基于微氣象環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的高速公路交通安全預(yù)警研究

基金項(xiàng)目：2022年度廣西高校中青年教師科研基礎(chǔ)能力提升項(xiàng)目 “基于磁場定向控制無刷電機(jī)的驅(qū)動系統(tǒng)研究與應(yīng)用”（編號：2022KY1129）；2022年度廣西高校中青年教師科研基礎(chǔ)能力提升項(xiàng)目“基于大數(shù)據(jù)視域下貨運(yùn)物流運(yùn)輸安全應(yīng)用平臺的研究”（編號：2022KY1130）

作者簡介：覃 喜（1991—），碩士，副教授，研究方向：嵌入式技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。

摘要：文章研究提出了一種基于微氣象環(huán)境監(jiān)測的高速公路交通安全預(yù)警系統(tǒng)。該系統(tǒng)實(shí)時監(jiān)測風(fēng)速、風(fēng)向、溫度、濕度、降雨量等參數(shù)，并結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)算法預(yù)測可能對道路安全構(gòu)成威脅的惡劣天氣條件，具有推動高速公路安全運(yùn)營的積極意義。

關(guān)鍵詞：微氣象環(huán)境監(jiān)測；預(yù)警系統(tǒng)；高速公路交通安全；機(jī)器學(xué)習(xí)

中圖分類號：U492.8

0 引言

高速公路在我國的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會進(jìn)步中扮演著重要角色，但隨著高速公路里程不斷擴(kuò)大，交通安全問題日益凸顯。尤其是在惡劣氣象條件下，車輛行駛面臨巨大風(fēng)險，可能導(dǎo)致人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。因此，提升高速公路交通安全水平和研究先進(jìn)的預(yù)警技術(shù)具有極其緊迫的現(xiàn)實(shí)意義。微氣象環(huán)境監(jiān)測技術(shù)已成為高速公路交通安全預(yù)警的重要手段之一，通過實(shí)時監(jiān)測氣象條件、路面溫度、濕度等因素，并結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)算法分析數(shù)據(jù)來及時預(yù)警交通事故的潛在風(fēng)險因素，從而有效降低事故率和損失。

本文旨在研究基于微氣象環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的高速公路交通安全預(yù)警技術(shù)，通過歷史數(shù)據(jù)的收集和分析，建立數(shù)據(jù)挖掘模型，進(jìn)一步完善交通安全預(yù)警模型，并驗(yàn)證和應(yīng)用于實(shí)際案例。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

如圖1所示，該系統(tǒng)包含道路環(huán)境信息和綜合處理及預(yù)警兩個子模塊，其核心是基于STM32單片機(jī)搭建的微氣象環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。硬件方面采用485數(shù)據(jù)總線模塊、NB-IoT無線通信模塊以及多種傳感器，如溫濕度傳感器、風(fēng)速傳感器、風(fēng)向傳感器、氣壓傳感器、雨量傳感器和光照傳感器等^［1］，用來采集和處理環(huán)境信息。各個傳感器都通過485數(shù)據(jù)總線連接在一起，并將采集到的數(shù)據(jù)通過NB-IoT模塊上傳至云平臺并存入數(shù)據(jù)庫。利用云計(jì)算中心的強(qiáng)大處理性能，對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與建模，并推送路況信息至高速公路調(diào)頻廣播。該技術(shù)方案有望為高速公路交通安全領(lǐng)域提供新的思路和方法，從而提升高速公路交通安全水平，降低事故率和損失。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

為滿足微氣象環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)在高速公路路段中長時間連續(xù)運(yùn)行的需求，本文采用太陽能板和蓄電池組成的綜合供電系統(tǒng)，以保障系統(tǒng)的連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。同時，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中設(shè)置了相關(guān)的保護(hù)措施，如電流短路、過壓保護(hù)等，以進(jìn)一步確保系統(tǒng)的可靠性和安全性。為降低系統(tǒng)的功耗并提高其穩(wěn)定性和可靠性，利用低功耗器件來減少系統(tǒng)的能耗。通過以上技術(shù)手段，成功地解決了高速公路環(huán)境取電困難的問題，并確保微氣象環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中的連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。

