基于云計算的智能交通信息采集系統設計與實現

鐘國梁 蔡思婕 李帥杰 張哲 曹思蓉 李發英

摘要：智能交通是車與互聯網運用物聯網技術聯系在一起所觸發的產物，簡而言之就是車聯網。該文主要概述了智能交通模型的簡單模型及其實現，包括如何采集信息，如何聯系各個系統及其子程序，可以隨時了解交通和道路天氣的實時動態，也可以根據道路狀況智能地推薦更優化的路線等。該部分主要提出了將智能交通系統和云計算聯系在一起的解決方案，從云計算的角度，描述了智能交通系統云的云架構，如何構建為智能交通系統服務的云服務器，以及如何管理建立好的云服務器，及建立云計算服務管理平臺。該部分還詳細介紹了智能交通系統在云存儲中的數據庫結構，討論了云服務器提供的存儲方式。最后還論述了云存儲安全方面的優越性。

關鍵詞：物聯網;智能交通;數據;信息采集

中圖分類號：TP311? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）04-0001-06

1概述

當前新型信息采集技術有：視頻檢測技術，就是根據視頻圖像檢測車輛運行速度等信息;“GPS定位的采集，根據被檢測車輛上相應的感知設備來確定被檢測車輛所在位置無線射頻識別技術，通過無線電信號進行特定信號的識別，不需要接觸，更加便捷;蜂窩網絡，通過手機信號定位。”[1]

智能交通要解決一系列的問題，例如：交通擁擠、施工、發生車禍等要反映到控制中心并告訴用戶前方擁堵，需提供更優路線供用戶選擇;道路狀況有結冰、多霧，天氣惡劣均要及時采集并通知用戶。為了方便用戶我們必須精確、實時、準確地采集：車流量、道路密度、道路占有率、天氣狀況、道路狀況等信息。為了方便監管人員和用戶的安全我們需要精確、實時、準確地采集：車速、車輛分類、車輛行駛路線等信息。

2智能系統的原理

智能交通的實現是車輛運行的狀態與交通流通過人工調查數據、視頻采集數據、微波采集系統和超聲波采集系統等等一系列的系統進行信息采集，再將采集好的數據傳輸到服務系統，傳輸到服務系統之后由服務系統中的歸一處理程序中的監聽端口進行數據的初始化，并將傳感器傳來的數據進行收集，再進行校對，校對后將數據通過交通流數據存入數據庫中，最后依據管理系統中控制服務系統的程序發送的指令運行，由服務系統將不同的指令傳送到相應的傳感器，完成這一系列操作后就可以退出系統。管理系統中有五個子程序。其中對服務程序的狀態進行控制管理和設置參數的就是服務程序，服務系統中的歸一化處理、控制服務程序和統計車流信息都是由服務程序來管理的。系統的登錄主要是進行用戶是否進行了認證的校驗，校驗通過后可以順利啟動程序，最后再退出程序。參數設置功能包括四個子程序。路網和路口的錄入是把道路的信息導入到數據庫中，檢測器錄入子程序是把檢測器錄入的信息導入到數據庫中并和檢測器表對應，方便靈活采集各種信息。數據的導入和導出程序一般是通過XML的形式來進行，雖然其占用的空間比二進制存儲占用的空間大，但是其簡單易懂，可以通用于各種程序，程序員也可以更加理解程序，方便程序的維護和升級，路網的建立，車流信息的顯示和車流的計算都可以通過路網顯示出來。把道路信息通過圖像顯示出來則是由道路網子程序完成，而車流信息顯示可以在道路網上顯示計算車流量信息。在經過管理系統之后，系統會自動運行，進行數據庫的讀寫最后再存儲。經過這一系列的程序運行達到對所有車輛進行監控，并提供綜合服務的智能系統。

3智能系統涉及的相關技術

3.1“ZigBee”的簡介和特點

“ZigBee”是一種短距離的無線網絡技術。它具有短距離、低功耗、低成本、低速率、短時延、高容量、高安全、免執照頻段的特點。“‘ZigBee’技術運用網狀拓撲結構，應用自動路由、動態組網等方式，可以滿足無線數據通信應用對低數據量、低成本、低耗能、高可靠性的需求?！盵2]“ZigBee”可以點對點、點對多點之間進行通信，同時還可以組建局域網。

