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摘 要： 摘 要 ：隨著社會經濟的發展，私家車開始廣泛使用，城市交通擁堵已經成為一個日益嚴重的問題。目前，常規意義上的限車令、限速令等并不能從根本上解決城市交通堵塞問題。鑒于 NB-IoT 具有低功耗、廣覆蓋、大連接的特點，通過 NB-IoT 無線技術設計車流量檢測系統，可以
摘 要 ：隨著社會經濟的發展，私家車開始廣泛使用，城市交通擁堵已經成為一個日益嚴重的問題。目前，常規意義上的限車令、限速令等并不能從根本上解決城市交通堵塞問題。鑒于 NB-IoT 具有低功耗、廣覆蓋、大連接的特點，通過 NB-IoT 無線技術設計車流量檢測系統，可以達到全天候實時監測道路車流量的效果。因此，本文設計了以 STM32 微處理器為控制核心的車流量檢測系統，通過地磁傳感器對道路車輛信息進行全面感知，并使用 NB-IoT 將信息無線傳輸到物聯網服務器平臺，從而對道路車流量數據進行檢測與分析，并且在達到一定峰值時會有報警鈴聲。由此得出的結果便于人們掌握各路段車輛通行規律，預測車流高峰和堵車高峰，為出行的人們提供決策依據。交通管理人員還可以根據長時間的道路觀察，設計交通燈信號長短來解決堵車問題。
關鍵詞 ：車流量 ;物聯網 ;NB-IoT 無線技術 ;自動檢測 ;STM32 ;地磁傳感器
0 引 言
隨著社會經濟的迅速發展，私家車成為更多人的代步工具。路上車輛的不斷增加，導致城市交通越發堵塞，嚴重影響了人們的出行效率。在行車的過程中路況質量也更加受到人們的重視。因此，改善交通秩序和保持道路暢通變得尤為重要 [1-3]。
本文提出用車流量智能檢測 [4] 這項技術配以信息處理和存儲的系統，能夠全天候地工作且精確有效地測評出室外的車流量數據，從而便于人們采取有效的措施來緩解城市交通車輛擁堵的現狀。系統測評出的數據也將為人們選擇出行路線提供重要依據，進而提升人們的出行質量。
1 系統組成與原理
本文根據日常道路狀況，設計出基于 NB-IoT 技術的車流量檢測器。該檢測器結合了 NB-IoT 系統和用于檢測車流量的模塊，能夠準確監控各個車道的車流量、車流速度，并及時發現交通事故。
系統中的地磁傳感器會在有車流經過的時候產生數據。雷達會測算車輛所在車道、車速以及車型分類 [5-7]。地磁傳感器在配合雷達系統后，就能大大提高檢測準確性，降低功耗。測得的信號在變換后會傳入 STM32 處理器。STM32 微處理器會將這些信號轉換成有效的車流量數據，并由 NBIoT 發送端與中心節點相結合進行實時數據傳輸。最后，中心節點接收數據后，通過串口傳輸最后把實時可靠的數據呈現在 PC 端。PC 端就可以動態實時監測各車道車流量、車輛速度，并且計算各時段各車道的占用率，推算是否出現交通事故，形成現代化智能交通系統。系統總覽如圖 1 所示。
2 NB-IoT 技術的適用性
針對傳統的兩類物聯網通信技術，例如 ZigBee、藍牙、 WiFi 等，雖然具有低功耗、低成本的特點，但是它們的傳輸距離都很短 ;再如 3G、4G 這種長距離通信技術往往需要部署多個中繼節點，所以穩定性較差，且耗能巨大。而窄帶物聯網(NB-IoT)作為一種新興的技術大受歡迎，并且它支持低功耗設備在廣域網的蜂窩數據連接 [8]，所以也被叫做低功耗廣域網(LPWAN)。
本文基于 NB-IoT 設計智能車流量檢測器時主要考慮到其以下特點 ：
(1)NB-IoT 物聯網終端采用工業級 NB-IoT 模塊，具有 NB-IoT 的所有特性。
(2)對比短距離的 ZigBee 及藍牙通信技術，NB-IoT 具有低功耗的特點，能夠保證在正常運行功耗 ≤20 mA 時，待機時間遠遠超過以往的物聯網終端，在長期工作狀態下也能保證續航時間達到十年，很好地解決了供電難或無法更換電池的問題。
(3)成本低。目前對于物聯網終端已有對應的基于 NBIoT 的解決方案。
(4)通信的覆蓋面廣，比 GPRS 覆蓋增強 20 dB，提供全面的室內蜂窩數據連接覆蓋，能夠應用于各種較大的環境。
(5) 海量連接。 與現有無線技術相比， 可以提升 50 ～ 100 倍的接入數。一個扇區可以支持 5 萬個連接終端，適合海量接入的場景，完全能夠滿足未來全面推廣相應技術時的需求。