2.1 微氣象環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)主控

微氣象環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的核心主控采用STM32L475VET6芯片，基于ARM Cortex-M4內(nèi)核的低功耗微控制器，集成多種外設(shè)和接口，以支持模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器、時鐘管理單元、通信接口（如SPI、I2C、USART等）。該芯片還支持多種低功耗模式，包括停機(jī)模式、休眠模式和備份模式等，以滿足不同應(yīng)用場景的需求。由于其高性能和低功耗的優(yōu)勢，STM32L475芯片廣泛應(yīng)用于智能家居、醫(yī)療保健、工業(yè)自動化、智能交通、物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域^［2］。

在本設(shè)計(jì)中，STM32L475VET6芯片的串口1用于日常調(diào)試，串口2連接485總線模塊，用于讀取各個傳感器的數(shù)據(jù)，串口3則用于與NB-IoT進(jìn)行連接并與云服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。此外，將PC2設(shè)置為模擬輸入以采集蓄電池電壓。

2.2 485總線模塊

在本設(shè)計(jì)中，傳感器與主控通過485總線進(jìn)行連接。485總線采用差分信號傳輸方式，即將一個信號通過兩根導(dǎo)線傳輸，分別是正向信號和反向信號，這樣可以大幅度降低由于電磁干擾引起的誤碼率，從而保證傳輸數(shù)據(jù)的可靠性（見圖2）。通過485總線連接多個傳感器時，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、高速率、可靠性強(qiáng)的數(shù)據(jù)傳輸，適用于工業(yè)自動化、樓宇自控、智能家居等領(lǐng)域。

485總線中采用了MAX3485芯片來完成收發(fā)器的實(shí)現(xiàn)。MAX3485是一款具有高速、半雙工、RS-485/RS-422集成收發(fā)器的芯片，能夠支持?jǐn)?shù)據(jù)傳輸速率達(dá)到10 Mbps，并且具有過電壓和短路保護(hù)等特性。在圖2中，RXD、TXD連接到主控芯片的串口2的接收和發(fā)射引腳。主控通過MAX3485芯片接收和發(fā)送各個傳感器的數(shù)據(jù)。D2、D3則是TVS保護(hù)二極管，起到對傳感器輸入電壓進(jìn)行保護(hù)的作用。R3、R6則是總線上的上下拉電阻，起到控制總線電平的作用。R4為匹配電阻，使總線上的阻抗匹配。Q1與R2、R5則構(gòu)成數(shù)據(jù)收發(fā)的自動切換電路，當(dāng)發(fā)送和接收時，將數(shù)據(jù)從一個方向轉(zhuǎn)換到另一個方向，以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

2.3 NB-IoT模塊

NB-IoT模塊采用上海穩(wěn)恒電子科技有限公司生產(chǎn)的WH-NB73-BA NB-IoT模塊，該模塊具有高靈敏度和可靠性，支持2路TCP/UDP簡單透傳模式和3GPP標(biāo)準(zhǔn)指令集。該模塊提供了多種接口，如UART串口、USB、SPI等，并支持TCP/IP協(xié)議棧和AT指令集，方便用戶進(jìn)行數(shù)據(jù)通信和控制。此外，該模塊還具備安全功能，包括TLS/SSL加密、IP過濾和數(shù)據(jù)加密等，以確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?。該NB-IoT模塊還支持超低功耗模式，在Active模式下發(fā)射電流為336 mA，接收電流為40 mA，空閑電流為1 mA，PSM電流為5 μA。該模塊連接在主控芯片的串口3上，主要用于與云平臺進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

