一種基于NB-IoT的公路霧燈自動指示系統(tǒng)

文/劉源　陳龍宇　周家緒　張歡

1　引言

當(dāng)前，我國高速公路的發(fā)展十分迅猛，逐步由發(fā)達(dá)地區(qū)向不發(fā)達(dá)地區(qū)鋪進(jìn)。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(dāng)突發(fā)惡劣天氣時很容易發(fā)生撞上防護(hù)欄或連環(huán)追尾等嚴(yán)重的交通事故，后果不堪設(shè)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(qū)路段出現(xiàn)大霧天氣時，常常因為車輛在轉(zhuǎn)彎路段看不清道路而發(fā)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(fā)路段、惡劣天氣頻發(fā)路段主要使用安裝照明燈的方式，但燈具的開關(guān)通常由值班室或變電室根據(jù)實時的天氣、路況進(jìn)行管控，或者由光控模塊來進(jìn)行自動控制。當(dāng)照明燈數(shù)量較多時，人工管控的成本較高且容易發(fā)生錯漏。而當(dāng)前的光控模塊控制方式面臨著待機(jī)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(shù)逐漸成熟的今日，研究一種能夠保持低功耗、低時延，具有準(zhǔn)確而快速地應(yīng)對突發(fā)惡劣環(huán)境的能力的公路霧燈指示系統(tǒng)具有重要的實際應(yīng)用意義。

2　NB-IoT技術(shù)簡介與特點

NB-IoT是新一代的低功耗物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，在當(dāng)前主流運(yùn)營商的蜂窩網(wǎng)絡(luò)（GSM、LTE等）上建立，可以實現(xiàn)平滑升級和快速部署。NB-IoT建立在電信營業(yè)商的授權(quán)頻段上，具有網(wǎng)絡(luò)連接可靠性高，連接安全性高，可維護(hù)性好，服務(wù)質(zhì)量好等特點。使用的180KHz帶寬，相較與傳統(tǒng)的低速率蜂窩網(wǎng)絡(luò)（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(dá)10-12千米甚至更遠(yuǎn)，具有低功耗、大連接、高覆蓋的特性。

3　NB-IoT霧燈系統(tǒng)架構(gòu)

基于NB-IoT的霧燈系統(tǒng)架構(gòu)主要由若干霧燈子系統(tǒng)（一個NB-IoT霧燈系統(tǒng)下至少包括一個霧燈子系統(tǒng)）、物聯(lián)網(wǎng)云平臺、客戶端軟件組成。一個霧燈子系統(tǒng)下包括一個檢測子系統(tǒng)和若干指示子系統(tǒng)（一個霧燈子系統(tǒng)下至少包括一個檢測子系統(tǒng)和一個指示子系統(tǒng)）?？梢栽诠穬蓚?cè)每隔固定距離（一般為50-100m）安裝一個指示子系統(tǒng)，每1-3千米安裝一個檢測子系統(tǒng)，使得一個檢測子系統(tǒng)可以控制該路段下所有的指示子系統(tǒng)。

整個霧燈系統(tǒng)工作流程如圖1所示，由檢測子系統(tǒng)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(yīng)的基站將數(shù)據(jù)上傳至物聯(lián)網(wǎng)云平臺，物聯(lián)網(wǎng)云平臺將接收到的數(shù)據(jù)存儲、處理后，會將數(shù)據(jù)顯示在客戶端軟件上，與此同時會將控制信息發(fā)送給檢測子系統(tǒng)，檢測子系統(tǒng)會進(jìn)一步控制指示子系統(tǒng)并點亮霧燈?？蛻舳塑浖峡梢燥@示所有接入云平臺的霧燈子系統(tǒng)的狀態(tài)、各個路段的能見度信息，并且可以控制每個霧燈子系統(tǒng)的開關(guān)并制定檢測策略等。

4　NB-IoT霧燈系統(tǒng)的實現(xiàn)

4.1　檢測子系統(tǒng)的實現(xiàn)

檢測子系統(tǒng)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(shù)，且尺寸小可節(jié)約布板面積，適用于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)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(shù)，具有測量范圍大、測量精度高的特點，其接收經(jīng)過大氣散射后的紅外光，經(jīng)過光敏二極管后轉(zhuǎn)換為電信號，再經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換和一定的算法處理后按照數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議通過RS485接口輸出測量結(jié)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(shù)據(jù)并解析數(shù)據(jù)，由NB-IoT通訊模塊通過CoAP協(xié)議向物聯(lián)網(wǎng)云平臺上報信息，信息中包含該檢測子系統(tǒng)特有的唯一編號，能見度信息，所屬于該檢測子系統(tǒng)下的所有指示子系統(tǒng)的開關(guān)狀態(tài)等信息。其中采用的基于NB-IOT的CoAP協(xié)議是基于輕量級的UDP協(xié)議設(shè)計的，其數(shù)據(jù)協(xié)議包頭為4個字節(jié)，傳輸量小、功耗低的特性非常適合本檢測子系統(tǒng)。

當(dāng)接收到客戶端通過云平臺下發(fā)的指令，或檢測到能見度持續(xù)低于閾值后，檢測子系統(tǒng)會通過LoRa網(wǎng)絡(luò)喚醒該檢測子系統(tǒng)下的所有指示子系統(tǒng)，點亮霧燈為過往車輛提供指引。

4.2　指示子系統(tǒng)的實現(xiàn)

