面向物联网的城市公交信息采集系统设计研究

李静雅

（长治学院 计算机系，山西 长治 046011）

构建现代化繁荣的都市是城市建设的目标，便利的城市公交系统是城市繁荣的体现。目前，城市的公交系统普遍是定时，按点，间隔一定时间规律的发车，导致公交车辆在某个时间点车上乘客拥挤，车下乘客焦急没能上车；而在某些时间点，车上只有司机没有乘客，公交车辆空跑，浪费资源[1]。如何更好的服务乘客，合理的调度公交车辆，使乘客数量大时，公交车辆充足，站台没有乘客时，公交车辆可以合理灵活的安排，适当减少发车数量，节约资源，低碳生活。

如何决策公交车辆的发车情况才能更好的满足乘客的需求？车辆的行驶情况数据信息，车站台的乘客候车的实时信息，未来乘客乘车的预测等因素都是影响发车决策的因素，更好的获取这些信息，为公交车辆的合理运营提供依据。

物联网应用信息传感设备，按照协议的约定，把物与物，物与人与互联网连接起来，进行通信，以实现智能化监控和管理[2-3]。物联网对信息的全面感知、可靠传输和智能处理，可以实现城市公交系统信息的智能采集管理。本文应用物联网技术，结合无线传感网络，RFID等信息采集技术[3]，设计研究公交车辆的信息采集系统，对公交车辆的全天、全周、全月、全年的运营过程进行全面实时的感知，记录和管理，为公交车辆的智能化调度提供数据依据。

1 面向物联网的城市公交信息采集系统模型

物联网技术应用于城市公交系统中，主要利用电子产品编码，海量多种类型的传感器等设备对公交车辆的信息实时采集，对公交站点的信息采集及对周围环境的信息采集，将此实时信息通过各种有线、无线网络与互联网融合，实时传递，按照信息不同，利用云计算，模式识别等技术，在相应的处理中心进行信息分析，智能处理，共享，交互。要利用处理的信息，可以通过物联网传播，实现对公交车辆的智能管理和调度。面向物联网的城市公交信息采集系统模型如图1。

图1 面向物联网的城市公交信息采集系统模型Fig.1 The model of city public transportation information collection system based on IOT

在图1所示的模型中，对于公交信息采集系统而言，将传感器，RFID、红外感应等数据采集[4-5]设备如何合理的部署在公交站点和公交车辆上，满足对所需信息的准确实时采集是系统设计的关键之一。传感器网络中的数据通过协议转换有效快速的通过无线网络，通信网等传送到公共网传输给应用层是传输层解决的问题。应用层的采集系统收集存储采集来的数据，实现系统功能。信息采集系统的应用可以全面掌握各公交车辆、公交站台、天气等信息，及时处理发生的临时状况，采集存储的数据可以为公交调度，决策分析等多系统所利用，为公交车辆的合理安排调度提供数据支撑。

2 公交信息采集系统感知层的设计

面向物联网的城市公交信息采集系统感知层包含传感器节点感知，RFID射频识别节点，视屏摄像等感知节点，将多种类型的感知节点部署在公交站台的监测区域，对公交车辆的基本信息（车辆名称，牌照，车辆运行的线路），车辆所到站点信息，站台上乘客的信息，公交车上乘客的信息，车辆进站时周围的环境信息，天气信息等实时采集，通过采集终端节点之间的合作，将采集的数据经过其它节点的路由传输，经过若干跳传输后，到达汇聚节点[6]，由汇聚节点通过网络传输传送到主机控制，实现对监控站台环境的数据采集，监控站台到站车辆的信息收发和控制等。信息采集系统感知层结构如图2。

图2 信息采集感知层结构示意图Fig.2 Information collection perception layer structure diagram

3 信息采集系统节点硬件设计

公交信息采集系统，系统节点的体积小，电源携带能量有限，应满足低功耗的实际，可以由CC2430无线单片机[7]实现，选用TI－Chipcon公司生产的2.4 GHZ射频，符合Zigbee技术的芯片，具有无线收发和编程、存储、定时、传输[5]等功能，可以满足要求。节点使用时在射频前端加上功率放大器，使节点发射功率达10 dbm（原先节点发射功率为3.6 dbm，通信距离为30～70 m），通信距离为1 000 m左右，满足站台间的距离。传感器节点硬件结构图如图3所示。

