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基于物联网的智能交通系统
摘要：随着互联网的出现，通信网络产生大量的数据，这很大程度上引发了人类的活动。在这基础上，随着物联网等新兴技术的出现，使得大量的设备可以通过互联网络进行连接，从而促进了数据产生的速度。人们预测在未来连接到互联网的设备数量将会超过使用互联网的人数。这就使得大量的数据产出，这就很有必要去管理这些繁杂的数据（大部分都是传感器数据），将其转换为有用的信息，做出智能的预测和使用这些知识来构建一个稳定强大的系统。在本文中，我们展示了在物联网平台的基础上来搭建一个智能交通系统的方法。系统由三个部分组成：传感器系统，监控系统和显示系统。传感器系统包括全球定位系统，近场通信，温度和气象传感器；它一直与互联网相连并通过GSM网络来跟踪公交车的位置及其车上的通勤和氛围。监控系统用来从传感器数据库中提取出原始数据，并将它转换为一个有意义的报文，并为公交车司机提供信息。显示系统是用来将这些环境数据（公交车和路径的相关数据）显示给那些在公交车站等车的乘客。我们描述了我们的原型并论述了怎样使用这个作为基本原理组件来构建一个智能交通系统。
一 介绍
在过去的二十年里，信息技术的快速发展已经对人们的生活方式产生巨大的影响。这些新兴技术的发展特征严格符合人类利益，例如：变得更加紧密，使用更加简单，特征更加丰富，与互联网相连，变得更加快速和智能。经济性传感器的实用性，结合互联网的基础设施的增长使其促成了一个名叫物联网的网络技术，它的目的是实现人与物，人与人，物与物可以随时随地地相互连接。换句话说，在没有或很少的人为影响下设备和应用程序可以有能力自动相互联系。很多人都将注意力转移到物联网行业上，并对此产生了浓厚的兴趣。在这种情况下，将会使大量的各种各样的传感器快速发展，它们将应用于各种各样的工作中，例如：定位传感，天气预报，生物医学应用等许多工作中。许多公司都已经声明要将物联网应用作为未来的发展计划。
智能交通系统在对于发展智能城市中扮演了一个很重要的角色。在如印度等许多发展中国家中，公共交通系统（公交）是大多数城市居民和居住在农村的人的主要出行方式。我们的研究主题是开发一个智能交通系统的模型，它可以通过GPS来追踪一辆汽车，也可通过NFC技术来实现车票的快捷支付和对对车内进行人群分析，并且我们可以使用温度和湿度传感器来对车内的环境来进行测量。
在我们的物联网基础设施中，从传感器采集到的数据会通过互联网进行传输，再通过监控系统进行处理使其变成一个有用的信号并发送到显示系统上（按我们应该的需求）。我们有整个架构分成三个系统即:传感器系统、监控系统和显示系统。传感器系统一直与互联网络相连并通过GSM网络来进行定位和对车内的乘客和环境进行检测，它所涉及到的技术有GPS技术，NFC技术和温湿传感器监测技术。监控系统不仅可以从传感器数据库中提取出原始数据并将其转换为一个有意义的报文，而且还可以在车上触发一些事件，也可以为公交司机提供相关信息。显示系统是用来将这些环境数据（公交车和路径的相关数据）显示给那些在公交车站等车的乘客。
二 相关工作
互联网革命开辟了新技术如普适计算、物联网(LOT)技术,情景感知计算等。研究人员展示了一份关于物联网的情景感知计算技术和较过去的十年而言传感器部署已然显著增长的市场的调查。许多应用的物联网基础设施在教育，娱乐，医疗保健，农业，交通运输，房地产等领域都得到了发展。具体而言，物联网对交通有很大的影响。许多研究人员已经对智能交通系统中的车辆跟踪系统进行了研究。
在文献[2] [3]展示了基于短讯服务技术的车辆跟踪系统从GPS和汽车数据终端系统中来传输纬经度，并在谷歌地图中通过使用Keyhole标记语言（KML）将它们的位置精确的标记出来。研究人员还致力研究基于短讯服务技术的车辆跟踪系统的防盗识别功能和锁定功能。另外，还有一些关于基于互联网的车辆跟踪系统的研究，它是通过HTTP协议（GET方法）将车俩的经纬度信息传输到服务器中。在文献[5]中作者开发了智能手机上的车辆跟踪应用，它可以用手机来对车辆的当前位置进行定位。接着，研究人员整合了应用于公共交通中GPS技术和RFID技术。射频识别（RFID）是通过RFID标签来记录上下车的人流量。从GPS和RFID的采集到的信息可通过无线通信系统进行传输，并且可以与公众共享。
