IPv6車聯(lián)網(wǎng)校車視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

高龍琛，丁 月，陳永紅，劉 政，邢建平

（1.山東大學(xué) 微電子學(xué)院，山東 濟(jì)南 250101；2.濟(jì)南市城市公共客運(yùn)管理服務(wù)中心，山東 濟(jì)南 250013）

0 引 言

隨著國家經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對教育行業(yè)的投入逐年增加。但由于缺乏有效監(jiān)管，校車事故頻繁發(fā)生。自2013年起，我國校車傷亡事件數(shù)量逐年上漲，單起事故的傷殘率與死亡率由2013年的3.5人/起、0.75人/起上升至2016年的13.38人/起、2.25人/起，給社會造成了極大危害[1]。因此，排除安全隱患，對校車進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控刻不容緩。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展帶動車聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的興起。大量車輛接入互聯(lián)網(wǎng)，將自身內(nèi)部信息通過網(wǎng)絡(luò)傳輸至聯(lián)網(wǎng)服務(wù)端平臺，以保證車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的實(shí)時運(yùn)作。傳統(tǒng)的車聯(lián)網(wǎng)終端加入互聯(lián)網(wǎng)通過使用GPRS模塊接入IPv4網(wǎng)絡(luò)，WebGIS（網(wǎng)絡(luò)地理信息系統(tǒng)）服務(wù)平臺和數(shù)據(jù)庫也在IPv4環(huán)境中工作。隨著Internet規(guī)模的日益擴(kuò)大，車聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)中各終端對網(wǎng)絡(luò)IP地址數(shù)量的要求越來越大，產(chǎn)生了大量的地址需求，傳統(tǒng)方式已無法滿足當(dāng)前需求。IPv4地址的短缺日益嚴(yán)重，不適用于大規(guī)模車輛加入互聯(lián)網(wǎng)以及車與車之間的網(wǎng)絡(luò)連接。車載終端需要獨(dú)立的IP地址才能與服務(wù)平臺建立對等的通信連接，IPv6網(wǎng)絡(luò)無疑為車聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展提供了一種便捷的技術(shù)路線。在IPv6網(wǎng)絡(luò)下建立車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)車聯(lián)網(wǎng)中人-車互聯(lián)、車-車互聯(lián)的場景，實(shí)時掌握車輛動態(tài)信息，才能有效預(yù)防人為原因造成的重大安全事故。

本系統(tǒng)融合了WebGIS服務(wù)平臺、Oracle分布式數(shù)據(jù)庫、安全網(wǎng)關(guān)等集存儲、訪問、轉(zhuǎn)發(fā)于一體的云端車聯(lián)網(wǎng)云服務(wù)平臺，設(shè)計(jì)基于嵌入式Linux的車載終端設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了高精度北斗/GPS厘米級定位系統(tǒng)，開發(fā)了基于V4L2框架的視頻服務(wù)器系統(tǒng)。監(jiān)管人員能夠?qū)崟r監(jiān)控終端報(bào)警數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對報(bào)警數(shù)據(jù)的記錄、查詢，第一時間預(yù)警、處理危險情況。

1 校車監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

本系統(tǒng)旨在解決難以實(shí)時監(jiān)管車輛的問題。車聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)需要完成對車輛信息的獲取、云端數(shù)據(jù)的存儲與獲取、云平臺指令下發(fā)，以及實(shí)現(xiàn)人-機(jī)交互等功能，系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。車載終端獲取車輛實(shí)時信息，包括終端定位數(shù)據(jù)、車身OBD（車載自動診斷系統(tǒng)）數(shù)據(jù)以及監(jiān)控視頻相關(guān)數(shù)據(jù)等，通過網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)加密后上傳至安全網(wǎng)關(guān)，安全網(wǎng)關(guān)接收到終端數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)進(jìn)行拆包、校驗(yàn)、解密后，轉(zhuǎn)發(fā)至分布式數(shù)據(jù)庫中分類儲存。WebGIS監(jiān)控管理服務(wù)平臺用于向監(jiān)管人員實(shí)時顯示車輛定位信息，包括對車身數(shù)據(jù)的調(diào)取，如油耗、剎車、車速等；向平臺實(shí)時展示報(bào)警數(shù)據(jù)，如超速行駛、車身狀態(tài)異常等。云平臺嵌入大數(shù)據(jù)分析框架，可對駕駛?cè)藛T的急加速、急減速等不良駕駛行為進(jìn)行次數(shù)統(tǒng)計(jì)，通過分析駕駛員的駕駛歷史，對其進(jìn)行安全駕駛等級劃分，從而激勵駕駛?cè)藛T文明駕駛。

圖1 車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)

