基于LoRa+5G 边缘网关的高速公路智能立柱路侧预警系统设计与实现

朱伶俐，石 岩

高速公路风险预警研究一直是高速公路建设养护的重要内容.高速公路全封闭、车速快等特点导致其上发生的事故大多伴随护栏碰撞的产生，因此高速公路路侧感知系统是智慧高速建设的关键.目前，针对高速公路的路侧感知设施有毫米波雷达、高清摄像头、微型气象站等［1-4］，但上述系统铺设成本较高，采集数据种类有限，难以满足高速公路全面感知要求［4-5］.基于此，在充分考虑高速公路护栏标志标牌的合规性和合理性的前提下，本文设计了一种基于高速公路护栏智能立柱预警系统，以最低成本和最小功耗实现高速公路全覆盖高融合的路侧感知系统，完善现有高速公路安全养护的智慧化建设.

1 系统总体设计

高速公路路侧预警系统能否提供全面、可靠、精准的路侧数据并实时反馈、及时预警是高速公路安全养护智慧化建设的关键点.本系统主要由智能立柱（传感网）节点、边缘网关、云应用平台组成［1，5-6］.智能立柱节点负责采集不同的传感数据、提供精准定位信息、实时远程报警和现场灯光预警等功能；立柱节点和5G 边缘网关之间选用LoRa 无线网络进行通信；5G 边缘网关负责将采集到的数据打包成MQTT 协议数据包，通过4G/5G 移动通信网络与云应用平台进行通信.系统整体架构如图1 所示.

图1 系统总体架构

2 智能立柱节点设计

系统硬件设计主要由智能立柱节点和5G边缘网关两部分构成.智能立柱节点安装在高速公路护栏上，采用LoRa 通信方式进行无线组网，实现事故信息实时报警、定位信息的采集和灯光预警功能.智能立柱节点由微控制器、感知数据采集模块、报警输出模块、定位与通信模块、电源模块构成，见图2.

图2 智能立柱节点硬件结构图

2.1 微控制器

立柱节点微控制器采用GD32F303CGT6，属于GD32 MCU 家族，是一款新推出市场的基于ARMCortex-M4 的32 位通用微控制器，在提高处理能力、降低功耗和性价比方面优于其他微处理器.该芯片工作温度范围为-40 ℃～+105 ℃，能够满足高速公路户外的工作温度要求.

2.2 感知数据采集模块

感知数据采集模块主要功能是获取高速公路事故信息，其中姿态感知电路使用角度倾斜传感器SW-460D 模块，碰撞感知电路使用QMA6100 三轴加速度传感器芯片，两者分别通过GPI 与SPI 口与MCU 进行通信，可初步采集事故严重性预估数据.

针对高速公路司乘人员可自救的事故，系统添加了人工“一键报警”手动报警按键，该按键直接通过GPI 口与MCU 通信，可快速、主动获取此类事故准确的时间和位置信息，效率高于普通的电话报警.

2.3 报警输出模块

报警输出模块采用灯光矩阵电路，三色可调，且通过LoRa 网关实现节点间相互联动.当事故节点报警时，LoRa 网关可实现快速定位并联动同一车道后方若干相邻节点进行灯光预警，根据节点离事故路段的距离不同输出不同颜色的灯光预警，后方车辆可根据路侧预警灯光的不同判定当前行驶车辆距离事故路段的远近，延长司乘人员进行事故避让的反应时间和距离，实现对事故路段后来车辆的延长预警.

2.4 定位与通信模块

定位与通信模块集成了北斗定位模块和LoRa 通信模块两部分. 北斗定位模块采用TAU1201 芯片［1］，与MCU 通过UART 通信，为系统平台提供事故精准位置信息.TAU1201 是一款高性能的双频GNSS 模块，支持新一代北斗三号信号体制的同时也支持GPS、BDS 等全球民用导航卫星系统，其内部集成高效的电源管理架构，具有高精度、高灵敏性和低功耗的特点.

LoRa 通信技术基于CSS 扩频调制技术，属于低功耗广域网（LPWAN）的一种，具有功耗低、传输距离远、容量大等特点.

（1）功耗低.LoRa 通信芯片功耗很低，在休眠状态下一节五号电池理论上可供电10年，本系统应用场景测试单节五号锂电池实际可满足一年半以上的工作电源提供.

（2）传输距离远.LoRa 技术能够在保持低功耗的同时最大程度地增加通信距离，传输距离在本系统应用场景中可达10 km.

（3）容量大.一个LoRa 网关在完全符合LoRaWAN 协议的情况下每天可实现1 500 万个数据包的吞吐量，单个芯片构成的网关能接入62 500 个终端节点.本系统采用市面上常见的E78-915LN22S 无线通信模块，其内部集成了ASR6601-LoRa 通信芯片，支持多种协议标准，采用TCXO 温补晶振，频率稳定度高，适用于户外温度变化大的工作场景.

