基于云平台的智能交通信息采集系统设计——以轨道交通信号实验为例

黄玮，商林

（武汉交通职业学院，湖北 武汉 430065）

0 引 言

近几年，随着国家对各大城市道路建设的大力支持，在城市规模和硬件建设方面发生了明显变化，车流量的迅速增长同时也伴随着交通事故的相继发生，降低事故的发生便成为一大难题，缓解城市交通压力是亟须解决的问题。为改善当前的交通现状，设计一种智能交通信息采集系统，它不仅为交通控制方式的选择提供可靠的信息，而且反映出路况信息，因此，基于以上我国交通的状况，设计一种及时、高效的交通信息采集系统是非常有必要的。

传统的交通信息采集方式有地磁感应线圈、红外、视频等。其中感应线圈是使用最为广泛的车辆检测装置，这种装置技术成熟且计数准确，缺点是感应线圈需要在车辆通过的道路路面下方安置，会对路面造成一定破坏，安装成本较高。而红外、视频等属于光学原理的车辆检测器，安装简单和维护较方便，但是光学信号容易受周围环境和气象的影响，检测结果受冰雾、雨雪等天气影响非常大。随着信息技术和互联网迅速发展，利用无线传感器网络进行交通信息采集，既减少道路的破坏，也避免了天气的影响，而且可以用移动终端在线监测。

1 系统结构

本系统采用传感器技术、控制技术、无线通信技术，计算机技术对道路车流量信息进行实时信息采集，整个系统分成四个组成部分，分别为采集节点、协调器、云平台和移动终端。结构分为三层，即感知层、网络层和应用层。感知层主要进行环境温度、湿度的采集以及各个路口车流量的采集，采用的传感器有HMC 磁传感器、温湿度传感器、RFID射频识别等，这些传感器是获取交通信息最重要的设备，以Wi-Fi 通信模块（ESP8266-12f）作为网络层通信设备，将感知层数据通过无线网络层传送到应用层，应用层基于阿里云平台，对接收的数据进行处理，通过移动终端能够实时获取交通数据，实现功能，系统结构如图1所示。

图1 系统结构图

2 硬件系统设计

硬件系统分为数据采集单元和无线通信单元两个部分，数据采集单元由STM32F103 为主控核心，将传感器与主控核心的IO 连接，通过串口与Wi-Fi 通信模块连接，主控核心将数据由Wi-Fi 通信模块与协调器连接，协调器再将数据传输给上位机和移动终端，可以实时获得车流量和环境数据。

2.1 单片机

硬件系统的核心是STM32F103C8T6 微处理器，是一款低功耗的32 位Cortex-M3 CPU，最高工作频率72 MHz，1.25 DMIPS/MHz，片上集成512 KB 的Flash 存储器，3 个高速12 位的A/D 转换器，多达37 个IO 口，3 组独立的异步串行通信接口。主要负责对传感器的数据的处理和Wi-Fi 通信模块的控制，因为温湿度传感器、磁阻传感器输出模拟量电压需要经过转化，然后由微处理器进行数据的AD 处理，使用一组串口连接Wi-Fi 通信模块，通过串口发送AT 指令进行网络配置和数据传输。

2.2 Wi-Fi 通信模块

本设计的Wi-Fi 通信模块采用安信可ESP8266-12F，该模块在较小尺寸封装了超低功耗32 位微型MCU，带有16位精简模式，集成Wi-Fi MAC/BB/RF/PA/LNA 板载天线，支持标准的IEEE802.11b/g/n 协议，完整的TCP/IP 协议栈，能够将串口数据或者TTL 电平特征的数据转换成无线信号，实现信号的传输，Wi-Fi 通信模块与STM32F103C8T6 微处理器通过串口RXD 和TXD 连接。Wi-Fi 通信模块电路如图2所示。

图2 Wi-Fi 通信模块电路

2.3 传感器采集模块

传感器采集模块包括stm32f103c8t6 微处理器和DHT11温湿度传感器、磁阻传感器、复位电路、Wi-Fi 无线模块组成，主要对当前交通环境温度、湿度以及各个路口车流量的采集，传感器模块与微处理器IO 连接，通过串口和Wi-Fi 模块连接，模块如图3所示。

图3 传感器采集模块图

温湿度传感器采用DHT11 模块，湿度测量范围20%～95%，温度测量范围0 ℃～50 ℃，工作电压3.3～5 V，具有测量准确、稳定、响应快、功耗低的特点，适用于长期使用的环境；