图3 传感器节点硬件结构图Fig.3 Hardware structure diagram of sensor node

4 信息采集系统软件设计

公交信息采集系统采集的信息最应保证实时性，才有更高的利用价值。保证实时性要求，信息系统实现采集信息功能，采用两种工作方式：定期采集工作方式和唤醒采集工作方式，分别对各个站台信息周期性的信息采集和紧急情况信息采集。

定期采集：网络的各节点在站点完成布署并形成网络后，先广播一个睡眠命令，通过汇聚节点转发至各子节点，各节点收到之后转入睡眠状态，经过一段时间，各节点醒来，等待数据收集命令，各节点进行数据采集，采集信息进行收集存储，完成一个工作周期。

唤醒采集：当传感器监测的站台信息监测有特殊情况时，传感器通过外部电路以中断的方式唤醒汇聚节点，然后汇聚节点，立即采集信息送中央处理器进行处理。

5 信息采集系统安全问题

公交信息采集系统主要利用无线传感网感知数据，感知的数据对于实时的对公交车辆的调度及利用该信息对公交车辆进行调度安排预测具有重要的作用。因此，对无线传感网的保护极为重要，特别是对网络内数据传输的安全性和隐私性的保护[8－9]。最常见的针对公交信息采集系统无线传感网的威胁有对传感器普通节点和网关节点的捕获，导致通信密钥泄露，使整个网络的通信造成威胁[9]。传感器网关节点遭遇拒绝服务，DOS攻击[9]，DOS攻击使传感器节点资源耗尽，丧失运行能力。破坏公共设施的可能设置虚假路由信息，通过篡改路由信息，使路由循环，引起或抵制网络传输，延长缩短源路径，形成虚假错误消息，分割网络增加延时，耗尽节点能量等。公交信息采集系统采集的多个站点的海量信息，必然对传输信息的安全提出更高要求。海量的站点信息和公交信息还可能会导致网络拥塞，产生拒绝服务。信息采集节点和信息传输的安全问题亟待解决。

公交信息采集节点的安全问题可以采用应对通信密钥泄露的密码密钥技术，对于DOS攻击可以采用设置防火墙，启用防火墙的防DDOS的属性，限制特定的IP地址访问；对于DOS攻击也可以采用日志，定时检查网络设备和主机服务器系统的日志，防止日志出现漏洞或时间变更或及时修改出现的漏洞和变更，预防DOS攻击。对于虚假路由可以采用安全路由等；对于传输海量信息的安全可以采用加密机制，对于由于海量信息造成的网络拥塞、瘫痪问题，可以采用开环和闭环控制的拥塞控制机制，开环控制需要在设计公交信息系统时事先考虑传输数据量，考虑可能发生拥塞的因素，采用预防机制。闭环控制采用反馈机制，检测到拥塞发生，报告拥塞信息到拥塞控制点，控制点根据拥塞信息进行调整以消除拥塞等。

6 结 论

文中针对城市公交车辆发车按时间点，按趟发车造成资源未能更合理应用的问题，研究设计了面向物联网的城市公交信息采集系统，能够对公交车辆信息、公交站点候车情况、站点环境信息等进行实时采集监控，采集的信息为公交车辆合理调度提供了依据。该系统可以广泛应用于各中小城市公交车辆的信息采集，有助于公共交通系统的智能化信息化。

物联网技术[10]的应用，物联网基础设施的建设已初步发展并开始试点，各行各业都在物联网方面形成一定规模，统一的物联网规范，安全隐私保护等仍是物联网发展的关键。城市公交信息采集系统得以应用并广泛推广，除解决本身的信息采集、传输和网络安全问题外，其成本问题也不容忽视。物联网公共设施的构建，物联网统一规范等更好更快的发展，将使公交信息采集系统的普及更容易，有助于车辆的合理调度，方便市民出行，为大众提供可信，安全，低碳的服务平台。

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