现今，我们更喜欢使用NFC进行支付操作，所谓的NFC技术是一种类似于RFID技术的新兴技术。这种NFC技术操作更加简单，更易于交易。且在像印度和中国这样的国家，人们都慢慢的适应了这种商业应用。NFC可以使手机（发送方）和NFC读取器（接收器/票务提供商）之间进行交易。像谷歌和苹果这样的公司他们会将NFC功能放在智能手机上，从而使支付更加方便简单。在文献[9]中作者开发了一种基于NFC的虚拟票务系统和一个NFC的手机应用程序，这系统将授权于一个合适智能的平台，顾客可以通过这个平台进行购票且在购票的同时会启动一个针对对于交易移动信息设备的程序。
在之前的文献中都提供了一些有关智能交通的见解，但他们没有一个提出或展示出一个完整的系统。通过这篇论文，我们提出了一个新的基于物联网系统的智能交通系统，它可以通过GPS系统来追踪车辆，通过NFC系统来服务顾客，通过温湿传感系统来对公交车内的环境进行感知。在下面的章节中，我们将讨论的系统架构和智能公交车的组成部分，顺着我们的理念，我们将整合所有的智能公交车资源来搭建一个效率高的智能交通系统。
三 系统架构
系统的架构被分为三个部分：传感系统，监测系统，显示系统。所有的操作都是一直以互联网络为支柱而运作的。在这个系统中将会用到各种各样的传感器。所有这些传感器会提供原始的数据，并这些数据将会储存在一个中央数据库中，如图1所示。该原始信息需要仔细监测，分析，然后制作成有意义的报文。最后，这些有用的报文将显示在公众面前。上述的过程是建立在该系统可以自动处理所有问题，执行所有操作的基础上的。
图1 系统的结构
1，传感系统
传感器构成了该系统的大脑。传感器的一个重要功能是采集信息并将这些至关重要的信息发送到监测系统中。传感系统拥有大量用来采集具体信息的传感器。我们从三个重要的层面来将这个传感系统分为三个部分：
- 定位子系统
- 乘客分析子系统
- 环境感知子系统
在下面的章节中，我们将以单个智能公交车为对象来对这几个方面进行具体研究。
A、定位子系统
该定位子系统本质上是一个车辆定位系统，它的功能是让监控系统可以识别出车辆的当前位置。我们的系统将采用三个模快：GPS接收器，全球移动通信系统的调制解调器和一个微控制器来对车辆进行定位。
一个GPS系统是由多个围绕着地球轨道运行的人造卫星组成的。每颗卫星在其主板上都有一个原子钟，因此它可以知道确切时间。这里我们采用的GPS装置是由阿德弗里特工业公司提供的，这是一个低功耗模块，它的工作电流为20MA，是大多数GPS的一半。该GPS装置的灵敏度是-165dBm，更新频率为10hz，拥有66个通信通道，且同时具有内部贴片天线和外部有源天线的连接器。该GPS可以从卫星上捕获到NMEA语言。在捕获到的NMEA语句中我们可以获得经纬度，速度，时间标识等参数。下图展示了一种通过GPS接收器捕获到的NMEA语句。
$GPRMC,194509.000,A,4042.6142,N,
07400.4168,W,2.03,221.11,160412,A*77
Time/ active/ Latitude/direction/
Longitude/direction/speed/
True course/Date/checksum
与此类似，也有其它的句子，从中我们可以捕捉高空，卫星覆盖等等参数信息。
该系统利用由Arduino公司提供的GSM模块，它拥有一个M10的无线电的调制解调器并且可以使用AT命令来与其他设备相连接。 这种M10的解调器是一个四频段GSM / GPRS调制解调器,工作频率为GSM850MHz,GSM900MHz,DCS1800MHz和PCS1900MHz。它通过GPRS连接支持TCP/ UDP和HTTP协议。GPRS数据的下行链路和上行链路传输速度为85.6 kbps。该GSM模块可以帮助我们拨打/接听语音电话，发送/接收短信，并允许通过GPRS无线网络连接互联网。GSM模块在进行操作时，SIM卡是必不可少的。该GPS装置在进行数据通信时的串行端口速率为9600 bps.
