基于MQTT協(xié)議的營運車輛安全預(yù)警提示裝置

摘 要：隨著智慧交通、車聯(lián)網(wǎng)及車路協(xié)同技術(shù)的發(fā)展，交通管理裝置作為智慧交通系統(tǒng)的重要組成部分，將發(fā)揮越來越重要的作用，為城市交通的安全、高效、便捷做出更大的貢獻。本文旨在研究與設(shè)計一種在物聯(lián)網(wǎng)（IoT）環(huán)境下實現(xiàn)營運車輛判別、對駕駛員提醒預(yù)警的裝置。系統(tǒng)基于Wio Terminal單片機進行嵌入式開發(fā)，采用開源的Eclipse Mosquitto環(huán)境搭建消息代理服務(wù)器，并通過MQTT協(xié)議通信；本文詳細(xì)探討了其功能和技術(shù)特點以及其在交通安全管理場景中的應(yīng)用，以期為物聯(lián)網(wǎng)交通管理領(lǐng)域的應(yīng)用提供參考和借鑒。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；智慧交通；營運車輛；MQTT；Wio Terminal；安全預(yù)警

中圖分類號：TP212 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2024）04-0-04

DOI：10.16667/j.issn.2095-1302.2024.04.039

0 引 言

近年來，隨著道路交通的快速發(fā)展和人民生活水平的提高，交通問題已經(jīng)成為經(jīng)濟社會發(fā)展面臨的重要挑戰(zhàn)之一。智慧交通是一種以先進信息技術(shù)為基礎(chǔ)的交通運輸系統(tǒng)，其以智能化、信息化、集成化為主要特征，旨在提高交通效率、改善交通環(huán)境、保障交通安全。它是未來交通發(fā)展的必然趨勢，也是實現(xiàn)交通現(xiàn)代化的重要途徑。而電子信息技術(shù)為智慧交通的發(fā)展帶來了重大的變革，物聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)、云計算等技術(shù)在交通領(lǐng)域的發(fā)展和應(yīng)用，使得智慧交通能夠在交通管理優(yōu)化，檢測車輛及智慧化服務(wù)等方面提供更加敏捷、高效的出行環(huán)境。在貨運交通方面，大貨車駕駛員行駛途中可能存在長途駕駛疲勞問題，據(jù)統(tǒng)計，疲勞駕駛發(fā)生交通事故占全國交通事故總量的21%，并且疲勞駕駛發(fā)生交通事故死亡率高達(dá)83%。因此，為了提高駕駛安全性，對于大車研究和開發(fā)相關(guān)的技術(shù)和裝置已經(jīng)成為一個非常重要的

課題。

1 背 景

1.1 MQTT

MQTT協(xié)議是ISO標(biāo)準(zhǔn)（ISO/IEC PRF 20922）下基于主題進行訂閱和發(fā)布，為硬件性能低下的遠(yuǎn)程設(shè)備以及相對糟糕的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境而設(shè)計的消息協(xié)議[1]。該協(xié)議使用Last Will和Testament特性通知有關(guān)客戶端異常中斷，具有提供一對多消息發(fā)布，解除應(yīng)用程序耦合，TCP/IP提供網(wǎng)絡(luò)連接，對負(fù)載內(nèi)容屏蔽消息傳輸?shù)忍匦訹2]。其主題是應(yīng)用信息上的附加標(biāo)簽，需要發(fā)揮其作用構(gòu)建發(fā)布和訂閱信息主體間的信息傳輸路徑。MQTT協(xié)議由MQTT客戶端和MQTT消息代理服務(wù)器組成，在這兩者中又定義了3種身份：發(fā)布者（Publisher）、代理（Broker）、訂閱者（Subscriber）[3]。其中，客戶端為消息的發(fā)布者和訂閱者，服務(wù)器為消息代理。MQTT傳輸?shù)南⒂芍黝}（Topic）和負(fù)載（payload）兩部分組成：Topic代表消息的類型，訂閱者訂閱（subscribe）某一Topic后，會收到該主題的消息內(nèi)容；Payload代表訂閱者具體所需要的內(nèi)容[4]。MQTT協(xié)議基本結(jié)構(gòu)如圖1

所示。

消息發(fā)布服務(wù)質(zhì)量等級說明見表1所列。MQTT有3種消息發(fā)布服務(wù)質(zhì)量（QoS），包括：至多一次（QoS 0），消息發(fā)布完全依賴底層TCP/IP網(wǎng)絡(luò)，存在消息丟失等問題；至少一次（QoS 1），確保消息到達(dá)，可能會重復(fù)；只有一次（QoS 2），

