一种基于NB-IoT技术的高速公路路况信息自动采集装置的制作方法

本实用新型涉及信息采集装置技术领域，具体的说是一种基于NB-IoT技术的高速公路路况信息自动采集装置。

背景技术：

威胁高速公路运营的主要因素包括大雾、低能见度、暴雨、结冰、积雪和大风等灾害性天气，泥石流和塌方等地质灾害，以及道路破损、障碍物和行车事故等突发状况，因此需要对高速公路路况进行有效监测并及时发出预警信息，以保证行车安全。由于高速公路的特点是地域覆盖广阔，沿途地形复杂，因此高速公路路况监测设备面临传输距离远、设备接入点数量大、组网复杂等难题。

3GPP标准组织针对电力系统、公共设备设施的远程监视和控制等应用需求提出了一种新的蜂窝通信技术：NB-IoT(Narrow Band Internet of Things，窄带物联网)。NB-IoT是物联网领域的一个新兴技术，支持低功耗设备在广域网的蜂窝数据连接，同时也支持待机时间长、对网络连接要求较高设备的高效连接，它具有覆盖广、连接多、速率快、成本低、功耗低、架构优等特点，可以广泛应用于多种垂直行业，如远程抄表、资产跟踪、智能停车、智慧农业、智慧安防、共享单车、智能家居等领域。

现有的高速公路路况信息采集设备通常采用有线通信或者传统蜂窝无线技术与监控中心进行通信。有线通信方式需要铺设长距离的通信线缆，线缆铺设繁琐且成本高。传统无线通信方式可容纳的连接数量有限，可扩展性差，而且无线通信功耗大。现有方案多采用市电供电，需要将电线铺设到监测点附近，然后将220V市电转换成低压直流电后给路况信息采集设备供电。另外，现有路况信息采集设备功能单一，无法对气象信息、路况信息、突发事件信息同时进行监测和采集，因此无法对路况进行综合预判。

高速公路路况信息采集设备现有的技术方案的缺点包括：其采用的有线通信方式需要铺设长距离的通信线缆，线缆铺设繁琐且成本高；采用的传统无线通信方式可容纳的连接数量有限，可扩展性差，而且无线通信功耗大；采用市电供电，电线部署工作量大且价格昂贵；设备功能单一，无法对路况进行综合预判。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的上述不足之处，本实用新型要解决的技术问题是提供一种基于NB-IoT技术的高速公路路况信息自动采集装置。

本实用新型为实现上述目的所采用的技术方案是：一种基于NB-IoT技术的高速公路路况信息自动采集装置，包括：用于对采集的路况信息进行处理和存储并定时上传的主控制器、用于提供电能的太阳能电池、用于对高速公路沿线的气象信息进行采集的气象数据采集仪、用于对高速公路的路表信息进行采集的路表状况检测仪和用于采集高速公路路面图像并进行路面状况判断的远程高分激光摄像机；所述主控制器连接太阳能电池、气象数据采集仪、路表状况检测仪和远程高分激光摄像机。

所述气象信息包括气温、风速、风向、湿度、雨量、能见度、路面路基湿度中的一种或若干种。

所述路表信息包括路表温度、水层厚度、冰厚、雪厚中的一种或若干种。

所述路面状况判断包括判断路面是否有异物、塌陷裂纹、路面路基损坏、地质灾害以及突发交通事故中的一种或若干种。

所述主控制器包括：CPU模块、无线通信模块、外设接口模块、信号调理模块、存储模块、LCD显示模块、按键模块、电源模块和时钟模块；

所述CPU模块连接无线通信模块、信号调理模块、存储模块、LCD显示模块、按键模块、电源模块和时钟模块；所述电源模块连接无线通信模块、外设接口模块、信号调理模块、存储模块、LCD显示模块、按键模块、电源模块和时钟模块，用于连接太阳能电池；所述信号调理模块连接外设接口模块，所述外设接口模块用于连接气象数据采集仪、路表状况检测仪和远程高分激光摄像机；

所述CPU模块用于通过信号调理模块、外设接口模块接收采集的气象信息、路表信息、路面状况和按键模块的输入信息，并进行逻辑判断，同时将判断结果发送给无线通信模块和LCD显示模块；

所述无线通信模块用于通过无线方式将CPU模块处理后的信息按照 NB-IoT窄带物联网协议发送给监控中心，同时接收监控中心的远程控制命令并转发给CPU模块；

所述信号调理模块用于接收气象数据采集仪、路表状况检测仪、远程高分激光摄像机采集的原始信息，并将原始信息调理成CPU模块能够识别的电信号；

存储模块用于存储CPU模块的处理完的信息，以待定时上传给监控中心；

LCD显示模块用于显示所述路况信息自动采集装置的运行状态以及告警信息；

按键模块用于输入用户设置的信息；

时钟模块用于为CPU模块提供系统时钟和睡眠时钟。

所述CPU模块采用嵌入式处理器ARM芯片，型号为STM32H743。

所述无线通信模块采用海思Boudica 120芯片。

所述外设接口模块通过RS232串口连接气象数据采集仪，通过RS485串口连接路表状况检测仪，通过RS485串口连接远程高分激光摄像机。

所述电源模块包括用于将48V直流电压转换为24V直流电压的第一直流变压器、用于将48V直流电压转换为5V直流电压的第二直流变压器、用于将48V 直流电压转换为3.6V直流电压的第三直流变压器、用于将48V直流电压转换为 3.3V直流电压的第四直流变压器。

