基于物聯(lián)網(wǎng)的交通運(yùn)輸綜合應(yīng)用平臺(tái)設(shè)計(jì)

王朋 吳非 張四海 孫永良

摘要：由于交通運(yùn)輸綜合應(yīng)用信息量龐大，現(xiàn)有平臺(tái)對(duì)信息的處理能力較低，無(wú)法對(duì)其進(jìn)行有效的處理，不能滿足交通運(yùn)輸?shù)膶?shí)時(shí)性要求。本文設(shè)計(jì)了基于物聯(lián)網(wǎng)的交通運(yùn)輸綜合應(yīng)用平臺(tái)。試驗(yàn)證明，所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)運(yùn)行效率高，采集的運(yùn)輸信息更為準(zhǔn)確，綜合應(yīng)用性強(qiáng)。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng);交通運(yùn)輸;綜合應(yīng)用;應(yīng)用平臺(tái)

中圖分類號(hào)：TP393? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1 引言

當(dāng)前，在交通綜合應(yīng)用平臺(tái)方面進(jìn)行了大量的研究，取得了一些成果。在此基礎(chǔ)上，張玨、王亞萍采用極限閾值判斷采集的傳輸信息變化范圍是否超出預(yù)定的閾值，如超出則認(rèn)為可能會(huì)發(fā)生傳輸。[1]該方法相對(duì)簡(jiǎn)單，但由于缺乏精確的確定閾值的方法，且僅憑經(jīng)驗(yàn)判斷，導(dǎo)致綜合應(yīng)用的結(jié)果可靠性低。張玉婷、趙海濤等分別設(shè)置不同類型的變壓器。用模糊規(guī)則代替交通信息的真實(shí)值，通過(guò)模糊推理確定節(jié)點(diǎn)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)交通信息的綜合應(yīng)用。[2]該方法運(yùn)行時(shí)間短，但需要給出判斷運(yùn)輸信息中是否存在運(yùn)輸現(xiàn)象的模糊規(guī)則，導(dǎo)致綜合運(yùn)用結(jié)果不準(zhǔn)確。萬(wàn)芳、黎光宇等采用短時(shí)運(yùn)輸失法對(duì)得到的特征流進(jìn)行處理，從而分析交通運(yùn)輸信息，實(shí)現(xiàn)綜合交通信息的綜合應(yīng)用。[3]但是，該方法不能得到準(zhǔn)確的流量計(jì)數(shù)，最后導(dǎo)致綜合應(yīng)用所得到的結(jié)果是基于特征關(guān)系的粗糙結(jié)果，不能滿足平臺(tái)精度要求。賈如春通過(guò)模擬交通信號(hào)提取特征對(duì)比交通信息，實(shí)現(xiàn)了交通信息的綜合應(yīng)用[4]。但這種綜合應(yīng)用方式過(guò)于簡(jiǎn)單，運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)，不適合于實(shí)際應(yīng)用。

本文針對(duì)以上方法的不足，設(shè)計(jì)了基于物聯(lián)網(wǎng)的交通運(yùn)輸綜合應(yīng)用平臺(tái)，給出了其總體架構(gòu)，主要包括交通綜合應(yīng)用子系統(tǒng)和物聯(lián)網(wǎng)子網(wǎng)。試驗(yàn)證明，所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)運(yùn)行效率高，采集的運(yùn)輸信息更為真實(shí)，綜合應(yīng)用效果可靠。

2 基于物聯(lián)網(wǎng)的交通運(yùn)輸綜合應(yīng)用平臺(tái)總體設(shè)計(jì)

交通運(yùn)輸業(yè)的綜合應(yīng)用平臺(tái)與其他信息平臺(tái)不同，它的整體設(shè)計(jì)、監(jiān)控和實(shí)施都是以交通運(yùn)輸業(yè)為特定的工業(yè)生產(chǎn)背景進(jìn)行的[5-6]。所以，要使基于物聯(lián)網(wǎng)的交通運(yùn)輸綜合應(yīng)用平臺(tái)最終實(shí)現(xiàn)商業(yè)運(yùn)營(yíng)，就必須根據(jù)規(guī)范的交通運(yùn)輸綜合應(yīng)用流程進(jìn)行平臺(tái)設(shè)計(jì)。圖1顯示了設(shè)計(jì)的平臺(tái)總體結(jié)構(gòu)。

3 交通運(yùn)輸綜合應(yīng)用子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該平臺(tái)以交通綜合應(yīng)用子系統(tǒng)為基礎(chǔ)，主要包括信息捕捉模塊和互感器模塊。

3.1 互感器配置

這部分使用WAT44互感器收集運(yùn)輸信息（例如溫度、濕度、污染物含量等）。WAT44互感器采用COMS工業(yè)工藝微處理技術(shù)，保證了輸送信息的準(zhǔn)確性。圖2顯示了WAT44互感器電路圖。

