摘 要：隨著智慧交通、車聯(lián)網及車路協(xié)同技術的發(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。本文旨在研究與設計一種在物聯(lián)網（IoT）環(huán)境下實現(xiàn)營運車輛判別、對駕駛員提醒預警的裝置。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器，并通過MQTT協(xié)議通信；本文詳細探討了其功能和技術特點以及其在交通安全管理場景中的應用，以期為物聯(lián)網交通管理領域的應用提供參考和借鑒。

關鍵詞：物聯(lián)網；智慧交通；營運車輛；MQTT；Wio Terminal；安全預警

中圖分類號：TP212 文獻標識碼：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，交通問題已經成為經濟社會發(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為基礎的交通運輸系統(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。而電子信息技術為智慧交通的發(fā)展帶來了重大的變革，物聯(lián)網、移動互聯(lián)、云計算等技術在交通領域的發(fā)展和應用，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83%。因此，為了提高駕駛安全性，對于大車研究和開發(fā)相關的技術和裝置已經成為一個非常重要的

課題。

1 背 景

1.1 MQTT

MQTT協(xié)議是ISO標準（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程設備以及相對糟糕的網絡環(huán)境而設計的消息協(xié)議[1]。該協(xié)議使用Last Will和Testament特性通知有關客戶端異常中斷，具有提供一對多消息發(fā)布，解除應用程序耦合，TCP/IP提供網絡連接，對負載內容屏蔽消息傳輸?shù)忍匦訹2]。其主題是應用信息上的附加標簽，需要發(fā)揮其作用構建發(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，服務器為消息代理。MQTT傳輸?shù)南⒂芍黝}（Topic）和負載（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容；Payload代表訂閱者具體所需要的內容[4]。MQTT協(xié)議基本結構如圖1

所示。

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

確保消息到達一次，可以運用在一些嚴格計費的系統(tǒng)中[5]。

MQTT協(xié)議的功能如下：

（1）會話（Session）：服務器與客戶端在狀態(tài)交互的過程中存在會話功能，可跨越多個連續(xù)網絡實現(xiàn)。當清除會話（Clean Session）處于0的位置時，代理服務器需將此時會話狀態(tài)作為基礎，對客戶端間的通信路徑予以恢復。若會話存在丟失問題，則應在最短時間完成新的會話構建[6]，服務器設備應當將客戶端質量級別為QoS 1和 QoS 2的消息作為狀態(tài)信息進行保存。當Clean Session位于1的位置時，代理服務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質量，同時在標志位為0時不會存在信息遺漏。

（2）訂閱（Subscribe）：與會話功能形成關聯(lián)，包括最大服務質量（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，可應用到訂閱表達式中，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，支持藍牙和WiFi，是一款適用于物聯(lián)網和嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的產品。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)者能夠快速構建復雜的物聯(lián)網應用程序。其硬件資源包括2.4英寸LCD屏幕、6軸加速度計、麥克風、揚聲器、多個I/O接口以及WiFi和藍牙通信模塊等[10]。Wio Terminal基本結構示意圖如圖2

所示。

2 系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

2.1 總體設計

本系統(tǒng)中的硬件設備包括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服務器、LED顯示屏等，負責發(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，負責感應小車移動位置，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，設備初始化后即可測量。車輛經過始末位的傳感器后，可在Wio Terminal終端收到車長

信息。

2.2 硬件設計

本硬件的設計分為2個終端，終端以無線熱點連接互聯(lián)網并與Eclipse Mosquitto MQTT服務器通信，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。當車輛完全經過第一個終端后，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 軟件設計

2.3.1 程序設計

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服務器地址自動嘗試連接服務器。之后進入算法部分，兩超聲波傳感器會在上方有車輛經過時采集對應時間節(jié)點的信息，經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)預設的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)送對應的控制信號給LED顯示屏顯示相應提示語。

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。當傳感器1檢測到車頭時，此時LED1指示燈亮起，程序調用millis（）

函數(shù)記錄當前的時間節(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）；經過推導，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車速行駛經過此裝置，得出車長測試結果見表2所列。

經資料查詢，該型號車輛標準長度x為5 078 mm，可以看到車速在4 km/h時測量值較為準確，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，當車速增加時，誤差率增大。經過簡要分析，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角度，因而導致此

誤差。

4 結 語

本文對基于MQTT協(xié)議的營運車輛安全預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域中的應用，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。本文認為，隨著物聯(lián)網技術的不斷發(fā)展和完善，物聯(lián)網智慧交通管理設備將在未來的交通運輸領域發(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)網智慧交通管理設備，搭建物聯(lián)網生態(tài)環(huán)境，并注重設備的研發(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。