2 車聯(lián)網(wǎng)子系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

2.1 車載視頻定位終端設(shè)計(jì)

車載定位終端需要完成對車輛信息的獲取與實(shí)時數(shù)據(jù)的上傳，以及視頻服務(wù)器的運(yùn)行。車載終端如圖2所示。選取ARM Cortex-A9作為系統(tǒng)處理器單元，終端內(nèi)部運(yùn)行嵌入式Linux操作系統(tǒng)。板載UVC高清攝像頭、北斗/GPS雙頻高精度定位模塊、WiFi/4G模塊，以及CAN網(wǎng)關(guān)設(shè)備接口。

圖2 高清視頻服務(wù)器設(shè)計(jì)

ARM Cortex-A9處理器是基于指令集ARMv7的A系列處理器，相比上一代處理器，它在降低功耗的同時提升了功效和峰值性能，適應(yīng)性良好。其中，內(nèi)部媒體處理引擎（MPE）可加強(qiáng)特定應(yīng)用中的性能表現(xiàn)，滿足長時間電池供電需求。嵌入式Linux系統(tǒng)因其免費(fèi)開源、易移植、性能穩(wěn)定、開發(fā)周期短等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于嵌入式設(shè)備中。本系統(tǒng)基于嵌入式Linux系統(tǒng)編程，實(shí)現(xiàn)車聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備中包括IPv6網(wǎng)絡(luò)加入、高精度定位信息處理、車身OBD數(shù)據(jù)獲取、遠(yuǎn)程視頻服務(wù)器等功能。

終端系統(tǒng)中的CPU通過讀取GPS/北斗定位模塊的數(shù)據(jù)與INS慣導(dǎo)模塊的數(shù)據(jù)[2]，將GPS/北斗定位源數(shù)據(jù)與慣導(dǎo)原件的源數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，采用動態(tài)加權(quán)融合算法降低慣性導(dǎo)航系統(tǒng)在工作過程中的累計(jì)誤差，實(shí)現(xiàn)厘米級精度定位，保證校車定位信息的可靠性。結(jié)合速度、姿態(tài)、位置的誤差方程，建立組合導(dǎo)航狀態(tài)方程（連續(xù)系統(tǒng)）。通過狀態(tài)方程可以遞推出下一時刻的速度、姿態(tài)、位置，用于與差分定位的輸出進(jìn)行融合。由狀態(tài)轉(zhuǎn)移方程得到下一時刻的位置、速度等數(shù)據(jù)。

式中：X為狀態(tài)矢量；F為狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣；G表示噪聲驅(qū)動；W表示系統(tǒng)噪聲矢量矩陣[3]。將算法用C語言離散化表示，定義輸出函數(shù)，執(zhí)行程序后即可得到下一時刻的速度、位置等信息。在嵌入式Linux系統(tǒng)下運(yùn)行該程序時，需要使用ARM-Linux-gcc工具編譯程序，然后將交叉編譯環(huán)境中生成的程序拷貝至ARM平臺系統(tǒng)中運(yùn)行。

車載終端需完成對UVC攝像頭視頻的獲取、封裝、儲存以及壓縮等。本系統(tǒng)遠(yuǎn)程視頻服務(wù)器采用V4L2（Video for Linux Two）架構(gòu)[4]，該架構(gòu)是Linux為視頻設(shè)備提供的標(biāo)準(zhǔn)接口，主要包括V4L2相關(guān)底層數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和V4L2相關(guān)底層驅(qū)動接口，可使程序具備發(fā)現(xiàn)和操作設(shè)備的能力。視頻服務(wù)器工程流程如圖3所示。初始化輸入設(shè)備相關(guān)函數(shù)，通過FFmpeg程序?qū)⒉杉膱D像壓縮編碼為適合網(wǎng)絡(luò)流媒體傳輸?shù)腍.264格式，并將圖像壓入緩沖區(qū)，供輸出函數(shù)調(diào)用。FFmpeg可以記錄、轉(zhuǎn)換數(shù)字音視頻，并將其轉(zhuǎn)化為開源計(jì)算機(jī)程序[5]。輸出函數(shù)通過創(chuàng)建Socket進(jìn)程綁定本地IPv6地址與端口，回應(yīng)客戶端發(fā)起的UDP請求，將圖像或視頻數(shù)據(jù)通過HTTP應(yīng)答的方式發(fā)送至客戶端，供客戶端讀取調(diào)用。對視頻實(shí)現(xiàn)H.264壓縮編碼需要借助FFmpeg相關(guān)庫，在交叉編譯環(huán)境下安裝編譯完成之后將FFmpeg庫生成的動態(tài)鏈接庫復(fù)制到嵌入式Linux系統(tǒng)[6]。將程序移植到ARM Cortex-A9 硬件開發(fā)平臺，在Ubuntu平臺下搭建ARM-Linux交叉開發(fā)環(huán)境，將程序拷貝至ARM平臺。