2.4 溫濕度傳感器模塊

本設(shè)計(jì)中采用了瑞士Sensirion公司的SHT20數(shù)字溫濕度傳感器，它是一款集成了溫度和濕度傳感器元件、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換電路（ADC）、信號處理單元、EEPROM以及數(shù)字接口電路等核心部件的高精度傳感器。SHT20具有低功耗、高穩(wěn)定性和快速響應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)，并支持I2C總線通信協(xié)議，適用于許多需要高精度溫濕度測量的場景，如氣象觀測、工業(yè)自動化和航空航天等領(lǐng)域。在本設(shè)計(jì)中，溫濕度傳感器模塊通過485總線與主控進(jìn)行連接，使用獨(dú)立的單片機(jī)將SHT20傳感器的IIC數(shù)據(jù)讀取出來，并將其轉(zhuǎn)換為485總線數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。具體電路連接如圖3所示。在圖3中，U3單片機(jī)通過P3.2、P3.3與SHT20進(jìn)行連接，將數(shù)據(jù)讀取出來，并通過P3.1、P3.2傳輸至U4的485轉(zhuǎn)換芯片，J1則直接連接至485總線中。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在本設(shè)計(jì)中，微氣象環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)采用了體積小、高效、易用的開源RT-Thread實(shí)時操作系統(tǒng)。該系統(tǒng)支持多種處理器架構(gòu)和硬件平臺，并提供了TCP/IP協(xié)議棧、文件系統(tǒng)、通信協(xié)議、加密解密算法等豐富的軟件組件和庫。RT-Thread采用模塊化設(shè)計(jì)，用戶可以按需要選擇相應(yīng)的模塊進(jìn)行裁剪，以滿足不同應(yīng)用場景的需求。

3.1 主控程序設(shè)計(jì)

在本設(shè)計(jì)中，主控模塊主要通過使用三個線程來處理傳感器數(shù)據(jù)及與云平臺的數(shù)據(jù)交換。

（1）一條線程負(fù)責(zé)讀取數(shù)據(jù)總線上的傳感器數(shù)據(jù)，并將其保存到內(nèi)存中。該線程使用Modbus-RTU協(xié)議通過485總線從傳感器中讀取環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)存儲在內(nèi)存中以備后續(xù)上傳。

（2）另一條線程專門負(fù)責(zé)與NB-IoT程序模塊進(jìn)行通信，從而將數(shù)據(jù)上傳到云平臺。該線程使用NB-IoT模塊與云平臺進(jìn)行通信，并將讀取到的傳感器數(shù)據(jù)上傳至云平臺。

（3）第三個線程是程序監(jiān)視模塊，它負(fù)責(zé)監(jiān)視各個模塊是否正常運(yùn)行，并確保不會發(fā)生沖突或異常情況，從而保證整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。這些線程各自獨(dú)立運(yùn)行，且彼此不影響。通過多線程的方式，可以充分利用STM32L475VET6單片機(jī)的資源和處理能力，實(shí)現(xiàn)對環(huán)境參數(shù)的實(shí)時監(jiān)測和數(shù)據(jù)采集，并能夠滿足不同應(yīng)用場景的需求。

3.2 傳感器數(shù)據(jù)的采集

本設(shè)計(jì)采用Modbus-RTU協(xié)議作為總線協(xié)議，并使用485總線進(jìn)行傳輸，以提高數(shù)據(jù)傳輸效率和可靠性。Modbus-RTU協(xié)議是一種常見的串行通信協(xié)議，支持多達(dá)255個設(shè)備連接到同一個總線上，并且具有簡單易用、穩(wěn)定可靠的特點(diǎn)。在本設(shè)計(jì)中，只需要讀取傳感器的輸出數(shù)據(jù)，因此僅需使用03功能碼即可滿足傳感器數(shù)值的讀取^［3］。

該協(xié)議規(guī)定了請求/應(yīng)答的數(shù)據(jù)幀格式，根據(jù)不同的傳感器地址和寄存器讀出相應(yīng)的傳感器數(shù)值。數(shù)據(jù)幀格式如表1所示。

在微氣象環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中，主控模塊作為主機(jī)，而傳感器模塊則作為從機(jī)。主控通過485總線使用Modbus-RTU協(xié)議與傳感器通信，定時讀取的方式是通過主控設(shè)置定時器周期來觸發(fā)讀取操作，實(shí)現(xiàn)對環(huán)境參數(shù)的實(shí)時監(jiān)測和數(shù)據(jù)采集，提高了系統(tǒng)的可靠性和精度。該設(shè)計(jì)方案能夠滿足不同應(yīng)用場景的需求，并能夠應(yīng)對各種復(fù)雜環(huán)境下的實(shí)時監(jiān)測需求。