3.2“ZigBee”協議棧架構

“ZigBee”協議體系由物理層，MAC層，網絡層和應用層組成。在“ZigBee”技術中，每層相對獨立，每層都有相對應的任務，它們之間的接口通過邏輯鏈路來提供服務。

3.3云計算

云計算是指通過虛擬化技術虛擬資源，建立在互聯網和網絡協議之上的軟件和應用程序。云的部署模型：

公有云：基礎設施為大型企業或公眾提供服務。

私有云：專門為某個私有企業或組織提供基礎設施服務的服務類型，基礎設施的運營由受服務的企業或第三方管理。

混合云：混合云由多種服務類型的云組合而成，不同的云在混合云中相對獨立，單獨地發揮作用，但彼此之間可以通過相應的協議交換數據和移植應用。

3.3.1云的服務模型

基礎設施即服務（LaaS）：“LaaS”提供簡單的基礎設施服務，包括虛擬機，網絡設備等。

平臺即服務（PaaS）：“PaaS”在“LaaS”的基礎上提供操作系統和相應服務的開發框架和應用，以提供給客戶自主開發的能力。

軟件即服務（SaaS）：“‘SaaS’提供‘LaaS’和‘PaaS’提供的全部服務，并在此基礎上提供用戶界面，創造一個完整的開發環境。”[3]

3.3.2智能交通云計算方案

“Laas”云由基礎設施構成的資源層，虛擬化之后的虛擬層和虛擬機裝上操作系統的操作層，最后加上云計算服務管理系統構成。云計算服務管理系統獨立于虛擬服務之外，并提供管理功能。最后加入制作的交通信息管理系統軟件，即可構成“SaaS”服務，為客戶提供全程抽象化的服務。

3.3.3交通云的云計算資源

包括所有的云計算資源，包含基礎設施、網絡、存儲設備等。

云計算管理平臺：管理所有的云計算資源確定何時該提供何種服務，資源如何分配，為系統的運行提供決策。

服務管理平臺：“對系統進行監控，使系統正常運行，同時監控系統參數，為管理平臺管理系統做參考。服務展示：管理者提供一個服務窗口，并展示所有服務，讓客戶根據自身需求購買使用相應的服務?！盵4]

4智能系統的構建

4.1數據的采集

要實現數據的快速采集和數據的智能處理，自動化設備數據采集系統就必須具備三大特性：便捷性、時效性、智能性。從便捷性上，數據采集系統就需要具備支持人員移動辦公，同時減少人為操作，無紙化操作。從時效性上，數據采集系統需要具備數據的快速查詢和處理，包括像單據的快速生成和流程的快速轉換。從智能性上，數據采集系統必須實現自動預警和智能報錯等。以上三點可以有效地避免數據采集時錯誤的發生以及時效的提升，真正實現數據的快速采集和數據的智能處理。

4.2數據的儲存

數據的儲存是當傳感器傳輸的數據到服務系統時，服務系統中的監聽端口會判斷是否有數據，如果有就校驗數據，校驗成功后打開數據庫格式化后寫入數據，若校驗失敗直接把數據寫入數據;若監聽端口判斷沒有數據就直接把數據寫入數據庫。

4.3數據的智能處理

4.3.1車流量的統計

由埋在地下的地磁傳感器、CCD攝像機等圖像傳感器、微波雷達傳感器、超聲波傳感器和紅外傳感器等傳感器同中繼器采用無線通信進行數據傳輸，傳輸的數據主要有：車輛參數、檢測器號和通過該檢測路段的起止時間。監聽端口會按需求讀入交通流原始數據與數據庫中表的數據做對比，進行遍歷。在遍歷的同時根據相關的交通理論和公式運算，可以求出車流量表所需要的數據，例如：平均速度、平均車頭間距、平均車流量等。待遍歷完成后就可以將計算好的數據存入數據庫中的車流量表，就此車流量統計結束。

