被叫做低功耗广域网（LPWAN）。

本文基于NB-IoT设计智能车流量检测器时主要考虑到其以下特点：

（1）NB-IoT物联网终端采用工业级NB-IoT模块，具有NB-IoT的所有特性。

（2）对比短距离的ZigBee及蓝牙通信技术，NB-IoT具有低功耗的特点，能够保证在正常运行功耗≤20 mA时，待机时间远远超过以往的物联网终端，在长期工作状态下也能保证续航时间达到十年，很好地解决了供电难或无法更换电池的问题。

（3）成本低。目前对于物联网终端已有对应的基于NBIoT的解决方案。

（4）通信的覆盖面广，比GPRS覆盖增强20 dB，提供全面的室内蜂窝数据连接覆盖，能够应用于各种较大的环境。

（5）海量连接。与现有无线技术相比，可以提升50～100倍的接入数。一个扇区可以支持5万个连接终端，适合海量接入的场景，完全能够满足未来全面推广相应技术时的需求。

3 硬件设计概述

硬件系统的设计主要包括主控模块、电源模块、自主传感器模块及NB无线通信模块。系统硬件总体设计如图2所示。

图2 硬件总览

3.1 系统硬件结构

3.1.1 主控模块

主控模块使用的是STM32F103系列的板。STM32系列基于ARM Cortex-M3内核，而ARM Cortex-M3内核是专门为有高性能、低成本、低功耗要求的嵌入式应用设计的。相对于51单片机来说，其程序都是模块化的，接口相对简单，自身携带许多功能，外围接口丰富，工作速度更快。对于本设计来说，STM32F103是十分适用的。

3.1.2 电源模块

电源模块结构相对简单，由锂电池、充放保护电路和DC-DC升压电路三部分组成。其中锂电池充满电之后电压在4.2 V左右，由DC-DC升压电路将其升至5 V之后对单片机和NB无线通信模块进行供电；充放电保护电路在充电和放电时对锂电池进行保护，防止电芯电压过高或过低。充电电压过高会导致电芯失效，严重时可能会负极析锂，正极晶体结构破坏分解，甚至会起火爆炸；而电压过低会导致电池过放，影响电池寿命；长时间低电压甚至可能导致析铜，电芯失效。

3.1.3 自主传感器模块

自主传感器模块采用的是HMC5883L地磁传感器。地磁传感器是一种新型的检测车辆信息的仪器，性能好且更加稳定。埋在道路下的线圈主要是用于感受车辆经过时产生的电磁导致的磁场变化，并将引起的电磁变化转变为清晰的电压信号，从而去识别车辆。

3.1.4 NB无线通信模块

通过NB-IoT模块指定的通信协议与云平台之间进行通信，数据一律储存在NB-IoT云平台的数据库中。

4 系统软件设计

4.1 软件流程设计

软件系统程序包括系统初始化、定时器模块、地磁模块读数、基准值和阈值更新、状态更新和多可能状态机、计数模块、定时器中断和上传云端显示，如图3所示。该系统的软件部分主要包括终端节点的软件设计、NB-IoT通信协议及应用软件设计。具体的软件设计流程如图4所示。

图3 系统的软件框图

图4 系统软件设计流程

4.2 终端节点软件设计

本文使用MCU来完成终端节点程序，地磁传感器与MCU之间通过IC通信，NB-IoT模块与MCU之间采用RS 232通信。MCU采用“睡眠—唤醒—睡眠”的循环工作模式，从而达到降低功耗的目的，时间间隔设置为1 s，唤醒后进行系统自检，与此同时检测地磁传感器收集到的数据是否发生变化。若发生变化，则通过NB-IoT把数据发送到PC机上，并且每间隔1 min将更新的数据显示在屏幕上；否则，会继续睡眠状态，等待下一次的唤醒到来。

系统主要通过地磁模块对实验数据进行采集，并利用滤波模块将不需要的信号过滤掉，通过检测模块检测所获得的值是否大于设定好的阈值，最后由更新模块更新数据，如图5所示。

图5 地磁传感器读数方式

4.3 NB-IoT通信协议

本设计通过COPA协议去完成NB-IoT模块与云平台之间的通信。在此过程中，COPA协议由NB-IoT模块自动发送，在第一次发送数据时会带有NB-IoT模块的IMEI号上报并注册到平台。

4.4 应用软件设计

NB-IoT云平台设置了开放的API，可以根据需求设计很多不同功能的应用软件，例如车流量统计、车辆限速等等，进而满足使用者的多方面需求。

5 结 语

为了缓解城市交通拥堵，本文在已有车流量检测器的基础上，通过结合NB-IoT无线传感技术与地磁传感器，对其进行改进。因为NB-IoT技术的部署成本较低，运营网络是由电信经营商运行，不需要额外部署网关和集中器；并且它能够实时将车流量数据传输至云端，有着较大的应用前景，能够为交通智能化提供便利。