面向物聯(lián)網(wǎng)的城市公交信息采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

李靜雅

（長(zhǎng)治學(xué)院 計(jì)算機(jī)系，山西 長(zhǎng)治 046011）

構(gòu)建現(xiàn)代化繁榮的都市是城市建設(shè)的目標(biāo)，便利的城市公交系統(tǒng)是城市繁榮的體現(xiàn)。目前，城市的公交系統(tǒng)普遍是定時(shí)，按點(diǎn)，間隔一定時(shí)間規(guī)律的發(fā)車(chē)，導(dǎo)致公交車(chē)輛在某個(gè)時(shí)間點(diǎn)車(chē)上乘客擁擠，車(chē)下乘客焦急沒(méi)能上車(chē)；而在某些時(shí)間點(diǎn)，車(chē)上只有司機(jī)沒(méi)有乘客，公交車(chē)輛空跑，浪費(fèi)資源[1]。如何更好的服務(wù)乘客，合理的調(diào)度公交車(chē)輛，使乘客數(shù)量大時(shí)，公交車(chē)輛充足，站臺(tái)沒(méi)有乘客時(shí)，公交車(chē)輛可以合理靈活的安排，適當(dāng)減少發(fā)車(chē)數(shù)量，節(jié)約資源，低碳生活。

如何決策公交車(chē)輛的發(fā)車(chē)情況才能更好的滿(mǎn)足乘客的需求？車(chē)輛的行駛情況數(shù)據(jù)信息，車(chē)站臺(tái)的乘客候車(chē)的實(shí)時(shí)信息，未來(lái)乘客乘車(chē)的預(yù)測(cè)等因素都是影響發(fā)車(chē)決策的因素，更好的獲取這些信息，為公交車(chē)輛的合理運(yùn)營(yíng)提供依據(jù)。

物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用信息傳感設(shè)備，按照協(xié)議的約定，把物與物，物與人與互聯(lián)網(wǎng)連接起來(lái)，進(jìn)行通信，以實(shí)現(xiàn)智能化監(jiān)控和管理[2-3]。物聯(lián)網(wǎng)對(duì)信息的全面感知、可靠傳輸和智能處理，可以實(shí)現(xiàn)城市公交系統(tǒng)信息的智能采集管理。本文應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，結(jié)合無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)，RFID等信息采集技術(shù)[3]，設(shè)計(jì)研究公交車(chē)輛的信息采集系統(tǒng)，對(duì)公交車(chē)輛的全天、全周、全月、全年的運(yùn)營(yíng)過(guò)程進(jìn)行全面實(shí)時(shí)的感知，記錄和管理，為公交車(chē)輛的智能化調(diào)度提供數(shù)據(jù)依據(jù)。

1 面向物聯(lián)網(wǎng)的城市公交信息采集系統(tǒng)模型

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于城市公交系統(tǒng)中，主要利用電子產(chǎn)品編碼，海量多種類(lèi)型的傳感器等設(shè)備對(duì)公交車(chē)輛的信息實(shí)時(shí)采集，對(duì)公交站點(diǎn)的信息采集及對(duì)周?chē)h(huán)境的信息采集，將此實(shí)時(shí)信息通過(guò)各種有線、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)融合，實(shí)時(shí)傳遞，按照信息不同，利用云計(jì)算，模式識(shí)別等技術(shù)，在相應(yīng)的處理中心進(jìn)行信息分析，智能處理，共享，交互。要利用處理的信息，可以通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)傳播，實(shí)現(xiàn)對(duì)公交車(chē)輛的智能管理和調(diào)度。面向物聯(lián)網(wǎng)的城市公交信息采集系統(tǒng)模型如圖1。

圖1 面向物聯(lián)網(wǎng)的城市公交信息采集系統(tǒng)模型Fig.1 The model of city public transportation information collection system based on IOT

在圖1所示的模型中，對(duì)于公交信息采集系統(tǒng)而言，將傳感器，RFID、紅外感應(yīng)等數(shù)據(jù)采集[4-5]設(shè)備如何合理的部署在公交站點(diǎn)和公交車(chē)輛上，滿(mǎn)足對(duì)所需信息的準(zhǔn)確實(shí)時(shí)采集是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵之一。傳感器網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)通過(guò)協(xié)議轉(zhuǎn)換有效快速的通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，通信網(wǎng)等傳送到公共網(wǎng)傳輸給應(yīng)用層是傳輸層解決的問(wèn)題。應(yīng)用層的采集系統(tǒng)收集存儲(chǔ)采集來(lái)的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能。信息采集系統(tǒng)的應(yīng)用可以全面掌握各公交車(chē)輛、公交站臺(tái)、天氣等信息，及時(shí)處理發(fā)生的臨時(shí)狀況，采集存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)可以為公交調(diào)度，決策分析等多系統(tǒng)所利用，為公交車(chē)輛的合理安排調(diào)度提供數(shù)據(jù)支撐。