本实用新型具有以下优点及有益效果：

1、本实用新型能够对高速公路的气象信息、路况信息、突发事件信息进行自动采集和处理，并通过NB-IoT蜂窝通信将采集信息定时上传给高速公路监控中心，能够对路况进行更加科学准确的预判，有效地提高了高速公路运营效率和安全系数。

2、本实用新型具有部署灵活、通信距离远、功耗低等特点，在高速公路路况监测方面具有非常广泛的应用前景和市场价值。

3、本实用新型采用NB-IoT蜂窝无线通信以及太阳能电池供电，因此组网布设时无须铺设线缆，节省了人力物力，显著地降低了公路运营成本。

4、本实用新型功耗低且通信距离远，采用的NB-IoT无线通信芯片正常待机耗电只需毫瓦(mW)级，功耗很小，而且由于能够进行远距离无线传输，因此比传统的蜂窝无线技术覆盖范围大。

5、本实用新型数据传输安全性更高，NB-IoT基于专用频谱、空口双向鉴权及严格加密，提供电信级别的安全可靠能力，保障用户数据的传输安全性。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为本实用新型的电源模块的结构示意图；

图3为本实用新型的时钟模块的结构示意图；

图4为本实用新型的外设接口模块的结构示意图；

图5为本实用新型的信号调理模块的结构示意图；

图6为本实用新型的CPU模块和存储模块的结构示意图；

图7为本实用新型的主控制器的工作流程图；

图8为本实用新型的无线通信模块、CPU模块、存储模块的连接结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。

如图1所示，本实用新型给出的一种高速公路路况信息自动采集装置，由主控制器1、太阳能电池2、气象数据采集仪3、路表状况检测仪4、远程高分激光摄像机5五部分组成。主控制器1由CPU模块101、无线通信模块102、外设接口模块103、信号调理模块104、存储模块105、LCD显示模块106、按键模块107、电源模块108、时钟模块109等模块组成。在电气连接上，CPU模块101分别与无线通信模块102、LCD显示模块106、按键模块107、信号调理模块104、时钟模块109、电源模块108相连；电源模块108与太阳能电池2以及其他所有模块均相连；信号调理模块104分别与CPU模块101、外设接口模块103相连；外设接口模块103分别与气象数据采集仪3、路表状况检测仪4、远程高分激光摄像机5相连。

主控制器1的作用是对采集的路况信息进行处理和存储，并定时上传给监控中心。同时，主控器1依据设置的预警阈值对采集信息进行逻辑判断，若超过预警阈值则立即向监控中心发送预警信息，通知监控中心开启高速路沿线的预警提示标识。

CPU模块101采用嵌入式处理器ARM芯片，型号为STM32H743，是主控制器1的核心，其作用是接收采集的路况信息和按键模块107的输入信息，并进行逻辑判断，同时将判断结果发送给无线通信模块102和LCD显示模块106；

无线通信模块102采用华为海思Boudica 120芯片，其作用是通过无线方式将CPU模块101处理后的路况信息按照NB-IoT窄带物联网协议发送给监控中心，同时接收监控中心的远程控制命令并转发给CPU模块101；

外设接口模块103的作用是将气象数据采集仪3、路表状况检测仪4、远程高分激光摄像机5连接至主控制器1上，分别通过RS232、RS485、RS485串口通信协议接收信息，而且为三种信息采集仪器供电；