微控制器在我们的应用中扮演着一个很重要的角色。其中我们使ATmega328和Atmega2560两种微控制器，它们的接口型号分别为Arduino UNO和Arduino MEGA两种。其软件程序是用C语言来完成设计编写的，将编好的程序储存在微控制器的闪存里。
C，乘客分析子系统
该乘客分析子系统最显著的特征是使用了NFC技术。这个系统由NFC读卡器，Mifare标签，GSM和微控制器这三个模块组成。NFC是一套短距离(通常可达10cm)无线通信技术，它的目的是在两个设备之间提供一种轻量级的和安全的通信。NFC的工作频率为13.56MHz，并且它是在“发起者”和“目标”这个模型周围才能工作的，这个地方也就是发起端会产生一个小型的磁场，且在这个磁场中它会给予目标能量。这就意味着，目标是不需要自带一个能量源的。我们把这个方式也叫作被动通信，它常用于对小型且廉价的且基于标准如ISO14443A的 RFID标签（其工作频率为13.56HZ）进行读取和写入。在我们的实验中我们使用了电可擦只读存储器的容量为1K的典型的Mifare卡和一些典型的设备，而这些器材都是由阿德弗里特工业公司生产的。
在开始乘坐智能公交车前，乘客需要通过自己的Mifare卡来进行申请，这是每个乘客独有的卡。在申请过程中，乘客所有的个人信息（姓名，地址，身份证证明，照片，电子邮件，电话等）被获取，然后会将一个唯一的ID发给乘客。之后，乘客需要在他/她的交通卡上充一些钱，使其交通卡可以使用。这可以通过在线支付网关来完成。在上公交车时，乘客需要将在Mifare卡贴近在NFC读写器并通过Arduino的串行控制台来读取乘客的详细资料，（所示的是概念说明，我们计划很快延伸到触摸屏模块）。一旦提供了乘客的详细资料，它将会被NFC读取器收到，并通过GSM模块发送到数据库。然后将乘客的详细资料连同所需金额（贷记或借记）储存到数据库中和。当NFC支付确认后，车票会通过热打印机打印出来或者是以短信的方式来发到乘客的手机上。
该系统的一个主要优点是，它提供了一个具有成本效益的解决方案（与昂贵的闭路电视的录像方式相比较）来识别和追踪谁曾乘坐一辆公交车，他们的出发地和目的的位置和与他们同行的人数。利用这些详细资料，可以使公交车上发生事故和偷窃的可能性将到最低。
当我们在基于如此数量庞大的有乘客的基础上对该系统进行实际的调度时，有许多挑战需要得到解决。
在我们今后的工作中，我们将会对于这方面大部分的问题进行探索：
- 当我们遇到乘客到了目的地还没下车的情况时该如何应对？我们将通过利用红外线传感器的部署来处理这个问题。举个例子：我们假设这里有m个乘客，他们的出发地是x，他们的目的地是y。所以我们期望那m个乘客可以在y站都下车。我们可以设置一个计数器（irma=m），当我们到达目的地y时，每当红外线传感器检测出有一个人下车时，计数器的总数就减一（即irmax-1）。我们的预测是使irmax的值变成零，若irmax的值不为零那就表示可能存在乘客错过了他的站。之后在下一站irmax值会进行更新。
- 如果Mifare卡丢失了，将会发生什么？对于Mifare卡丢失这种情况，我们将建设一个用来处理这种突发情况的基础设施，在那里我们可以对那些已丢失的卡进行挂失并重新给乘客发放记录着乘客详细信息的新卡。
C．环境感知子系统
在我们的研究中我们也在对分析公交车内部环境方面感兴趣。这是因为在像印度和中国这样的国家中，它们拥有巨大的人口数量和多变的气候条件(不同的地理位置拥有不同的气候)。所以，当许多乘客乘坐一辆公交车时，其车外的气候温度和车内的温度都会在很大的范围内发生变化。我们可以通过安置在车内的温湿传感器来对车内温度进行调节，当温度超过一定阈值时，它将会通过继电器电路自动打开空调或者是提示司机来打开空调，这是因为车内温度已经很高了。在这里，我们使用的是seeedstudio的温度和湿度传感器，它常被安装在树林中，且传感器的测量范围是5%~99%的相对湿度和-40℃~80℃。
此外，我们可以通过氧气和二氧化碳传感器来分析它们对乘客造成的影响。我们未来计划使用上述的措施来衡量空气的质量。
2.检测系统
传感器，服务器和数据库是推动物联网的基础设施的关键部件。我们已经在上文讨论了传感器在这个系统中的应用。所以接下来在下文，我们将研究服务器，数据库和信息处理系统在该系统中所起到的作用。
在我们的物联网的基础设施，服务器是用于存储数据的重要部件之一。这里有用于不同目的不同的服务器。对于我们的系统，我们将会使用一个Web服务器。传感器可以通过IP地址和端口号来连接该服务器。所有的请求和响应都将通过HTTP协议来进行。一旦服务器被连接上，则数据库就时刻准备着接收来自传感器传来的信息。
在这个系统中，我们使用三个MySQL(一种免费的跨平台的数据库系统)数据库系统来接收传感器采集到的信息。其中一个数据库是用来服务位置子系统的，另外两个是用来服务乘客分析子系统和环境感知子系统的。这种数据库系统的操作是十分简单的，只需将每个传感器采集到的信息存到它们各自的数据库中。因此，我们用PHP代码来设计一个网页，这个网页可以接收到来自传感器传输的信息并且通过GSM调制解调器重定向值到它们各自的服务器数据库。
IPS是将原始数据转换
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资料编号：[153928]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
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