2 公交信息采集系統(tǒng)感知層的設(shè)計(jì)

面向物聯(lián)網(wǎng)的城市公交信息采集系統(tǒng)感知層包含傳感器節(jié)點(diǎn)感知，RFID射頻識(shí)別節(jié)點(diǎn)，視屏攝像等感知節(jié)點(diǎn)，將多種類(lèi)型的感知節(jié)點(diǎn)部署在公交站臺(tái)的監(jiān)測(cè)區(qū)域，對(duì)公交車(chē)輛的基本信息（車(chē)輛名稱(chēng)，牌照，車(chē)輛運(yùn)行的線路），車(chē)輛所到站點(diǎn)信息，站臺(tái)上乘客的信息，公交車(chē)上乘客的信息，車(chē)輛進(jìn)站時(shí)周?chē)沫h(huán)境信息，天氣信息等實(shí)時(shí)采集，通過(guò)采集終端節(jié)點(diǎn)之間的合作，將采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)其它節(jié)點(diǎn)的路由傳輸，經(jīng)過(guò)若干跳傳輸后，到達(dá)匯聚節(jié)點(diǎn)[6]，由匯聚節(jié)點(diǎn)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸傳送到主機(jī)控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)控站臺(tái)環(huán)境的數(shù)據(jù)采集，監(jiān)控站臺(tái)到站車(chē)輛的信息收發(fā)和控制等。信息采集系統(tǒng)感知層結(jié)構(gòu)如圖2。

圖2 信息采集感知層結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Information collection perception layer structure diagram

3 信息采集系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

公交信息采集系統(tǒng)，系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)的體積小，電源攜帶能量有限，應(yīng)滿(mǎn)足低功耗的實(shí)際，可以由CC2430無(wú)線單片機(jī)[7]實(shí)現(xiàn)，選用TI－Chipcon公司生產(chǎn)的2.4 GHZ射頻，符合Zigbee技術(shù)的芯片，具有無(wú)線收發(fā)和編程、存儲(chǔ)、定時(shí)、傳輸[5]等功能，可以滿(mǎn)足要求。節(jié)點(diǎn)使用時(shí)在射頻前端加上功率放大器，使節(jié)點(diǎn)發(fā)射功率達(dá)10 dbm（原先節(jié)點(diǎn)發(fā)射功率為3.6 dbm，通信距離為30～70 m），通信距離為1 000 m左右，滿(mǎn)足站臺(tái)間的距離。傳感器節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 傳感器節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Hardware structure diagram of sensor node

4 信息采集系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

公交信息采集系統(tǒng)采集的信息最應(yīng)保證實(shí)時(shí)性，才有更高的利用價(jià)值。保證實(shí)時(shí)性要求，信息系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)采集信息功能，采用兩種工作方式：定期采集工作方式和喚醒采集工作方式，分別對(duì)各個(gè)站臺(tái)信息周期性的信息采集和緊急情況信息采集。

定期采集：網(wǎng)絡(luò)的各節(jié)點(diǎn)在站點(diǎn)完成布署并形成網(wǎng)絡(luò)后，先廣播一個(gè)睡眠命令，通過(guò)匯聚節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)至各子節(jié)點(diǎn)，各節(jié)點(diǎn)收到之后轉(zhuǎn)入睡眠狀態(tài)，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間，各節(jié)點(diǎn)醒來(lái)，等待數(shù)據(jù)收集命令，各節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，采集信息進(jìn)行收集存儲(chǔ)，完成一個(gè)工作周期。

喚醒采集：當(dāng)傳感器監(jiān)測(cè)的站臺(tái)信息監(jiān)測(cè)有特殊情況時(shí)，傳感器通過(guò)外部電路以中斷的方式喚醒匯聚節(jié)點(diǎn)，然后匯聚節(jié)點(diǎn)，立即采集信息送中央處理器進(jìn)行處理。

