基于NB-IoT技术的压敏车流检测器研究.pdf
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1、2023年/第8期 物联网技术全面感知 Comprehensive Perception13基于 NB-IoT 技术的压敏车流检测器研究顾发慧(安徽理工大学 电气与信息工程学院,安徽 淮南 232000)摘 要:随着汽车保有量急剧增加,给道路交通带来了越来越严重的压力。因此,亟需一个能够高效、实时地解决交通拥堵问题的智能交通指挥策划系统。本文基于 NB-IoT 无线技术,以 STM32 微处理器为控制核心,使用压敏传感器对来往车辆进行计数、测速等,通过 NB-IoT 无线技术将数据上传到云平台,并对上传信息进行处理,能 24 h 实时感知道路车况信息。由此可积累数据以便交通管理者在未来进行交通
2、灯时长设计与交通预测,防止交通堵塞。关键词:车流检测;压敏传感器;物联网;NB-IoT 技术;STM32;交通预测中图分类号:TP39 文献标识码:A 文章编号:2095-1302(2023)08-0013-020 引 言近年来,私家车的数量呈爆发式增长,以至于道路拥堵成为交通问题的主要方面。在上下班的高峰期,给人们的正常生活和社会秩序造成严重的影响。因此,解决道路拥堵问题迫在眉睫1-4。如今车流检测器有很多,例如通过雷达测算车辆所在车道、车速以及车型分类5-7,通过车辆红外辐射进行计数8等。但它们在智能化方面仍有不足。本文基于 NB-IoT 无线技术,以 STM32 微处理器为控制核心,使用
3、压敏传感器对来往车辆的行驶数据进行测量,包括车辆计数、车速测量,从而便于人们使用计算机智能算法对道路中的车辆进行分流、疏导,以减轻拥挤压力,为准备出行的人们提供道路信息。1 NB-IoT 技术介绍1.1 概念窄带物联网(Narrow Band Internet of Things,NB-IoT),是物联网通信研究中的重要分支,在创建低功率广域网(LPWAN)的条件下,利用蜂窝数据将低成本设备连接起来,并通过基站收发数据。1.2 特点(1)频段占据小NB-IoT 无线通信频段见表 1 所列。NB-IoT 无线通信所占据的频段很小,能直接在 2G/3G/4G 甚至在未来发展成熟的 5G 网络中部署
4、。(2)连接数量大巨大的连接数量是 NB-IoT 无线通信技术的主要特点之一。该技术的连接节点数是传统的 10 倍到 20 倍,这大大增加了设备的连接数量,为海量节点的系统提供了前提条件。表 1 NB-IoT 无线通信频段频 段中心频 率/MHz上行频 率/MHz下行频 率/MHz运营商B5850824 849869 894中国电信B7900880 915925 960中国联通、中国移动(3)传播范围大相较于传统的 4G 技术,NB-IoT 无线通信技术覆盖的纵深更深,增益有 20 dB 之多,是传统 4G 技术的 100 倍;并且通过 NB-IoT 技术传播的数据信号能够轻松到达地下深处。(
5、4)绿色节能NB-IoT 技术通常使用低能耗的模式,在使用间断性工作设备时,其内部的储备电能能够支持其工作数年甚至 10 年 以上,非常符合如今绿色节能的时代主题和环境要求。(5)工作稳定由于 NB-IoT 技术使用的网络频段在语言、数据带宽等方面有所不同,不会与其他网络发生频段冲突。因此,物联网设备在工作时更具有稳定性和可靠性9。(6)经济实惠由于采用 NB-IoT 技术的数据采集设备采购价格不高,且不需要中间商,所以具有较好的经济性。随着该技术市场范围的扩大和设备生产力水平的提高,相关设备价格也会降低。1.3 层次架构(1)感知层顾名思义,感知层是由红外、雷达、光学等多种传感器设备组成的,
6、作用是从自然界通过识别和采集获取物理信号。收稿日期:2022-09-21 修回日期:2022-10-19DOI:10.16667/j.issn.2095-1302.2023.08.004物联网技术 2023年/第8期 全面感知 Comprehensive Perception14(2)网络层网络层由窄带网络管理平台与云平台构成,负责将从感知层获取的信号及时地传输到应用层,起到了信号与数据的传输作用。(3)应用层应用层是基于感知层和网络层的更高一层次的架构,负责对感知层采集的数据进行加工处理,以达到管理、控制、操作的最终目的。2 系统组成与原理本设计采用了基于 NB-IoT 技术的车流量检测器,
7、可根据测量的数据对道路中的车辆进行测速和计数。压敏传感器会在汽车车轮压过时记录车辆信息。由于是对机动车进行检测,需要通过设置压力阈值来防止误把非机动车等物体造成的压力计算在内。测得的信号在经过数模转换后被传入微处理器,微处理器将这些信号处理后通过 NB-IoT 无线技术发送,并与中心节点相结合,实现数据传输。最后,用户终端通过串口通信获取来自中心节点的数据,就可以动态实时监测各车道车流量、车辆速度,并且根据合理的计算推测出道路的拥堵度,便于交通管理者判断是否出现交通事故等交通问题。系统总览流程如图 1 所示。3 硬件概述系统硬件总体设计如图 2 所示。系统通过主控模块对自主传感器模块和 NB-
8、IoT 无线通信模块进行程序控制,再由锂电池构成的电源模块对整体设备供电。图 1 系统总览流程 图 2 系统硬件总体设计(1)主控模块本设计的主控模块选取 STM32F103 系列微控制器,其内核是 ARM Cortex-M3,而该内核性价比很高,且能源损耗较低。相较于 51 单片机来说,其能实现的功能更多,可接入更多的外围设备,工作速度更快,且编写程序实现了模块化,工作效率大大提高。因此,STM32F103 更加符合本设计需求。(2)电源模块电源模块由锂电池、保护电路和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,由于单片机需要5 V 供电,就需要由升压电路对电压进行升压
9、处理10;保护电路在充电和放电时对锂电池起保护作用,防止电芯电压不稳定而造成设备损坏。(3)自主传感器模块采用前后双排的压敏电阻阵列,这样的设计有 3 个目的:第一,利用车辆行驶过两个压力传感器的时差,计算出车辆行驶的速度;第二,由于汽车拥有两排或是更多排轮胎(如大型货车),为了防止重复计数,利用压力相等(可设置误差阈值)原则判断为同样一辆车,从而减小误差;第三,可以根据车辆压过前后传感器的顺序判断车辆行驶的方向。(4)NB-IoT 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,云平台用来储存通信数据。4 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
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