基于微氣象環境監測系統的高速公路交通安全預警研究

基金項目：2022年度廣西高校中青年教師科研基礎能力提升項目 “基于磁場定向控制無刷電機的驅動系統研究與應用”（編號：2022KY1129）；2022年度廣西高校中青年教師科研基礎能力提升項目“基于大數據視域下貨運物流運輸安全應用平臺的研究”（編號：2022KY1130）

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

摘要：文章研究提出了一種基于微氣象環境監測的高速公路交通安全預警系統。該系統實時監測風速、風向、溫度、濕度、降雨量等參數，并結合機器學習算法預測可能對道路安全構成威脅的惡劣天氣條件，具有推動高速公路安全運營的積極意義。

關鍵詞：微氣象環境監測；預警系統；高速公路交通安全；機器學習

中圖分類號：U492.8

0 引言

高速公路在我國的經濟發展和社會進步中扮演著重要角色，但隨著高速公路里程不斷擴大，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險，可能導致人員傷亡和財產損失。因此，提升高速公路交通安全水平和研究先進的預警技術具有極其緊迫的現實意義。微氣象環境監測技術已成為高速公路交通安全預警的重要手段之一，通過實時監測氣象條件、路面溫度、濕度等因素，并結合機器學習算法分析數據來及時預警交通事故的潛在風險因素，從而有效降低事故率和損失。

本文旨在研究基于微氣象環境監測系統的高速公路交通安全預警技術，通過歷史數據的收集和分析，建立數據挖掘模型，進一步完善交通安全預警模型，并驗證和應用于實際案例。

1 系統結構

如圖1所示，該系統包含道路環境信息和綜合處理及預警兩個子模塊，其核心是基于STM32單片機搭建的微氣象環境監測系統。硬件方面采用485數據總線模塊、NB-IoT無線通信模塊以及多種傳感器，如溫濕度傳感器、風速傳感器、風向傳感器、氣壓傳感器、雨量傳感器和光照傳感器等^［1］，用來采集和處理環境信息。各個傳感器都通過485數據總線連接在一起，并將采集到的數據通過NB-IoT模塊上傳至云平臺并存入數據庫。利用云計算中心的強大處理性能，對接收到的數據進行分析與建模，并推送路況信息至高速公路調頻廣播。該技術方案有望為高速公路交通安全領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 系統硬件設計

為滿足微氣象環境監測系統在高速公路路段中長時間連續運行的需求，本文采用太陽能板和蓄電池組成的綜合供電系統，以保障系統的連續穩定運行。同時，在系統設計中設置了相關的保護措施，如電流短路、過壓保護等，以進一步確保系統的可靠性和安全性。為降低系統的功耗并提高其穩定性和可靠性，利用低功耗器件來減少系統的能耗。通過以上技術手段，成功地解決了高速公路環境取電困難的問題，并確保微氣象環境監測系統在實際應用中的連續穩定運行。

2.1 微氣象環境監測系統主控

微氣象環境監測系統的核心主控采用STM32L475VET6芯片，基于ARM Cortex-M4內核的低功耗微控制器，集成多種外設和接口，以支持模擬數字轉換器、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，包括停機模式、休眠模式和備份模式等，以滿足不同應用場景的需求。由于其高性能和低功耗的優勢，STM32L475芯片廣泛應用于智能家居、醫療保健、工業自動化、智能交通、物聯網等領域^［2］。

在本設計中，STM32L475VET6芯片的串口1用于日常調試，串口2連接485總線模塊，用于讀取各個傳感器的數據，串口3則用于與NB-IoT進行連接并與云服務器進行數據通信。此外，將PC2設置為模擬輸入以采集蓄電池電壓。

2.2 485總線模塊

在本設計中，傳感器與主控通過485總線進行連接。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，從而保證傳輸數據的可靠性（見圖2）。通過485總線連接多個傳感器時，可以實現遠距離、高速率、可靠性強的數據傳輸，適用于工業自動化、樓宇自控、智能家居等領域。

485總線中采用了MAX3485芯片來完成收發器的實現。MAX3485是一款具有高速、半雙工、RS-485/RS-422集成收發器的芯片，能夠支持數據傳輸速率達到10 Mbps，并且具有過電壓和短路保護等特性。在圖2中，RXD、TXD連接到主控芯片的串口2的接收和發射引腳。主控通過MAX3485芯片接收和發送各個傳感器的數據。D2、D3則是TVS保護二極管，起到對傳感器輸入電壓進行保護的作用。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則構成數據收發的自動切換電路，當發送和接收時，將數據從一個方向轉換到另一個方向，以保證數據傳輸的可靠性。

2.3 NB-IoT模塊

NB-IoT模塊采用上海穩恒電子科技有限公司生產的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標準指令集。該模塊提供了多種接口，如UART串口、USB、SPI等，并支持TCP/IP協議棧和AT指令集，方便用戶進行數據通信和控制。此外，該模塊還具備安全功能，包括TLS/SSL加密、IP過濾和數據加密等，以確保數據傳輸的安全性。該NB-IoT模塊還支持超低功耗模式，在Active模式下發射電流為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行數據交換。