4.3.2數據的輸入輸出

把數據庫中的各種信息例如：車流量信息、道路網信息、傳感器傳入信息等均以XML的形式進行導入導出，先讀入XML路徑，再讀取根節點，然后依次尋找子節點，進行遍歷讀取，若子節點后仍有數據，再進行遍歷讀取，直到讀取完子節點后沒有所需數據即可結束讀取，完成了數據的輸入，該輸入的逆過程就是數據的輸出。

4.4 “ZigBee”在智能交通中的應用

將計算機與協調節點相連，再將路口的控制機作為一個中心路由節點，而交通信號燈作為一個終端節點，交通信號燈中的傳感器對路口交通情況進行檢測;終端節點對傳感器檢測到的數據進行采集進而沿著中心路由節點、協調節點、計算機;由計算機發出指令繼續沿這條線路返回，最終信號燈按照指令做出改變。

在基于“ZigBee”智能交通信息采集系統中，考慮到交通運輸中的及時性、有效性、準確性和突發性，“ZigBee”近距離無線網絡技術能夠快速、精確、實時，準確對實時數據進行處理，進而將數據傳輸至上位機，對實時情況進行判斷，最后下達指令并執行指令。

4.5傳感器

在智能交通中要考慮多方面的問題，甚至是一些意想不到的突發狀況。這就需要有一些應對的預防措施，以便提前得知當前所處環境的好壞，因此在智能交通行駛中需要對車流量、車速、車輛分類、道路密度、道路占有率、行駛路線、指示牌、指引線、障礙物、天氣狀況等各個方面進行檢測和分析，以期最終能夠達到正常通行的目的。而在這些方面都需要用到傳感器，它可以對用戶需要了解的各個方面做出檢測和分析并將數據傳輸到系統中心進行處理。當今的社會面對著交通擁擠、交通污染等多種問題，這并不是某一個國家所面臨的問題，而是一個全球性的問題。傳感器的廣泛使用能夠節能、減排、保護環境。“傳感器是知識密集、技術密集的產品，其種類十分繁雜。按照原理分類主要包括以下幾種：光敏傳感器、聲敏傳感器、磁敏傳感器、溫敏傳感器、濕敏傳感器等”[5]，如今比較新型的信息采集技術有視頻檢測技術、無線射頻識別技術、GPS定位、蜂窩網絡等。

4.6云計算

4.6.1云計算服務管理平臺

作為云計算系統的核心，服務管理可以通過不同模塊提供不同的服務。

1）用戶請求管理模塊

用戶申請云服務的模塊，用戶可以通過此模塊向系統申請自己想要的服務，由相關審批者審批后，系統將自動為客戶提供服務。

2）鏡像生命周期管理模塊

可以對鏡像進行全生命周期的管理。

3）部署模塊

對操作系統和軟件進行部署。

4）可用性管理模塊

管理平臺性能。

5）備份恢復模塊

備份和恢復鏡像。

4.6.2云服務器的架構

1）基礎設施

包括“CPU”、內存、網絡等一系列需要場地的硬件設備，可以給用戶提供微處理器周期、存儲、網絡寬帶等服務。在此系統中為計算、處理、存儲交通信息提供硬件支持。

2）虛擬化技術

通過將一個“CPU”硬件設備分割為N個，使多個操作系統在一個“CPU”上同時運行，以解決云計算龐大的客戶個體需求。虛擬存儲、虛擬網絡也是這個道理。虛擬化技術可以使有限的硬件設備的功能無限擴大，減少硬件設備資源的消耗與競爭。在交通信息管理系統中的虛擬化可以使得基于云計算的交通信息管理系統不只是監控管理一處的交通信息，而是可以同時管理多地的交通信息。將基礎設施虛擬化后的服務器與云計算服務管理系統具備了“LaaS”（基礎設施即服務）的功能。

3）提供平臺服務

為客戶提供有關智能交通信息管理系統軟件的有關開發環境，允許客戶自定義適合自身情況的信息管理軟件。此時該系統擁有了“PaaS”的功能。

4）提供信息管理軟件服務

在提供基礎設施以及開發環境的基礎上，為客戶提供已經制作好的交通信息管理軟件，使交通信息的管理監控完全抽象化，讓交通信息以簡潔明了的形式出現在客戶面前，讓客戶以簡單易懂的方式管理道路交通。此時，此系統有了“SaaS”的功能。