圖3 高精度定位數(shù)據(jù)的獲取

2.2 通信協(xié)議設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)庫

車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行在IPv6網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，數(shù)據(jù)鏈路中的通信協(xié)議不再適用，需構(gòu)建適用于IPv6網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)包格式。車載終端需定時向云平臺上傳數(shù)據(jù)，通過TCP協(xié)議建立與云平臺數(shù)據(jù)通信鏈路的連接，上傳數(shù)據(jù)包括車輛登錄與退出、終端心跳包傳輸、車身OBD數(shù)據(jù)傳輸、報(bào)警、監(jiān)控視頻傳輸?shù)刃畔ⅰＭㄐ啪W(wǎng)關(guān)接收到數(shù)據(jù)后，對不同的數(shù)據(jù)包進(jìn)行處理，包括對每一幀數(shù)據(jù)的校驗(yàn)、解密、拆包，將有效數(shù)據(jù)根據(jù)數(shù)據(jù)庫規(guī)則存入對應(yīng)數(shù)據(jù)庫中。其中，車載終端向服務(wù)平臺上傳的定位報(bào)警數(shù)據(jù)主要包括車載終端ID、IPv6地址、端口、定位數(shù)據(jù)、定位時間、速度、報(bào)警、油耗，以及附加消息；多媒體數(shù)據(jù)包括ID、IPv6地址、多媒體數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)包大小、數(shù)據(jù)格式、附加消息等；平臺向車載終端下發(fā)的指令消息包括車載終端ID、IPv6地址、指令類型、指令數(shù)據(jù)、附加消息等；指令類型包括視頻監(jiān)控調(diào)取、視頻畫面抓拍、當(dāng)前終端數(shù)據(jù)上傳等。通信協(xié)議格式見表1所列。

表1 通信協(xié)議格式

數(shù)據(jù)庫用于存儲車輛相關(guān)信息以及多媒體信息等，供WebGIS服務(wù)平臺使用JDBC組件調(diào)取使用。數(shù)據(jù)庫是車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的關(guān)鍵，用于支撐車聯(lián)網(wǎng)云平臺的數(shù)據(jù)調(diào)用以及數(shù)據(jù)分析。網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)通過ODBC組件與數(shù)據(jù)庫進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，網(wǎng)關(guān)將終端上傳的不同類型的數(shù)據(jù)解析后，將有效數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)庫參數(shù)見表2所列。

表2 數(shù)據(jù)庫參數(shù)

定位信息包括定位車輛的經(jīng)度、緯度、速度、IPv6地址、定位時間等，用于在車聯(lián)網(wǎng)平臺獲取數(shù)據(jù)庫信息并實(shí)時顯示在車聯(lián)網(wǎng)平臺。

2.3 車聯(lián)網(wǎng)云平臺架構(gòu)設(shè)計(jì)

車聯(lián)網(wǎng)云服務(wù)平臺包括監(jiān)控管理平臺、網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)、分布式數(shù)據(jù)庫等，其中監(jiān)控管理網(wǎng)站平臺需要完成對車輛信息的顯示，包括對定位數(shù)據(jù)與WebGIS數(shù)據(jù)的融合，與道路匹配，以及提供車聯(lián)網(wǎng)云計(jì)算平臺相關(guān)服務(wù)。云服務(wù)平臺架構(gòu)基于WebGIS+Oracle[7]數(shù)據(jù)庫，使用Java Web完成前端服務(wù)程序與后端數(shù)據(jù)處理程序。平臺應(yīng)用分層搭建，主要分為應(yīng)用層、服務(wù)接口、業(yè)務(wù)層、存儲層、數(shù)據(jù)處理層、通信層、設(shè)備層，如圖4所示。

圖4 云服務(wù)平臺架構(gòu)

（1）云計(jì)算環(huán)境支撐層IaaS：為云服務(wù)對象提供統(tǒng)一的訪問界面，包裝云服務(wù)資源、建立服務(wù)等級SLA、管理云服務(wù)對象狀態(tài)和請求等。

（2）平臺服務(wù)層PaaS：通過構(gòu)建分布式服務(wù)平臺，對外提供平臺級服務(wù)，包括開發(fā)環(huán)境、平臺資源、服務(wù)資源。PaaS提供了消息中間件、數(shù)據(jù)持久化存儲、多媒體存儲、統(tǒng)一配置、用戶權(quán)限、數(shù)據(jù)分析、運(yùn)維管理中心等基礎(chǔ)服務(wù)；對外提供了服務(wù)的限流、降級、熔斷、路由等核心功能。

