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(lái)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(xiàn)。本文旨在研究與設(shè)計(jì)一種在物聯(lián)網(wǎng)（IoT）環(huán)境下實(shí)現(xiàn)營(yíng)運(yùn)車輛判別、對(duì)駕駛員提醒預(yù)警的裝置。系統(tǒng)基于Wio Terminal單片機(jī)進(jìn)行嵌入式開(kāi)發(fā)，采用開(kāi)源的Eclipse Mosquitto環(huán)境搭建消息代理服務(wù)器，并通過(guò)MQTT協(xié)議通信；本文詳細(xì)探討了其功能和技術(shù)特點(diǎn)以及其在交通安全管理場(chǎng)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(yíng)運(yùn)車輛；MQTT；Wio Terminal；安全預(yù)警

中圖分類號(hào)：TP212 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2024）04-0-04

DOI：10.16667/j.issn.2095-1302.2024.04.039

0 引 言

近年來(lái)，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(wèn)題已經(jīng)成為經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展面臨的重要挑戰(zhàn)之一。智慧交通是一種以先進(jìn)信息技術(shù)為基礎(chǔ)的交通運(yùn)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(lái)交通發(fā)展的必然趨勢(shì)，也是實(shí)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(lái)了重大的變革，物聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)互聯(lián)、云計(jì)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(cè)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(yùn)交通方面，大貨車駕駛員行駛途中可能存在長(zhǎng)途駕駛疲勞問(wèn)題，據(jù)統(tǒng)計(jì)，疲勞駕駛發(fā)生交通事故占全國(guó)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(duì)于大車研究和開(kāi)發(fā)相關(guān)的技術(shù)和裝置已經(jīng)成為一個(gè)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(jìn)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(duì)糟糕的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境而設(shè)計(jì)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(duì)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(duì)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(huì)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(jí)說(shuō)明見(jiàn)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(wèn)題；至少一次（QoS 1），確保消息到達(dá)，可能會(huì)重復(fù)；只有一次（QoS 2），

確保消息到達(dá)一次，可以運(yùn)用在一些嚴(yán)格計(jì)費(fèi)的系統(tǒng)中[5]。

MQTT協(xié)議的功能如下：

（1）會(huì)話（Session）：服務(wù)器與客戶端在狀態(tài)交互的過(guò)程中存在會(huì)話功能，可跨越多個(gè)連續(xù)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)清除會(huì)話（Clean Session）處于0的位置時(shí)，代理服務(wù)器需將此時(shí)會(huì)話狀態(tài)作為基礎(chǔ)，對(duì)客戶端間的通信路徑予以恢復(fù)。若會(huì)話存在丟失問(wèn)題，則應(yīng)在最短時(shí)間完成新的會(huì)話構(gòu)建[6]，服務(wù)器設(shè)備應(yīng)當(dāng)將客戶端質(zhì)量級(jí)別為QoS 1和 QoS 2的消息作為狀態(tài)信息進(jìn)行保存。當(dāng)Clean Session位于1的位置時(shí)，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(huì)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(shí)在標(biāo)志位為0時(shí)不會(huì)存在信息遺漏。

（2）訂閱（Subscribe）：與會(huì)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(gè)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(gè)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(wú)線連接，同時(shí)也兼容Arduino和Micro-Python。目前，僅Arduino支持無(wú)線連接。它以120 MHz（升壓至200 MHz），4 MB外部閃存和192 KB

RAM運(yùn)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(kāi)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(kāi)發(fā)環(huán)境，以便開(kāi)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(jì)、麥克風(fēng)、揚(yáng)聲器、多個(gè)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(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)中的硬件設(shè)備包括Wio Terminal、傳感器模塊、移動(dòng)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(zhǎng)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(dòng)位置，并發(fā)送至Wio Terminal計(jì)算小車長(zhǎng)度。將程序通過(guò)VSCODE寫入Wio Terminal終端，開(kāi)啟傳感器模塊的電源，連接終端，設(shè)備初始化后即可測(cè)量。車輛經(jīng)過(guò)始末位的傳感器后，可在Wio Terminal終端收到車長(zhǎng)

信息。

2.2 硬件設(shè)計(jì)

本硬件的設(shè)計(jì)分為2個(gè)終端，終端以無(wú)線熱點(diǎn)連接互聯(lián)網(wǎng)并與Eclipse Mosquitto MQTT服務(wù)器通信，實(shí)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(shí)，第一個(gè)終端的電池還為2個(gè)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(shí)現(xiàn)D/A轉(zhuǎn)換，輸入距離量。D2（A2）和D7（A7）引腳接入2個(gè)LED指示燈，用來(lái)指示超聲波模塊是否檢測(cè)到物體。當(dāng)車輛完全經(jīng)過(guò)第一個(gè)終端后，借助終端算法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，將數(shù)據(jù)通過(guò)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(yǔ)顯示到LED顯示屏上。