2.5 电源模块

目前，市电供电尚未在高速公路实现全覆盖，同时考虑到本系统基于超低功耗通信传输模式工作，故节点电源模块采用太阳能+锂电池供电模式.锂电池充电管理部分采用TP4056 模块，结合SGM2036 电路实现7.2 V 锂电池转换成两路3.3 V 恒压电源为模块供电.

3 5G 边缘网关设计

5G 边缘网关负责接收智能立柱节点数据并实现与云应用平台的通信，由MCU 单元、通信单元和电源电路构成，见图3.

图3 5G 边缘网关架构

3.1 微处理器RK3588

本系统5G 边缘网关微处理器选用国产瑞芯微RK3588 芯片.该芯片是瑞芯微arm 架构的64 位芯片，由4 个Cortex-A76 和4 个Cortex-A55 及独立的NEON 协处理器集成，内置了多种功能强大的嵌入式硬件引擎，适用于ARM PC、边缘计算、个人移动互联网设备等多媒体产品.RK3588 提供了高性能的4 通道外部存储器接口和一套完整的外设接口，灵活支持各类应用，是一款高性能、低功耗的国产处理器芯片.

3.2 通信单元

边缘网关通信单元包括LoRa 通信模块和5G 通信模块.

边缘网关LoRa 通信模块采用ASR6601 芯片，与RK3588 微处理器通过UART 通信，负责与LoRa 节点保持连接并接收来自LoRa 节点的数据包，再通过程序处理将这些数据包转换成MQTT 协议数据包发送到物联网云平台.

5G 通信模块负责整个预警系统与物联网云平台的连接，本系统采用移远通信公司推出的5G 全网通通信模块RM500Q，与RK3588通过微处理器板载标准PCle 3.0 接口相连.该模块采用M.2 封装，是一款专为loT/eMBB 应用而设计的5G Sub-6 GHz 模块，支持5G NSA 和SA 组网模式，同时向下兼容4G-LTE，可实现42 Mbps 的最高下行速率和5.76 Mbps 的最高上行速率，完全满足系统数据传输速率要求.

3.3 电源电路

5G 边缘网关模块采用24 V 直流电统一供电，但微处理器RK3588 的工作电压要求是DC12～24 V 宽电压输入，而5G 通信模块和LoRa 模块支持的供电电压是3.1～4.4 V.为满足不同组件对电源电压的多元化需求，边缘网关部分增加多路电源电压转换电路和SGW6132 模块进行电压转换.

4 系统软件设计及平台测试

4.1 LoRa 组网设计

本系统LoRa 节点沿高速公路方向进行线性布设，LoRa 网关分路段进行布设，与节点进行信息交互，实现一对多通信，采用星型网络拓扑结构对LoRa 进行组网. 当有事故发生时，LoRa 节点通过串口接收数据，并经无线发射发送给边缘网关LoRa 模块.边缘网关接收到数据包后经MCU 处理转换成JSON 格式的MQTT 协议数据包，再通过5G 网络模块发送到物联网云平台的MQTT 代理服务器，具体流程如图4 所示.

图4 LoRa 无线组网通信流程

4.2 5G 通信模块软件设计

边缘网关移远通信5G 模块RM500Q 与处理器RK3588 通过PCIE 通信，首先在RK3588中完成5G 模块驱动适配，并在RK3588 内核中进行源码和编译选项的配置，然后再编译代码程序［1］，如图5 所示.具体过程如下：

①usb 驱动修改和配置；

②在drivers/net/usb 驱动中源码中添加移远拨号驱动；

③编译移远拨号软件；

④在板端添加dhcp 客户端.

4.3 物联网应用平台测试

依据上述模块设计，系统开发完成基于PC 管理软件和基于云智能APP 手机端管理软件.如图6 和图7 所示.

图7 APP 应用软件界面

PC 端管理软件由一级用户（管理员）登录，兼容高速公路视频监控系统，在运行界面用户可以实时观测车流量数据、节点报警状态、网关工作状态、事故统计报表等信息，同时可以进行任务下发，统筹安排事故处理工作.

APP 手机端软件面向二级权限用户设计，包括高速公路养护工作人员和事故车辆司乘人员.工作人员通过手机端软件可实时接收节点报警信息、查看报警路段、通过监控平台获取事故现场图片和实时跟进救援进度；司乘人员可通过软件查看事故现场信息，并获取事故救援进展情况.

5 结语

本文提出了一种基于LoRa+5G 边缘网关的高速公路路侧感知预警系统，采用LoRa 星型网络拓扑结构搭建覆盖高速公路全路线的路侧感知WSN，并通过5G 模块接入物联网云平台.系统具有低成本、低功耗、广覆盖的特点，能够对现有高速公路全路网提供全面、实时、精准、可靠的事故报警信息，并进行预警，为高速公路管理人员对事故处理的决策和管控提供实时的数据和平台支撑，提升了高速公路事故处理效率，提高了高速公路车辆通行安全性.