2.4 溫濕度傳感器模塊

本設計中采用了瑞士Sensirion公司的SHT20數字溫濕度傳感器，它是一款集成了溫度和濕度傳感器元件、模擬數字轉換電路（ADC）、信號處理單元、EEPROM以及數字接口電路等核心部件的高精度傳感器。SHT20具有低功耗、高穩定性和快速響應等優點，并支持I2C總線通信協議，適用于許多需要高精度溫濕度測量的場景，如氣象觀測、工業自動化和航空航天等領域。在本設計中，溫濕度傳感器模塊通過485總線與主控進行連接，使用獨立的單片機將SHT20傳感器的IIC數據讀取出來，并將其轉換為485總線數據，從而實現數據的傳輸。具體電路連接如圖3所示。在圖3中，U3單片機通過P3.2、P3.3與SHT20進行連接，將數據讀取出來，并通過P3.1、P3.2傳輸至U4的485轉換芯片，J1則直接連接至485總線中。

3 系統軟件設計

在本設計中，微氣象環境監測系統采用了體積小、高效、易用的開源RT-Thread實時操作系統。該系統支持多種處理器架構和硬件平臺，并提供了TCP/IP協議棧、文件系統、通信協議、加密解密算法等豐富的軟件組件和庫。RT-Thread采用模塊化設計，用戶可以按需要選擇相應的模塊進行裁剪，以滿足不同應用場景的需求。

3.1 主控程序設計

在本設計中，主控模塊主要通過使用三個線程來處理傳感器數據及與云平臺的數據交換。

（1）一條線程負責讀取數據總線上的傳感器數據，并將其保存到內存中。該線程使用Modbus-RTU協議通過485總線從傳感器中讀取環境參數數據，然后將數據存儲在內存中以備后續上傳。

（2）另一條線程專門負責與NB-IoT程序模塊進行通信，從而將數據上傳到云平臺。該線程使用NB-IoT模塊與云平臺進行通信，并將讀取到的傳感器數據上傳至云平臺。

（3）第三個線程是程序監視模塊，它負責監視各個模塊是否正常運行，并確保不會發生沖突或異常情況，從而保證整個系統的穩定性和可靠性。這些線程各自獨立運行，且彼此不影響。通過多線程的方式，可以充分利用STM32L475VET6單片機的資源和處理能力，實現對環境參數的實時監測和數據采集，并能夠滿足不同應用場景的需求。

3.2 傳感器數據的采集

本設計采用Modbus-RTU協議作為總線協議，并使用485總線進行傳輸，以提高數據傳輸效率和可靠性。Modbus-RTU協議是一種常見的串行通信協議，支持多達255個設備連接到同一個總線上，并且具有簡單易用、穩定可靠的特點。在本設計中，只需要讀取傳感器的輸出數據，因此僅需使用03功能碼即可滿足傳感器數值的讀取^［3］。

該協議規定了請求/應答的數據幀格式，根據不同的傳感器地址和寄存器讀出相應的傳感器數值。數據幀格式如表1所示。

在微氣象環境監測系統中，主控模塊作為主機，而傳感器模塊則作為從機。主控通過485總線使用Modbus-RTU協議與傳感器通信，定時讀取的方式是通過主控設置定時器周期來觸發讀取操作，實現對環境參數的實時監測和數據采集，提高了系統的可靠性和精度。該設計方案能夠滿足不同應用場景的需求，并能夠應對各種復雜環境下的實時監測需求。

3.3 NB-IoT數據傳輸

微氣象環境監測系統的傳感器數據通過NB-IoT模塊將數據傳輸至云平臺，該模塊主要連接在主控的串口3上。通過串口3發送AT指令將模塊設置成CoAP協議，其具體的命令如下：

AT+NCDP=服務器地址，端口號

AT+NRB

AT+NSMI=1

AT+NNMI=2

AT+NMGS=3，313233

在該模式下，只需要設置服務器地址和端口號，即可實現串口設備通過NB73-BA直接發送數據到指定的CoAP服務器，模塊也可以直接接收來自服務器的數據并將信息轉發至串口設備。數據傳送過程中的協議轉換模塊自動完成^［4］。其工作流程如圖4所示。

4 測試與分析

在本設計中，為驗證微氣象環境監測系統的可行性和穩定性，系統在設計的過程中進行大量的模擬實驗，反復地驗證程序的準確性及可靠性。測試地點位于G72泉南高速公路三岸服務區，通過NB-IoT模塊將溫度、濕度、風向、風速、降雨量等數據上傳至云平臺。在平臺上，傳感器自動采集時間間隔設置為1 min，并設置告警閾值以及短信和郵件推送功能。此外，在根據告警等級進行分級后，可選擇采用調頻廣播、交通誘導屏等廣播方式，以確保預警信息能夠及時傳播。

根據圖5所示，當前環境溫度為37.1 ℃，相對濕度為65.7%RH，風向傳感器輸出0～7檔數據，現在為1檔，表明當前的風向為東北風，風速為1.3 m/s，同時無降雨出現。通過測試，發現系統運行平穩，采集到的數據具有較高的準確性和可靠性。通過上傳的當前環境數據和歷史數據表明，該系統能夠根據數據分析結果對道路交通狀態進行實時預測和評估，并發出相應的預警信息，從而避免了可能導致交通事故發生的不利因素。

5 結語

本文描述了微氣象環境監測系統在高速公路環境信息采集中的應用，并從硬件層、數據鏈路層、應用層三個方面闡述實施方案。該系統利用多種傳感器設備采集公路沿線的交通氣象參數，結合交通安全預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境監測系統以大范圍獲取公路沿線的交通氣象參數，實現道路天氣數據的實時監測、分析和預警處理。此外，該系統具有安裝簡單、成本低、攜帶方便等優點，是解決高速公路沿線交通氣象信息采集和應用問題的理想工具。通過歷史數據進行交通環境安全的評估可以進一步提升交通安全預警管理水平，從而保障人們在出行中的安全。

參考文獻

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收稿日期：2023-04-06