確保消息到達(dá)一次，可以運用在一些嚴(yán)格計費的系統(tǒng)中[5]。

MQTT協(xié)議的功能如下：

（1）會話（Session）：服務(wù)器與客戶端在狀態(tài)交互的過程中存在會話功能，可跨越多個連續(xù)網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)。當(dāng)清除會話（Clean Session）處于0的位置時，代理服務(wù)器需將此時會話狀態(tài)作為基礎(chǔ)，對客戶端間的通信路徑予以恢復(fù)。若會話存在丟失問題，則應(yīng)在最短時間完成新的會話構(gòu)建[6]，服務(wù)器設(shè)備應(yīng)當(dāng)將客戶端質(zhì)量級別為QoS 1和 QoS 2的消息作為狀態(tài)信息進行保存。當(dāng)Clean Session位于1的位置時，代理服務(wù)器要全部丟棄已保存的客戶端信息，待客戶端重新連接上線后，不會再接收舊有消息，而需重新訂閱[7]，確保QoS 1和QoS 2消息具有良好的服務(wù)質(zhì)量，同時在標(biāo)志位為0時不會存在信息遺漏。

（2）訂閱（Subscribe）：與會話功能形成關(guān)聯(lián)，包括最大服務(wù)質(zhì)量（QoS）和主題篩選器[8]。

（3）主題篩選（Topic Filter）：由一個主題命名通配符篩選器，可應(yīng)用到訂閱表達(dá)式中，用以完成所匹配的多個主題訂閱[9]。

1.2 Wio Terminal

Wio Terminal是基于SAMD51的微控制器，具有由Realtek RTL8720DN提供支持的無線連接，同時也兼容Arduino和Micro-Python。目前，僅Arduino支持無線連接。它以120 MHz（升壓至200 MHz），4 MB外部閃存和192 KB

RAM運行，支持藍(lán)牙和WiFi，是一款適用于物聯(lián)網(wǎng)和嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的產(chǎn)品。Wio Terminal的主要原則是提供全面的硬件支持和易于使用的開發(fā)環(huán)境，以便開發(fā)者能夠快速構(gòu)建復(fù)雜的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用程序。其硬件資源包括2.4英寸LCD屏幕、6軸加速度計、麥克風(fēng)、揚聲器、多個I/O接口以及WiFi和藍(lán)牙通信模塊等[10]。Wio Terminal基本結(jié)構(gòu)示意圖如圖2

所示。

2 系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

2.1 總體設(shè)計

本系統(tǒng)中的硬件設(shè)備包括Wio Terminal、傳感器模塊、移動通信終端等。Wio Terminal可連接至US-016超聲傳感器、MQTT服務(wù)器、LED顯示屏等，負(fù)責(zé)發(fā)送和接收小車長度數(shù)據(jù)。傳感器模塊包括US-016超聲傳感器和LED指示燈，負(fù)責(zé)感應(yīng)小車移動位置，并發(fā)送至Wio Terminal計算小車長度。將程序通過VSCODE寫入Wio Terminal終端，開啟傳感器模塊的電源，連接終端，設(shè)備初始化后即可測量。車輛經(jīng)過始末位的傳感器后，可在Wio Terminal終端收到車長

信息。

2.2 硬件設(shè)計

本硬件的設(shè)計分為2個終端，終端以無線熱點連接互聯(lián)網(wǎng)并與Eclipse Mosquitto MQTT服務(wù)器通信，實現(xiàn)消息收發(fā)。

系統(tǒng)框圖如圖3所示。系統(tǒng)終端均提供5 V電壓供電。同時，第一個終端的電池還為2個超聲波傳感器供電，連接5 V與GND端。超聲波傳感器的OUT端分別接Wio Terminal的D0（A0）和D1（A1）引腳，實現(xiàn)D/A轉(zhuǎn)換，輸入距離量。D2（A2）和D7（A7）引腳接入2個LED指示燈，用來指示超聲波模塊是否檢測到物體。當(dāng)車輛完全經(jīng)過第一個終端后，借助終端算法進行數(shù)據(jù)處理，將數(shù)據(jù)通過MQTT協(xié)議上傳到MQTT服務(wù)器，由另一端接收并作出車輛大小判決，最終將提示語顯示到LED顯示屏上。

2.3 軟件設(shè)計

2.3.1 程序設(shè)計

系統(tǒng)軟件程序由C++編寫，主要由2個以Wio Terminal為核心的數(shù)據(jù)發(fā)布和接收節(jié)點以及MQTT服務(wù)器平臺組成。兩終端的程序流程如圖4所示。發(fā)布終端開啟后會進行引腳初始化，并自動連接WiFi；接著Wio Terminal會以給定的MQTT服務(wù)器地址自動嘗試連接服務(wù)器。之后進入算法部分，兩超聲波傳感器會在上方有車輛經(jīng)過時采集對應(yīng)時間節(jié)點的信息，經(jīng)公式運算得到車長數(shù)據(jù)；計算后的數(shù)據(jù)通過MQTT協(xié)議發(fā)布，發(fā)布的數(shù)據(jù)根據(jù)預(yù)設(shè)的Topic發(fā)送到訂閱此Topic的接收終端。對于接收終端，在初始化后同樣執(zhí)行自動連接WiFi和MQTT服務(wù)器的操作；區(qū)別于發(fā)布終端，接收終端執(zhí)行監(jiān)聽程序，當(dāng)收到車長數(shù)據(jù)后，進入判斷程序以判斷車輛是否為小轎車、大貨（客）車，或車輛超長，并發(fā)送對應(yīng)的控制信號給LED顯示屏顯示相應(yīng)提示語。