圖2所示的WAT44互感器包括電容型聚合物濕度測(cè)量元件、隙型測(cè)溫元件和電壓型測(cè)污量元件，其結(jié)果將14位/D互感器的輸出信息轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的數(shù)值模型。這種互感器體積小、能耗低，完全滿足了平臺(tái)設(shè)計(jì)要求。

3.2 信息捕捉卡配置

系統(tǒng)采用NI公司PCI-6224信息捕捉卡。多功能信息捕捉卡基于PCI總線，可完成32路模擬信號(hào)的采集。系統(tǒng)需要一張信息捕捉卡，可以同時(shí)采集64個(gè)數(shù)字信號(hào)，并進(jìn)行外部觸發(fā)。PCI6224的數(shù)字接口沒有時(shí)鐘源和觸發(fā)功能，只能采集32個(gè)模擬信號(hào)[7]，因此這部分采用了外部觸發(fā)器來(lái)控制捕捉卡。收集卡1自己作為外部時(shí)鐘源輸出脈沖頻率。采集卡1與連接終端采集卡2外部連接，計(jì)算機(jī)通過(guò)軟件編程保證托管采集卡2的采集同步。

3.3 SK725芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

SK725芯片是信息捕捉模塊的核心，適用于各種信息捕捉卡的現(xiàn)場(chǎng)綜合應(yīng)用信息捕捉，有信息驗(yàn)證和匯總的功能。

該芯片主要由ADC和采集支架兩部分組成，提供5 V基準(zhǔn)電壓參考、基準(zhǔn)緩沖和高速并行芯片外接口[8]。

選擇DSP245884作為SK725芯片的CPU。在DSP245884中，AD404使用GPIO引腳提供PWM信號(hào)，即轉(zhuǎn)換信號(hào)。

AD404的工作過(guò)程是：在開始處理信息之后，將邏輯最高位設(shè)置為1，再設(shè)置為0，然后轉(zhuǎn)換出模數(shù)電壓值。將其與輸入值比較，在下次比較之前先修正它，直到處理完最低有效位信息為止。

4 物聯(lián)網(wǎng)子網(wǎng)設(shè)計(jì)

4.1 物聯(lián)網(wǎng)子網(wǎng)結(jié)構(gòu)

信息量龐大的交通綜合應(yīng)用平臺(tái)自身處理能力不足。這一部分介紹了物聯(lián)網(wǎng)子網(wǎng)。為了滿足交通運(yùn)輸綜合應(yīng)用平臺(tái)的實(shí)際需求，設(shè)計(jì)了物聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)。

如圖3所示，物聯(lián)網(wǎng)子網(wǎng)的架構(gòu)主要包括訪問(wèn)層、應(yīng)用接口層、基礎(chǔ)管理層和存儲(chǔ)層。以下是具體分析。

首先是最低的存儲(chǔ)層。這個(gè)層是信息傳輸中心，是物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)構(gòu)建的基礎(chǔ)[9-10]。該系統(tǒng)主要包括服務(wù)器、存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。存儲(chǔ)層使用底層的存儲(chǔ)管理平臺(tái)，使得傳輸?shù)男畔⒖梢员槐４娴礁鞣N存儲(chǔ)設(shè)備中。常用的存儲(chǔ)設(shè)備是價(jià)格低廉的PC，它們通過(guò)高速網(wǎng)絡(luò)相互連接。

基礎(chǔ)管理部門主要負(fù)責(zé)提供操作系統(tǒng)服務(wù)，這也是最困難的部分。使用集群、分布式文件系統(tǒng)和邏輯管理技術(shù)實(shí)現(xiàn)信息傳輸?shù)幕竟芾?。這樣就允許多個(gè)存儲(chǔ)設(shè)備共同為外部世界提供相同的服務(wù)，從而提高信息傳輸?shù)脑L問(wèn)性能。

業(yè)務(wù)傳輸、信息傳輸、物聯(lián)網(wǎng)子網(wǎng)和信息庫(kù)層之間的信息接口是應(yīng)用接口層。接口層首先對(duì)用戶的需求進(jìn)行分析，根據(jù)用戶的具體需求提供相應(yīng)的服務(wù)接口;這個(gè)層是物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)中最靈活的部分。

接入層提供了自主管理的軟件服務(wù)，主要包括輔助決策顯示、最佳路徑顯示、交通信息資源共享、交通信息備份、交通站點(diǎn)服務(wù)、交通信息融合等功能。訪問(wèn)層為用戶提供了一種特殊的計(jì)算環(huán)境，使用戶能夠完全控制信息和程序。每個(gè)授權(quán)用戶都可以登錄并享受多種物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)。