指示子系統(tǒng)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(tài)對應(yīng)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?zé)簦趩蝹€霧燈中安裝有兩個鹵素?zé)?，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(tǒng)處于低功耗運(yùn)行狀態(tài)，通過LoRa網(wǎng)絡(luò)等待該指示子系統(tǒng)所在路段的檢測子系統(tǒng)的喚醒信號。在接收到喚醒信號后，微處理器會根據(jù)收到的信號執(zhí)行相應(yīng)任務(wù)，例如進(jìn)行自檢并上報設(shè)備信息、點亮霧燈、進(jìn)入休眠等任務(wù)。雙面霧燈的設(shè)計可以使得一個指示子系統(tǒng)可以對兩個不同的車輛行駛方向進(jìn)行車輛指引、誘導(dǎo)，進(jìn)一步降低部署成本。當(dāng)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(jìn)行校對，再點亮霧燈，這樣該LoRa網(wǎng)絡(luò)下的所有指示子系統(tǒng)的霧燈都能以同樣的頻率進(jìn)行同亮同滅。

圖1：NB-IoT霧燈系統(tǒng)工作流程圖

4.3　物聯(lián)網(wǎng)云平臺和客戶端軟件的選擇與實現(xiàn)

為了在大量的設(shè)備連接下保持良好的響應(yīng)性能、數(shù)據(jù)上傳下發(fā)速度，選擇NB-IoT基站所屬的通信運(yùn)營商承辦的物聯(lián)網(wǎng)云平臺。檢測子系統(tǒng)與該平臺的連接采用基于NB-IoT的CoAP協(xié)議，可以進(jìn)行設(shè)備注冊、數(shù)據(jù)上報、接收命令等操作。

在客戶端軟件（C/S架構(gòu)）上，使用C#和WPF完成具有地圖顯示、圖表顯示、命令下發(fā)等功能的客戶端軟件的實現(xiàn)，其中需要調(diào)用第三方地圖平臺的API、物聯(lián)網(wǎng)云平臺的消息協(xié)議API。為了加快軟件打開時渲染地圖數(shù)據(jù)的速度，選擇PostgreSQL作為存儲地圖渲染數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫，PostgreSQL相較于其他關(guān)系型數(shù)據(jù)庫最大的優(yōu)點在于有GIS（地理信息系統(tǒng)）擴(kuò)展。

5　NB-IoT霧燈系統(tǒng)的測試

當(dāng)基于NB-IoT的公路霧燈系統(tǒng)的檢測子系統(tǒng)、指示子系統(tǒng)和客戶端軟件完成相應(yīng)的實現(xiàn)，且物聯(lián)網(wǎng)云平臺的準(zhǔn)備工作完成后，可在實地進(jìn)行安裝測試。

在60米的路段上，安裝有一個檢測子系統(tǒng)、兩個指示子系統(tǒng)并開啟所有模塊，由于是第一次工作，所以檢測子系統(tǒng)在初始化設(shè)備、注冊NB-IoT運(yùn)營商MNC后，會通過LoRa網(wǎng)絡(luò)收集兩個指示子系統(tǒng)的設(shè)備信息和GPS信息，并通過NB-IoT通訊模塊和相應(yīng)的NBIoT基站向物聯(lián)網(wǎng)云平臺發(fā)送設(shè)備注冊信息，注冊信息中除了兩個指示子系統(tǒng)的信息外還包括檢測子系統(tǒng)本身的設(shè)備信息（包括但不限于imsi、imei）。

當(dāng)物聯(lián)網(wǎng)云平臺接收到注冊信息后會在后端完成相應(yīng)操作并向檢測子系統(tǒng)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(tǒng)的唯一編號。之后檢測子系統(tǒng)會進(jìn)入循環(huán)采集能見度信息的流程，指示子系統(tǒng)則進(jìn)入低功耗模式等待檢測子系統(tǒng)的喚醒信號。

檢測子系統(tǒng)每隔一定時間間隔向物聯(lián)網(wǎng)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(zhuǎn)發(fā)給客戶端軟件，客戶端軟件上顯示出指示子系統(tǒng)所在的位置（結(jié)合地圖顯示經(jīng)緯度）、開關(guān)狀態(tài)、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(tǒng)下發(fā)打開霧燈的命令，命令通過物聯(lián)網(wǎng)云平臺轉(zhuǎn)發(fā)并送達(dá)檢測子系統(tǒng)后，檢測子系統(tǒng)通過LoRa網(wǎng)絡(luò)喚醒指示子系統(tǒng)，指示子系統(tǒng)喚醒后通過GPS模塊獲取世界時，與軟件下發(fā)命令時帶的時間戳進(jìn)行比較，當(dāng)時間差為3秒的整數(shù)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(tǒng)中的兩個霧燈就會同時亮同時滅。

除了進(jìn)行客戶端下發(fā)指令的測試外，還采用降低能見度傳感器的周圍環(huán)境能見度的方式進(jìn)行測試。當(dāng)環(huán)境能見度發(fā)生改變后，檢測子系統(tǒng)對傳感器數(shù)據(jù)經(jīng)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(tǒng)。測試統(tǒng)計，當(dāng)環(huán)境能見度開始降低到200m以下時，在3分鐘內(nèi)檢測子系統(tǒng)均可作出響應(yīng)，且其在47次實驗中都能100%喚醒指示子系統(tǒng)。當(dāng)能見度恢復(fù)正常狀態(tài)后，檢測子系統(tǒng)會使指示子系統(tǒng)重新進(jìn)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(tǒng)的亮滅狀態(tài)、時間等信息。

6　結(jié)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(tǒng)具有檢測準(zhǔn)確、警示效果強(qiáng)、管理方便等特點。系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計、選型合理，經(jīng)過測試，系統(tǒng)的響應(yīng)迅速、性能穩(wěn)定，具有較高的應(yīng)用前景。