3.3 NB-IoT數(shù)據(jù)傳輸

微氣象環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的傳感器數(shù)據(jù)通過NB-IoT模塊將數(shù)據(jù)傳輸至云平臺，該模塊主要連接在主控的串口3上。通過串口3發(fā)送AT指令將模塊設(shè)置成CoAP協(xié)議，其具體的命令如下：

AT+NCDP=服務(wù)器地址，端口號

AT+NRB

AT+NSMI=1

AT+NNMI=2

AT+NMGS=3，313233

在該模式下，只需要設(shè)置服務(wù)器地址和端口號，即可實(shí)現(xiàn)串口設(shè)備通過NB73-BA直接發(fā)送數(shù)據(jù)到指定的CoAP服務(wù)器，模塊也可以直接接收來自服務(wù)器的數(shù)據(jù)并將信息轉(zhuǎn)發(fā)至串口設(shè)備。數(shù)據(jù)傳送過程中的協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊自動完成^［4］。其工作流程如圖4所示。

4 測試與分析

在本設(shè)計(jì)中，為驗(yàn)證微氣象環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的可行性和穩(wěn)定性，系統(tǒng)在設(shè)計(jì)的過程中進(jìn)行大量的模擬實(shí)驗(yàn)，反復(fù)地驗(yàn)證程序的準(zhǔn)確性及可靠性。測試地點(diǎn)位于G72泉南高速公路三岸服務(wù)區(qū)，通過NB-IoT模塊將溫度、濕度、風(fēng)向、風(fēng)速、降雨量等數(shù)據(jù)上傳至云平臺。在平臺上，傳感器自動采集時間間隔設(shè)置為1 min，并設(shè)置告警閾值以及短信和郵件推送功能。此外，在根據(jù)告警等級進(jìn)行分級后，可選擇采用調(diào)頻廣播、交通誘導(dǎo)屏等廣播方式，以確保預(yù)警信息能夠及時傳播。

根據(jù)圖5所示，當(dāng)前環(huán)境溫度為37.1 ℃，相對濕度為65.7%RH，風(fēng)向傳感器輸出0～7檔數(shù)據(jù)，現(xiàn)在為1檔，表明當(dāng)前的風(fēng)向?yàn)闁|北風(fēng)，風(fēng)速為1.3 m/s，同時無降雨出現(xiàn)。通過測試，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)，采集到的數(shù)據(jù)具有較高的準(zhǔn)確性和可靠性。通過上傳的當(dāng)前環(huán)境數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)表明，該系統(tǒng)能夠根據(jù)數(shù)據(jù)分析結(jié)果對道路交通狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時預(yù)測和評估，并發(fā)出相應(yīng)的預(yù)警信息，從而避免了可能導(dǎo)致交通事故發(fā)生的不利因素。

5 結(jié)語

本文描述了微氣象環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)在高速公路環(huán)境信息采集中的應(yīng)用，并從硬件層、數(shù)據(jù)鏈路層、應(yīng)用層三個方面闡述實(shí)施方案。該系統(tǒng)利用多種傳感器設(shè)備采集公路沿線的交通氣象參數(shù)，結(jié)合交通安全預(yù)警研究提出了保障交通安全的有效方法。同時，可部署多個微氣象環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)以大范圍獲取公路沿線的交通氣象參數(shù)，實(shí)現(xiàn)道路天氣數(shù)據(jù)的實(shí)時監(jiān)測、分析和預(yù)警處理。此外，該系統(tǒng)具有安裝簡單、成本低、攜帶方便等優(yōu)點(diǎn)，是解決高速公路沿線交通氣象信息采集和應(yīng)用問題的理想工具。通過歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行交通環(huán)境安全的評估可以進(jìn)一步提升交通安全預(yù)警管理水平，從而保障人們在出行中的安全。

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收稿日期：2023-04-06