2.3 軟件設(shè)計(jì)

2.3.1 程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件程序由C++編寫，主要由2個(gè)以Wio Terminal為核心的數(shù)據(jù)發(fā)布和接收節(jié)點(diǎn)以及MQTT服務(wù)器平臺(tái)組成。兩終端的程序流程如圖4所示。發(fā)布終端開(kāi)啟后會(huì)進(jìn)行引腳初始化，并自動(dòng)連接WiFi；接著Wio Terminal會(huì)以給定的MQTT服務(wù)器地址自動(dòng)嘗試連接服務(wù)器。之后進(jìn)入算法部分，兩超聲波傳感器會(huì)在上方有車輛經(jīng)過(guò)時(shí)采集對(duì)應(yīng)時(shí)間節(jié)點(diǎn)的信息，經(jīng)公式運(yùn)算得到車長(zhǎng)數(shù)據(jù)；計(jì)算后的數(shù)據(jù)通過(guò)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(duì)于接收終端，在初始化后同樣執(zhí)行自動(dòng)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(tīng)程序，當(dāng)收到車長(zhǎng)數(shù)據(jù)后，進(jìn)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(zhǎng)，并發(fā)送對(duì)應(yīng)的控制信號(hào)給LED顯示屏顯示相應(yīng)提示語(yǔ)。

2.3.2 算法實(shí)現(xiàn)

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

函數(shù)記錄當(dāng)前的時(shí)間節(jié)點(diǎn)Start_Time（ts）；車輛繼續(xù)行駛至傳感器1檢測(cè)不到車尾時(shí)，此時(shí)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(shí)間節(jié)點(diǎn)為Mid_Time（tm），此時(shí)車輛行駛了一個(gè)車長(zhǎng)x的距離；當(dāng)車輛繼續(xù)行駛至傳感器2檢測(cè)不到車尾時(shí)，LED1、LED2均熄滅，此時(shí)車輛行駛了x+L米，記錄完成時(shí)間

End_Time（te）。

根據(jù)3個(gè)時(shí)間值、已知的傳感器間距L以及速度列出方程（1）；經(jīng)過(guò)推導(dǎo)，由式（2）計(jì)算出車長(zhǎng)。

（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(gè)狀態(tài)變量process，用來(lái)保證超聲波傳感器執(zhí)行的是上升沿、下降沿檢測(cè)，同時(shí)可以防止傳感器失靈、誤觸而導(dǎo)致程序錯(cuò)誤運(yùn)行。如圖6所示，2個(gè)傳感器同時(shí)檢測(cè)上方是否有物體。而只有傳感器1識(shí)別到車頭，并且再次識(shí)別不到車尾后才可讓傳感器2進(jìn)行識(shí)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(cè)何時(shí)車尾經(jīng)過(guò)，并在傳感器2檢測(cè)不到車尾后開(kāi)始根據(jù)已有數(shù)據(jù)計(jì)算車長(zhǎng)。

此設(shè)計(jì)按照類似狀態(tài)機(jī)的執(zhí)行順序，使得程序按照檢測(cè)步驟循序漸進(jìn)執(zhí)行，防止某一環(huán)出錯(cuò)導(dǎo)致檢測(cè)失敗。

3 系統(tǒng)測(cè)試

選取測(cè)試對(duì)象為小轎車（型號(hào)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(guò)此裝置，得出車長(zhǎng)測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2所列。

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

（3）

由于測(cè)試時(shí)不能保證行車速度不變，而汽車在測(cè)試時(shí)勻速行駛是準(zhǔn)確測(cè)量車長(zhǎng)的必要條件，所以3次測(cè)量值均存在誤差。此外，如圖7所示，當(dāng)車速增加時(shí)，誤差率增大。經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)要分析，考慮是因?yàn)槌暡▊鞲衅靼l(fā)送方波時(shí)存在時(shí)間間隔，并且探測(cè)范圍有一定的感應(yīng)角度，因而導(dǎo)致此

誤差。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文對(duì)基于MQTT協(xié)議的營(yíng)運(yùn)車輛安全預(yù)警提示裝置進(jìn)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(jiǎn)易的車長(zhǎng)判別方法識(shí)別大小車，并且對(duì)營(yíng)運(yùn)車輛駕駛員進(jìn)行提示，防止其由于長(zhǎng)途駕駛而產(chǎn)生疲勞駕駛行為造成交通安全隱患。同時(shí)，對(duì)于檢測(cè)超長(zhǎng)車輛，本裝置也有一定的參考價(jià)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(lái)的交通運(yùn)輸領(lǐng)域發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。因此，建議政府和企業(yè)在未來(lái)的交通運(yùn)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(dòng)交通運(yùn)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(jiǎn)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。