5 信息采集系統(tǒng)安全問(wèn)題

公交信息采集系統(tǒng)主要利用無(wú)線傳感網(wǎng)感知數(shù)據(jù)，感知的數(shù)據(jù)對(duì)于實(shí)時(shí)的對(duì)公交車(chē)輛的調(diào)度及利用該信息對(duì)公交車(chē)輛進(jìn)行調(diào)度安排預(yù)測(cè)具有重要的作用。因此，對(duì)無(wú)線傳感網(wǎng)的保護(hù)極為重要，特別是對(duì)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩院碗[私性的保護(hù)[8－9]。最常見(jiàn)的針對(duì)公交信息采集系統(tǒng)無(wú)線傳感網(wǎng)的威脅有對(duì)傳感器普通節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的捕獲，導(dǎo)致通信密鑰泄露，使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的通信造成威脅[9]。傳感器網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)遭遇拒絕服務(wù)，DOS攻擊[9]，DOS攻擊使傳感器節(jié)點(diǎn)資源耗盡，喪失運(yùn)行能力。破壞公共設(shè)施的可能設(shè)置虛假路由信息，通過(guò)篡改路由信息，使路由循環(huán)，引起或抵制網(wǎng)絡(luò)傳輸，延長(zhǎng)縮短源路徑，形成虛假錯(cuò)誤消息，分割網(wǎng)絡(luò)增加延時(shí)，耗盡節(jié)點(diǎn)能量等。公交信息采集系統(tǒng)采集的多個(gè)站點(diǎn)的海量信息，必然對(duì)傳輸信息的安全提出更高要求。海量的站點(diǎn)信息和公交信息還可能會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)擁塞，產(chǎn)生拒絕服務(wù)。信息采集節(jié)點(diǎn)和信息傳輸?shù)陌踩珕?wèn)題亟待解決。

公交信息采集節(jié)點(diǎn)的安全問(wèn)題可以采用應(yīng)對(duì)通信密鑰泄露的密碼密鑰技術(shù)，對(duì)于DOS攻擊可以采用設(shè)置防火墻，啟用防火墻的防DDOS的屬性，限制特定的IP地址訪問(wèn)；對(duì)于DOS攻擊也可以采用日志，定時(shí)檢查網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和主機(jī)服務(wù)器系統(tǒng)的日志，防止日志出現(xiàn)漏洞或時(shí)間變更或及時(shí)修改出現(xiàn)的漏洞和變更，預(yù)防DOS攻擊。對(duì)于虛假路由可以采用安全路由等；對(duì)于傳輸海量信息的安全可以采用加密機(jī)制，對(duì)于由于海量信息造成的網(wǎng)絡(luò)擁塞、癱瘓問(wèn)題，可以采用開(kāi)環(huán)和閉環(huán)控制的擁塞控制機(jī)制，開(kāi)環(huán)控制需要在設(shè)計(jì)公交信息系統(tǒng)時(shí)事先考慮傳輸數(shù)據(jù)量，考慮可能發(fā)生擁塞的因素，采用預(yù)防機(jī)制。閉環(huán)控制采用反饋機(jī)制，檢測(cè)到擁塞發(fā)生，報(bào)告擁塞信息到擁塞控制點(diǎn)，控制點(diǎn)根據(jù)擁塞信息進(jìn)行調(diào)整以消除擁塞等。

6 結(jié) 論

文中針對(duì)城市公交車(chē)輛發(fā)車(chē)按時(shí)間點(diǎn)，按趟發(fā)車(chē)造成資源未能更合理應(yīng)用的問(wèn)題，研究設(shè)計(jì)了面向物聯(lián)網(wǎng)的城市公交信息采集系統(tǒng)，能夠?qū)卉?chē)輛信息、公交站點(diǎn)候車(chē)情況、站點(diǎn)環(huán)境信息等進(jìn)行實(shí)時(shí)采集監(jiān)控，采集的信息為公交車(chē)輛合理調(diào)度提供了依據(jù)。該系統(tǒng)可以廣泛應(yīng)用于各中小城市公交車(chē)輛的信息采集，有助于公共交通系統(tǒng)的智能化信息化。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)[10]的應(yīng)用，物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)已初步發(fā)展并開(kāi)始試點(diǎn)，各行各業(yè)都在物聯(lián)網(wǎng)方面形成一定規(guī)模，統(tǒng)一的物聯(lián)網(wǎng)規(guī)范，安全隱私保護(hù)等仍是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的關(guān)鍵。城市公交信息采集系統(tǒng)得以應(yīng)用并廣泛推廣，除解決本身的信息采集、傳輸和網(wǎng)絡(luò)安全問(wèn)題外，其成本問(wèn)題也不容忽視。物聯(lián)網(wǎng)公共設(shè)施的構(gòu)建，物聯(lián)網(wǎng)統(tǒng)一規(guī)范等更好更快的發(fā)展，將使公交信息采集系統(tǒng)的普及更容易，有助于車(chē)輛的合理調(diào)度，方便市民出行，為大眾提供可信，安全，低碳的服務(wù)平臺(tái)。

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