4.2 物聯(lián)網(wǎng)子網(wǎng)程序

通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)子網(wǎng)內(nèi)部的IP地址來(lái)完成信息的傳輸和交互，使得用戶運(yùn)行的應(yīng)用能夠處理不同實(shí)例間的通信資源，提高工作效率。為在不同類型的交通專題信息庫(kù)中實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)交通物聯(lián)網(wǎng)綜合應(yīng)用程序信息處理子網(wǎng)并保存實(shí)時(shí)交通信息流屬性值，本部分設(shè)計(jì)了完善的物聯(lián)網(wǎng)子網(wǎng)運(yùn)行流程，見圖4。

5 試驗(yàn)分析

5.1 試驗(yàn)運(yùn)行環(huán)境

為驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的物聯(lián)網(wǎng)交通綜合應(yīng)用平臺(tái)的有效性，需對(duì)其進(jìn)行相關(guān)的試驗(yàn)分析。以嵌入式平臺(tái)為例，在圖5所示的環(huán)境中進(jìn)行了試驗(yàn)分析。

為方便試驗(yàn)分析，采用DatGen信息生成工具生成了交通赤潮綜合應(yīng)用要素的種類和范圍。試驗(yàn)環(huán)境如下：一個(gè)中心站點(diǎn)選擇一個(gè)Intel Ben PC，一個(gè)本地站點(diǎn)由Sitsang板和一個(gè)Intel Ben PC組成。

5.2 運(yùn)行時(shí)間測(cè)試

運(yùn)行時(shí)間是衡量平臺(tái)運(yùn)行效率的重要指標(biāo)。在試驗(yàn)環(huán)境中，利用平臺(tái)和嵌入式平臺(tái)對(duì)運(yùn)輸信息進(jìn)行綜合應(yīng)用，結(jié)果如圖6所示。

如圖6所示，隨著需要集成的流量信息量的逐步增加，課題設(shè)計(jì)平臺(tái)和嵌入式平臺(tái)的運(yùn)行時(shí)間也在逐步增加。但是，相對(duì)于嵌入式平臺(tái)，課題設(shè)計(jì)平臺(tái)增長(zhǎng)率明顯偏低，說(shuō)明該平臺(tái)運(yùn)行時(shí)間短，相比較而言運(yùn)行效率高。

5.3 交互式信息量測(cè)試

復(fù)雜的外部條件會(huì)導(dǎo)致實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間延時(shí)，從而極大地降低了實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。這就需要對(duì)平臺(tái)進(jìn)行大量的交互測(cè)試。交互性越好，反映交通分布的信息越真實(shí)，綜合應(yīng)用的效果越好。表1描述了當(dāng)兩個(gè)平臺(tái)集成時(shí)所產(chǎn)生的交互信息的數(shù)量和準(zhǔn)確性。

從表1的分析中可以看出，不管信息集多少，課題設(shè)計(jì)平臺(tái)的交互信息量都高于嵌入式平臺(tái)，表明課題平臺(tái)收集到的交通信息更為真實(shí)。

5.4 交通運(yùn)輸綜合應(yīng)用結(jié)果比較

本文平臺(tái)與嵌入式平臺(tái)相結(jié)合的應(yīng)用結(jié)果與實(shí)際交通狀況的對(duì)比如圖7所示。

由圖7的分析可知，在本文平臺(tái)綜合應(yīng)用中，出現(xiàn)了兩次高峰，與實(shí)際綜合應(yīng)用情況一致。但在嵌入式平臺(tái)的綜合應(yīng)用中，只有一次高峰，與實(shí)際情況不符。經(jīng)驗(yàn)證，平臺(tái)綜合應(yīng)用效果更可靠。

6 結(jié)論

課題設(shè)計(jì)了一個(gè)基于物聯(lián)網(wǎng)的交通運(yùn)輸綜合應(yīng)用平臺(tái)，給出了其總體架構(gòu)，主要包括交通運(yùn)輸綜合應(yīng)用子系統(tǒng)和物聯(lián)網(wǎng)子網(wǎng)。對(duì)交通綜合應(yīng)用系統(tǒng)中信息捕捉卡、互感器以及SK725芯片的設(shè)計(jì)過(guò)程進(jìn)行了詳細(xì)的分析。傳感設(shè)備向信息捕捉卡發(fā)送獲取的交通綜合應(yīng)用信息，采集卡將結(jié)果發(fā)送給AD7076芯片。將處理后的信息存儲(chǔ)于物聯(lián)網(wǎng)子網(wǎng)中進(jìn)行處理。給出了物聯(lián)網(wǎng)子網(wǎng)的具體架構(gòu)和工作流程，并對(duì)關(guān)鍵實(shí)現(xiàn)代碼進(jìn)行了設(shè)計(jì)。試驗(yàn)證明，所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)運(yùn)行效率高，采集的運(yùn)輸信息更為真實(shí)，綜合應(yīng)用效果可靠。

（責(zé)任編輯：陳之曦）

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