车流量检测采用磁阻传感器，型号为霍尼韦尔HMC1512，HMC1512 工作于3 V 电压下，带宽为0～50 MHz，HMC1512 采用2 个磁阻桥，2 个磁阻桥在物理上相交45 度，共存于一个膜片上，车辆本身含有的铁磁物质会对传感器所在区域的地磁信号产生影响，磁阻桥的阻值随磁场强度变化，输出的电压随之产生相应的变化，当车辆距离磁阻传感器7 m 时，引起的地磁场扰动为1 mGauss 左右，相应的电压变化只有3 μV，需要对原始数据经过放大后再进行AD 转换，经信号分析就可以得到检测路面的车流信息。

2.4 复位电路

当磁阻传感器受到大磁场的干扰时，传感器的输出电压将出现波动，其灵敏度将降低，无法准确检测到车辆信息，为避免干扰无法正常工作，需要将磁阻传感器复位，将脉冲信号施加到HMC1512 芯片自带的内集成置位/复位电流，复位后恢复其原来的高灵敏度，复位电路如图4所示。

图4 通过微处理器控制的置位/复位脉冲电路

本设计中通过微处理器产生一个大于4 A 不小于2 μs的强脉冲信号使磁阻传感器置位/复位。微处理器通过定时器模块输出一个100 ms 的高电平的控制信号给IRF7106 MOS 管，控制MOS 管的导通和截止，产生一个先开后合的开关接点，采用5 V-20 V 电压转换器，从4.7 μF 电容处输出电流脉冲信号，使磁阻传感器置位/复位后恢复到高灵敏度。

2.5 协调器

协调器节点是整个无线网络的核心，是基于ARM Cortex-M4 核心的通信网关，用以管理无线传感器模块，并将传感器模块的数据转换后进行TCP 网络通信，实现数据的上传，是整个无线传感网络的中心节点，每个无线传感器模块的数据都采用带地址码的数据帧，协调器根据接收到的数据的地址码判断是哪个车道检测点发送的数据，这些工作通过上层协议来完成，可保证数据的正常传输，避免丢帧的现象发生。协调器如图5所示。

图5 协调器模块图

3 系统的软件设计

系统软件设计主要完成对传感器采集程序、Wi-Fi 通信模块程序、复位电路定时器，上位机程序设计和移动终端程序设计。

3.1 传感器采集模块程序开发

传感器采集模块程序设计包括传感器初始化、AD 数据处理、Wi-Fi 通信模块初始化和联网，数据发送等。系统上电后首先进行初始化，采集传感器数据，数据处理后通过串口将数据发送到Wi-Fi 通信模块，将数据通过无线路由器传输到协调器，系统每隔5 s 重复以上操作。传感器采集模块程序设计流程如图6所示。

图6 传感器采集模块程序流程图

磁阻传感器数据采集代码：

3.2 云平台服务器

采用阿里云物联网平台搭建云端方案，阿里云物联网平台提供了设备接入的环境，保证了数据的安全可靠的通信能力，同时云端可将数据下发到移动控制终端。此外，阿里云也提供了云数据库存储功能，当云平台服务器接收到传感器采集模块上传的数据后，上位机服务器通过云平台数据实时流转功能进行数据的业务处理并将数据存储，通过API 将数据下发到移动终端APP，云平台功能如图7所示。

图7 云平台功能结构图

4 系统测试

本系统在天气晴朗的环境下在一条双向车道道路进行测试，采集终端监测两个车道，通过无线通信将车流量数据传送到协调器，协调器通过有线网络将数据上传到云服务器。每隔5 s 进行1 次测量，通过系统测量值与人员现场观测值进行对比，对系统的测量精度进行检验，测试数据如表1所示。

表1 交通信息采集数据对比表

通过表1可知，在天气晴朗的5 个时间点进行测量，温湿度相对误差最大0.3%，车流量相对最大误差1.8%，车速测量相对误差最大为1.5%，本系统的测量满足实验精度要求。为获得较为准确的实验数据，分别在3 个不同的路口进行测试，实验对采集的数据进行滤波处理和车辆检测结果统计，如表2所示，提供给数据可以得出：本采集系统的车辆检测正确率可达到96%以上，可以保证很好的检测精度，误差产生的原因可能是磁阻传感器受到外部磁场的干扰，或者无线模块信号受到干扰所致。

表2 车辆检测结果

5 结 论

针对城市交通拥堵的弊端，对传统交通信息采集方式存在的问题进行分析，在物联网相关技术的基础上，设计并实现了一种基于云平台的智能交通信息采集系统，可通过传感器对城市道路车流量进行检测，各终端通过云平台能够实时准确地获取车道交通信息的数据。系统可在现有道路上进行无损安装，成本低廉，稳定可靠，所有监控信息上，能实现随时随地获取多个路口的监控状态，自动生成统计报表，提高管理工作的效率。