2.3.2 算法實現(xiàn)

車長檢測方法如圖5所示。兩傳感器自身長度可忽略不計，其間距L=1 m，使其與車輛行駛方向相同；檢測階段，車輛需在整個裝置上方駛過完成車長測量。因兩傳感器距離較短，在檢測期間車輛行駛速度可視為勻速。當(dāng)傳感器1檢測到車頭時，此時LED1指示燈亮起，程序調(diào)用millis（）

函數(shù)記錄當(dāng)前的時間節(jié)點Start_Time（ts）；車輛繼續(xù)行駛至傳感器1檢測不到車尾時，此時傳感器2仍被車身覆蓋，LED1指示燈熄滅，LED2指示燈仍亮，并記錄時間節(jié)點為Mid_Time（tm），此時車輛行駛了一個車長x的距離；當(dāng)車輛繼續(xù)行駛至傳感器2檢測不到車尾時，LED1、LED2均熄滅，此時車輛行駛了x+L米，記錄完成時間

End_Time（te）。

根據(jù)3個時間值、已知的傳感器間距L以及速度列出方程（1）；經(jīng)過推導(dǎo)，由式（2）計算出車長。

（1）

（2）

2.3.3 算法流程

圖6所示為算法流程。其中定義了一個狀態(tài)變量process，用來保證超聲波傳感器執(zhí)行的是上升沿、下降沿檢測，同時可以防止傳感器失靈、誤觸而導(dǎo)致程序錯誤運行。如圖6所示，2個傳感器同時檢測上方是否有物體。而只有傳感器1識別到車頭，并且再次識別不到車尾后才可讓傳感器2進行識別，防止傳感器2比傳感器1先行觸發(fā)。process=2，傳感器2工作，判斷車輛是否在其上方，若是，則process變?yōu)?，檢測何時車尾經(jīng)過，并在傳感器2檢測不到車尾后開始根據(jù)已有數(shù)據(jù)計算車長。

此設(shè)計按照類似狀態(tài)機的執(zhí)行順序，使得程序按照檢測步驟循序漸進執(zhí)行，防止某一環(huán)出錯導(dǎo)致檢測失敗。

3 系統(tǒng)測試

選取測試對象為小轎車（型號為奔馳e300L），依次按照4 km/h、20 km/h、40 km/h、60 km/h和80 km/h車速行駛經(jīng)過此裝置，得出車長測試結(jié)果見表2所列。

經(jīng)資料查詢，該型號車輛標(biāo)準(zhǔn)長度x為5 078 mm，可以看到車速在4 km/h時測量值較為準(zhǔn)確，車長測量值隨車速增加而遞減，根據(jù)公式（3）對不同車速下的測量值做誤差分析，得到誤差率結(jié)果：

（3）

由于測試時不能保證行車速度不變，而汽車在測試時勻速行駛是準(zhǔn)確測量車長的必要條件，所以3次測量值均存在誤差。此外，如圖7所示，當(dāng)車速增加時，誤差率增大。經(jīng)過簡要分析，考慮是因為超聲波傳感器發(fā)送方波時存在時間間隔，并且探測范圍有一定的感應(yīng)角度，因而導(dǎo)致此

誤差。

4 結(jié) 語

本文對基于MQTT協(xié)議的營運車輛安全預(yù)警提示裝置進行了詳盡的介紹和分析，并且探討了其在智慧交通領(lǐng)域中的應(yīng)用，以期用簡易的車長判別方法識別大小車，并且對營運車輛駕駛員進行提示，防止其由于長途駕駛而產(chǎn)生疲勞駕駛行為造成交通安全隱患。同時，對于檢測超長車輛，本裝置也有一定的參考價值。本文認(rèn)為，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，物聯(lián)網(wǎng)智慧交通管理設(shè)備將在未來的交通運輸領(lǐng)域發(fā)揮越來越重要的作用。因此，建議政府和企業(yè)在未來的交通運輸規(guī)劃中積極推廣物聯(lián)網(wǎng)智慧交通管理設(shè)備，搭建物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)環(huán)境，并注重設(shè)備的研發(fā)和創(chuàng)新，以推動交通運輸行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

注：本文通訊作者為劉翌新。

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[10] Seeed Studio Inc.Wio Terminal介紹[EB/OL].https：//wiki.seeedstudio. com/Wio-Terminal-Getting-Started/.

收稿日期：2023-04-03 修回日期：2023-05-11

作者簡介：劉翌新（2002—），男，北京人，就讀于北京工業(yè)大學(xué)電子信息工程專業(yè)。

謝婧婷（2002—），女，北京人，就讀于北京工業(yè)大學(xué)通信工程專業(yè)。

李小松（1996—），男，河北人，碩士，就職于公安部道路交通安全研究中心。