3 硬件設計概述
硬件系統的設計主要包括主控模塊、電源模塊、自主傳感器模塊及 NB 無線通信模塊。系統硬件總體設計如圖 2 所示。
3.1 系統硬件結構
3.1.1 主控模塊
主控模塊使用的是 STM32F103 系列的板。STM32 系列基于 ARM Cortex-M3 內核，而 ARM Cortex-M3 內核是專門為有高性能、低成本、低功耗要求的嵌入式應用設計的。相對于 51 單片機來說，其程序都是模塊化的，接口相對簡單，自身攜帶許多功能，外圍接口豐富，工作速度更快。對于本設計來說，STM32F103 是十分適用的。
3.1.2 電源模塊
電源模塊結構相對簡單，由鋰電池、充放保護電路和 DC-DC 升壓電路三部分組成。其中鋰電池充滿電之后電壓在 4.2 V 左右，由 DC-DC 升壓電路將其升至 5 V 之后對單片機和 NB 無線通信模塊進行供電 ;充放電保護電路在充電和放電時對鋰電池進行保護，防止電芯電壓過高或過低。充電電壓過高會導致電芯失效，嚴重時可能會負極析鋰，正極晶體結構破壞分解，甚至會起火爆炸 ;而電壓過低會導致電池 過放，影響電池壽命 ;長時間低電壓甚至可能導致析銅，電芯失效 [9]。
3.1.3 自主傳感器模塊
自主傳感器模塊采用的是 HMC5883L 地磁傳感器。地磁傳感器是一種新型的檢測車輛信息的儀器，性能好且更加穩定。埋在道路下的線圈主要是用于感受車輛經過時產生的電磁導致的磁場變化，并將引起的電磁變化轉變為清晰的電壓信號，從而去識別車輛 [10]。
3.1.4 NB 無線通信模塊
通過 NB-IoT 模塊指定的通信協議與云平臺之間進行通信，數據一律儲存在 NB-IoT 云平臺的數據庫中。
4 系統軟件設計
4.1 軟件流程設計
軟件系統程序包括系統初始化、定時器模塊、地磁模塊讀數、基準值和閾值更新、狀態更新和多可能狀態機、計數模塊、定時器中斷和上傳云端顯示，如圖 3 所示。該系統的軟件部分主要包括終端節點的軟件設計、NB-IoT 通信協議及應用軟件設計。具體的軟件設計流程如圖 4 所示。
4.2 終端節點軟件設計
本文使用 MCU 來完成終端節點程序，地磁傳感器與 MCU 之間通過 I 2 C 通 信，NB-IoT 模塊與 MCU 之間采用 RS 232 通信。MCU 采用“睡眠—喚醒—睡眠”的循環工作模式，從而達到降低功耗的目的，時間間隔設置為 1 s，喚醒后進行系統自檢，與此同時檢測地磁傳感器收集到的數據是否發生變化。若發生變化，則通過 NB-IoT 把數據發送到 PC 機上，并且每間隔 1 min 將更新的數據顯示在屏幕上 ;否則，會繼續睡眠狀態，等待下一次的喚醒到來。
系統主要通過地磁模塊對實驗數據進行采集，并利用濾波模塊將不需要的信號過濾掉，通過檢測模塊檢測所獲得的值是否大于設定好的閾值，最后由更新模塊更新數據，如圖 5 所示。
4.3 NB-IoT 通信協議
本設計通過 COPA 協議去完成 NB-IoT 模塊與云平臺之間的通信。在此過程中，COPA 協議由 NB-IoT 模塊自動發送，在第一次發送數據時會帶有 NB-IoT 模塊的 IMEI 號上報并注冊到平臺。
4.4 應用軟件設計
NB-IoT 云平臺設置了開放的 API，可以根據需求設計很多不同功能的應用軟件，例如車流量統計、車輛限速等等，進而滿足使用者的多方面需求。
5 結 語
為了緩解城市交通擁堵，本文在已有車流量檢測器的基礎上，通過結合 NB-IoT 無線傳感技術與地磁傳感器，對其進行改進。因為 NB-IoT 技術的部署成本較低，運營網絡是由電信經營商運行，不需要額外部署網關和集中器 ;并且它能夠實時將車流量數據傳輸至云端，有著較大的應用前景，能夠為交通智能化提供便利。——論文作者：周業涵，陳亞輝
參考文獻
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[4] 李欽銘 . 面向智能交通的交叉路口車流量預測技術研究 [D]. 北京：北京郵電大學，2017.
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[10]覃博彬.基于DSP的壓力檢測儀的設計[D].大連：大連理工大學， 2019.