信号调理模块104的作用是接收气象数据采集仪3、路表状况检测仪4、远程高分激光摄像机5采集的原始信息，并将原始信息调理成CPU模块101能够识别的电信号；

存储模块105的作用是存储CPU模块101的处理完的路况信息，以待定时上传给监控中心；

LCD显示模块106的作用是显示路况信息自动采集装置的运行状态以及告警信息；

按键模块107用来输入用户设置的预警阈值等信息；

太阳能电池2和电源模块108为路况信息自动采集装置的所有模块提供电源；

时钟模块109为CPU模块101提供系统时钟和睡眠时钟；

气象数据采集仪3对高速公路沿线的气温、风速、风向、湿度、雨量、能见度、路面路基湿度等气象情况进行自动采集；

路表状况检测仪4对高速公路路表温度、水层厚度、冰厚、雪厚等路表情况进行自动采集，用于判断路表水、冰、霜等状态，通过各种路表参数计算道路湿滑和摩擦系数；

远程高分激光摄像机5进行图像分析处理，用于判断路面是否有异物、塌陷裂纹、路面路基损坏、地质灾害以及突发交通事故等状况。

原理说明：首先是太阳能电池2给本实用新型所有电路模块供电，使各个电路模块正常运行。用户通过LCD显示模块106和按键模块107与本实用新型进行人机交互，以设置预警阈值和查看本装置的运行状态以及告警信息。气象数据采集仪3、路表状况检测仪4、远程高分激光摄像机5三种仪器将采集的路况信息分别通过RS232、RS485、RS485串口通信协议发送给主控制器1，由主控制器1对路况信息进行处理和存储，并定时通过NB-IoT窄带物联网协议将路况信息发送给监控中心；同时，主控器1依据设置的预警阈值对路况信息进行逻辑判断，若超过预警阈值则立即向监控中心发送预警信息，通知监控中心开启高速路沿线的预警提示标识，这种突发上传的优先级高于定时上传的优先级。

动作关系：本实用新型的技术方案通过以下几个步骤来实现：

A1)太阳能电池2给电源模块108提供+48V电源，电源模块108将+48V 的电源转换成多种低电压电源以使得本实用新型中的其他电路模块正常工作。

A2)CPU模块101正常工作后，对其他电路模块进行初始化配置，并开始处理信息、进行逻辑判断。

A3)用户通过LCD显示模块106和按键模块107与本实用新型进行人机交互，以设置预警阈值和查看本装置的运行状态以及告警信息。

A4)气象数据采集仪3、路表状况检测仪4、远程高分激光摄像机5三种仪器分别将采集的路况信息发送给主控制器1。

A5)主控制器1对路况信息进行处理，将处理结果保存到存储模块105中，并定时通过NB-IoT窄带物联网协议将路况信息发送给监控中心。

A6)主控器1依据设置的预警阈值对路况信息进行逻辑判断，若超过预警阈值则立即向监控中心发送预警信息，通知监控中心开启高速路沿线的预警提示标识，并在本实用新型的LCD显示模块106中显示预警信息。

如上面实施步骤A1所述，如图2所示，太阳能电池2给电源模块108提供 +48V电源。电源模块108由直流变压器1、直流变压器2、直流变压器3、直流变压器4组成；直流变压器1将+48V电源转化成+24V电源，分别给气象数据采集仪3、路表状况检测仪4、远程高分激光摄像机5三种仪器提供+24V电源；直流变压器2将+48V电源转化成+5V电源，给LCD显示模块106提供+5V电源；直流变压器3将+48V电源转化成+3.6V电源，给无线通信模块提供+3.6V 电源；直流变压器4将+48V电源转化成+3.3V电源，分别给信号调理模块104、存储模块105、按键模块107、时钟模块109提供+3.3V电源。

如上面实施步骤A2所述，时钟模块产生25MHz和18kHz两种时钟频率，如图3所示，分别给CPU模块101的ARM芯片提供系统时钟和睡眠时钟；CPU 模块101正常工作后，分别对无线通信模块102和LCD显示模块106进行初始化配置；CPU模块101开始处理信息、进行逻辑判断。

如上面实施步骤A4所述，如图4所示，气象数据采集仪3对高速公路沿线的气温、风速、风向、湿度、雨量、能见度、路面路基湿度等气象情况进行自动采集，并将采集信息通过RS232串行通信协议发送给主控制器1的外设接口模块103；路表状况检测仪4对高速公路路表温度、水层厚度、冰厚、雪厚等路表情况进行自动采集，用于判断路表水、冰、霜等状态，通过各种路表参数计算道路湿滑和摩擦系数，并将采集信息通过RS485串行通信协议发送给主控制器1的外设接口模块103；远程高分激光摄像机5进行图像分析处理，用于判断路面是否有异物、塌陷裂纹、路面路基损坏、地质灾害以及突发交通事故等状况，并将采集信息通过RS485串行通信协议发送给主控制器1的外设接口模块 103。

如上面实施步骤A5所述，信号调理模块104将外设接口模块103传输过来的路况信息进行调理后，发送给CPU模块101，如图5所示；CPU模块101对路况信息进行处理，并将处理结果保存到存储模块105中，如图6所示；CPU 模块101定时通过RS232串行通信协议将路况信息处理结果发送给无线通信模块102；由无线通信模块102将路况信息通过无线方式发送给监控中心。

如上面实施步骤A6所述，如图7所示，CPU模块101将用户设置的预警阈值与采集到的实时路况信息进行比较，判断是否有警情；若实时路况信息超过预警阈值，则立即将预警信息和存储在存储模块105中的路况信息通过无线通信模块102发送给监控中心，如图8所示，通知监控中心开启高速路沿线的预警提示标识，这种突发上传的优先级高于定时上传的优先级；CPU模块101判断出发生预警情况后，控制LCD显示模块106显示预警信息；如果警情持续存在，则持续突发上传预警和路况信息，如果警情解除，则恢复定时采集和发送路况信息的上传方式。

以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，根据本实用新型的技术方案及其实用新型构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。