（3）軟件服務(wù)層SaaS：該層主要基于PaaS提供的資源開發(fā)業(yè)務(wù)構(gòu)建核心業(yè)務(wù)，搭建微服務(wù)業(yè)務(wù)集群，Open API應(yīng)用通過前端軟負(fù)載對外提供軟件服務(wù)。該層主要實(shí)現(xiàn)具體的業(yè)務(wù)邏輯，通過微服務(wù)開發(fā)方式把系統(tǒng)業(yè)務(wù)拆分成多個單元模塊，降低模塊耦合性，提高系統(tǒng)健壯性。系統(tǒng)通過Open API提供與其他接入方的數(shù)據(jù)接口。

3 系統(tǒng)測試

車載終端內(nèi)部ARM平臺使用基于Linux 3.0內(nèi)核的Qt嵌入式操作系統(tǒng)，內(nèi)核內(nèi)部集成IPv6協(xié)議棧，ARM平臺硬件板載MT6620 WiFi/藍(lán)牙芯片，設(shè)備經(jīng)無線網(wǎng)絡(luò)接入校園網(wǎng)，通過無狀態(tài)地址自動配置協(xié)議獲取全局IPv6地址。硬件平臺如圖5所示。

圖5 車載終端硬件平臺

遠(yuǎn)程視頻服務(wù)器初始化完成后，查詢IPv6地址下有無UDP請求，若有，則根據(jù)請求做出應(yīng)答，通過板載LCD觸摸顯示屏顯示實(shí)時UVC攝像頭畫面。通過Socket綁定IPv6地址與端口號，與網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)建立IPv6網(wǎng)絡(luò)下的TCP連接，完成登錄、數(shù)據(jù)上傳等信息交互。

網(wǎng)關(guān)選用Windows Server 2012版本，通過監(jiān)聽本地IPv6地址[8]與對應(yīng)端口號，接收來自車載終端上傳的數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)校驗(yàn)解密后通過ODBC連接數(shù)據(jù)源，將數(shù)據(jù)存入分布式數(shù)據(jù)庫。

分布式數(shù)據(jù)庫集群采用Oracle RAC，其架構(gòu)的最大特點(diǎn)是將整個RAC集群建立在一個共享的存儲設(shè)備之上，節(jié)點(diǎn)之間高速互聯(lián)。在Oracle安裝文件夾目錄中修改listener.ora文件中的監(jiān)聽地址，使數(shù)據(jù)庫監(jiān)聽程序監(jiān)聽本地IPv6地址。系統(tǒng)工作流程如圖6所示。車載終端通過加入無線IPv6網(wǎng)絡(luò)監(jiān)聽云平臺有無指令下發(fā)，同時實(shí)時保持與網(wǎng)關(guān)間的通信鏈路；網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)實(shí)時監(jiān)聽來自終端與平臺的數(shù)據(jù)并處理，之后加密轉(zhuǎn)發(fā)至數(shù)據(jù)庫。

圖6 車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行流程

打開設(shè)備運(yùn)行程序，終端車載設(shè)備向網(wǎng)關(guān)上傳數(shù)據(jù)，發(fā)送登錄注冊信息與終端定位數(shù)據(jù)，地圖實(shí)時顯示當(dāng)前數(shù)據(jù)，通過歷史回放可以查詢當(dāng)前車輛行駛軌跡等信息。云平臺還具備報(bào)警數(shù)據(jù)上傳、駕駛員駕駛行為分析、路況查詢等功能。監(jiān)控平臺展示界面如圖7所示。

圖7 監(jiān)控平臺展示圖

硬件平臺板載2路UVC高清攝像頭，一路拍攝司機(jī)，一路拍攝車內(nèi)乘客。待終端遠(yuǎn)程視頻服務(wù)器程序初始化完畢，車輛根據(jù)功能提示打開車載視頻，并根據(jù)數(shù)據(jù)庫保存的車載終端的IPv6地址，打開對應(yīng)視頻服務(wù)器8080端口。遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控測試圖如圖8所示。

圖8 遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控測試圖

4 結(jié) 語

本文簡述了IPv6網(wǎng)絡(luò)下校車監(jiān)控系統(tǒng)的搭建與實(shí)施，分別對校車監(jiān)控各子系統(tǒng)做了簡要分析，通過在校車內(nèi)部安裝監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)在IPv6網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的校車遠(yuǎn)程監(jiān)管與視頻實(shí)時監(jiān)控。該系統(tǒng)能夠預(yù)防由于監(jiān)管不足造成的人為行車事故，實(shí)現(xiàn)向下一代網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的過渡以及原型驗(yàn)證。