4.6.3交通信息系統的信息在云服務器上的存儲

1）未托管云存儲

提供者事先確定了存儲的性質，如何使用，用什么應用實現。限制了客戶的自定義能力，但是這種方式對使用者來說，有簡單、方便、可靠的優點。在交通信息管理系統中采用這種方式為使用者提供服務，完美符合SaaS的特性，能與提供的智能交通信息管理系統軟件一起為客戶提供從信息提供到信息存儲一條龍的服務。

2）托管的云存儲

只為客戶提供最基礎的磁盤服務。在交通信息管理系統中采用這種服務，能夠使用戶自定義存儲的類型，能夠讓客戶根據自身交通情況和交互需要的協議條件定義存儲?？梢詾榭蛻艄澥】臻g和資源，建立自己的數據庫。

3）交通信息管理系統云存儲數據庫設計

數據庫邏輯設計：

① 交通流數據——數據庫核心。

② 道路網信息。

③ 傳感器信息。

數據庫組成結構：

①用戶表：用戶名，密碼。

②程序登記表：記錄程序交流的端口和各個程序交通流數據。A.交通流原始數據表：各種傳感器的原始數據。B.車流量表：處理后的各種傳感器記錄的信息。

③道路網信息。A.道路表：道路網的相關信息。B.道路網引索表：某道路網包含的道路網號。C.道路網數據表：各個路口的信息。D.路口類型表：各個路口的基本類型。

④傳感器信息。A.傳感器表：傳感器的相關信息、位置，由始路口到終路口的矢量表示。B.傳感器類型表：傳感器的登記信息。

5數據的采集

5.1車速檢測

多種傳感器都可以檢測車速，但是磁力傳感器和壓電式傳感器等只能間接檢測車速;而微波傳感器可以直接來測定車速。微波傳感器是通過多普勒效應來進行檢測的，傳感器上的雷達探測器向行駛車輛發射微波，微波被車輛阻擋反射回來，發射波通過多普勒效應使頻率發生了偏移，進而將這種偏移信號經過接收、轉換、處理，最后達到檢測車速目的。

5.2車流量檢測

環形感應線圈檢測車流量。感應線圈埋設在路面下，感應線圈形成了一個磁場。無車輛通過時，磁場沒有改變，感應線圈內的電流保持不變;當有車輛停在或通過線圈檢測區域時會使得磁場發生改變，進而使得感應線圈的電流發生改變，檢測電路將變化信號經過處理轉換，計算出車輛的流量。

5.3車輛分類檢測

在對車輛進行分類的檢測時使用紅外傳感器，紅外傳感器可分為主動式和被動式。主動式主要是通過發射出紅外射線，經車輛阻擋反射后通過紅外線檢測器接收到，由于被測車輛的形狀、材料、結構不同，接收到的能量也不盡相同，從而對車輛的信息、類型進行分類;而被動式無須發出紅外射線，只有紅外線接收器，通過接收來自車輛、太陽、地面及其他環境的紅外線，進而確定車輛的信息，對車輛進行分類。

5.4道路占有率檢測

視頻圖像的檢測技術是將視頻圖像處理和計算機圖形識別技術相結合的一項新的技術。視頻圖像傳感器有以處理圖形為主的中心處理器、顯示器和其他組件。某一道路的區域影像通過傳輸線到達圖像信號處理器，中心處理器對格式進行轉換和識別處理，從而得到道路占有率。

5.5行駛路線采集

“GPS”定位的技術具有全球全天候定位、精度高、效率高的優點，可以得到車輛的實時狀態信息，并生成道路網絡地圖。它是由安裝在車輛上的接收器來獲取GPS信號，處理中心將得到的信號轉換和處理從而得知車輛的即時信息，可以很快地對車輛進行定位并生成最優的行駛路線。

5.6天氣狀況檢測

天氣狀況的檢測一般通過對周圍環境的溫度和空氣濕度等進行檢測分析，主要用溫度傳感器和濕度傳感器來檢測天氣狀況。溫度傳感器對周圍溫度進行檢測，內部的電阻受熱會產生變化，溫度的不同也會使得電阻不同，處理中心會將這種變化信號轉換和處理分析并在顯示器上顯示出來。濕度傳感器也是如此，它內部有一塊感濕膜，水蒸氣吸附在感濕膜上時，元件的電阻會發生變化，處理中心將這種變化信號進行格式轉換和處理分析并在顯示器上顯示出來。

6數據庫涉及的實體及其之間的聯系

在一個系統中，通常有多套實體組合來構成數據庫的總體關系，下面列舉幾個常見的關系圖。

1）停車系統收費：

2）監控抓拍系統：

3）違規違章繳費扣分系統：

以上只是一些非常淺顯的部分的圖示，是整個智能交通系統中非常小的模塊，大體上的架構層次的實體圖如圖11所示。其中：

1）應用層：應用層主要包括交通管理系統、用戶服務系統、道路交通管理系統和交通控制系統，分別通過相關接口和下一層級的網絡層連接。

2）網絡層：網絡層即為通信傳輸網絡，其中包括互聯網、移動通信網以及其他專網，通過異構網的融合、“MM”無線接入、資源和存儲相關管理、遠程控制、無線網絡、專用網絡、移動通信網、互聯網等手段實現數據傳遞、數據同步、數據更新等作用。

3）感知層：感知層是在網絡層的通信傳輸網絡獲取信息的基礎上做再加工，對傳感器組網協同信息做出處理，通過GPS、傳感器、EPC編碼、RFID、智能嵌入與納米技術等科技對數據進行采集，再以相關技術進行信息整合?？傮w實體圖如圖11所示。

7云計算存儲安全性的實現

7.1互聯網的容錯性

互聯網被設計成為一種容錯網絡，互聯網本身的特性可以使云抵御攻擊?；ヂ摼W端點和端點之間的路徑是冗余的，同時對消息的傳輸進行封包，可以重新傳輸丟棄或丟失的數據包，而且該數據包可以在不同的路徑上傳輸。所以基于互聯網的云存儲相較于本地儲存可以為交通信息管理系統的信息儲存提供更高的安全性。

7.2云備份

云存儲安全性的另一點關鍵就是可以實現基于互聯網和基礎設施的云備份。時間點備份或快照：數據被備份之后，會頻繁地向被稱為“增量備份”的備份創建提交修改。這種備份會創建原數據的多個副本，以達到將數據恢復到任意時間點的目的。通過使用這種備份方法，交通信息管理系統的數據無論何時，受到哪種破壞，都可以在第一時間通過備份恢復數據。

8結束語

基于云計算的智能信息系統在現有的交通系統上做了一個提升，使現有的更多的技術運用在交通上，給予學生想象發展的空間，鍛煉了自學和思維能力，是一次很有意義的實踐。

參考文獻：

[1] 蘇亞輝.物聯網環境下的智能交通信息采集系統設計與實現[D].鄭州：解放軍信息工程大學，2014.

[2] 億佰特物聯網應用技術專家.“Zigbee”技術的基礎原理[EB/OL].[2021-06-30].https：//baijiahao.baidu.com/s？id=1669818889641194045&wfr=spider&for=pc.

[3] 王霞.基于云計算的快遞物流管理系統的研究[D].大連：大連海事大學，2015.

[4] 鄭重.云計算在網絡教學平臺中的應用[J].產業與科技論壇，2013，12（18）：211-212.

[5] 彭杰綱.現代傳感器技術概述“ppt”課件[EB/OL].[2021-06-30].https：//www.docin.com/p-2311417882.html.

收稿日期：2021-08-25

基金項目：2021年度湖南省大學生創新創業訓練計劃項目（項目編號：湘教通2021[197]3651）

作者簡介：鐘國梁（2001—），男，湖南耒陽人，本科在讀，主要研究方向為單片機和傳感器;蔡思婕（2003—），女，湖南邵陽人，本科在讀，主要研究方向為單片機和傳感器;李帥杰（2000—），男，湖南湘鄉人，本科在讀，主要研究方向為單片機和傳感器;張哲（2001—），男，湖南常德人，本科在讀，主要研究方向為單片機和傳感器;曹思蓉（2002—），女，湖南益陽人，本科在讀，主要研究方向為單片機和傳感器;李發英（1972—），女，湖南臨武人，講師，碩士，主要研究方向為物聯網應用和計算機網絡。