基于云计算的智能交通信息采集系统设计与实现

钟国梁 蔡思婕 李帅杰 张哲 曹思蓉 李发英

摘要：智能交通是车与互联网运用物联网技术联系在一起所触发的产物，简而言之就是车联网。该文主要概述了智能交通模型的简单模型及其实现，包括如何采集信息，如何联系各个系统及其子程序，可以随时了解交通和道路天气的实时动态，也可以根据道路状况智能地推荐更优化的路线等。该部分主要提出了将智能交通系统和云计算联系在一起的解决方案，从云计算的角度，描述了智能交通系统云的云架构，如何构建为智能交通系统服务的云服务器，以及如何管理建立好的云服务器，及建立云计算服务管理平台。该部分还详细介绍了智能交通系统在云存储中的数据库结构，讨论了云服务器提供的存储方式。最后还论述了云存储安全方面的优越性。

关键词：物联网;智能交通;数据;信息采集

中图分类号：TP311      文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2022）04-0001-06

1概述

当前新型信息采集技术有：视频检测技术，就是根据视频图像检测车辆运行速度等信息;“GPS定位的采集，根据被检测车辆上相应的感知设备来确定被检测车辆所在位置无线射频识别技术，通过无线电信号进行特定信号的识别，不需要接触，更加便捷;蜂窝网络，通过手机信号定位。”[1]

智能交通要解决一系列的问题，例如：交通拥挤、施工、发生车禍等要反映到控制中心并告诉用户前方拥堵，需提供更优路线供用户选择;道路状况有结冰、多雾，天气恶劣均要及时采集并通知用户。为了方便用户我们必须精确、实时、准确地采集：车流量、道路密度、道路占有率、天气状况、道路状况等信息。为了方便监管人员和用户的安全我们需要精确、实时、准确地采集：车速、车辆分类、车辆行驶路线等信息。

2智能系统的原理

智能交通的实现是车辆运行的状态与交通流通过人工调查数据、视频采集数据、微波采集系统和超声波采集系统等等一系列的系统进行信息采集，再将采集好的数据传输到服务系统，传输到服务系统之后由服务系统中的归一处理程序中的监听端口进行数据的初始化，并将传感器传来的数据进行收集，再进行校对，校对后将数据通过交通流数据存入数据库中，最后依据管理系统中控制服务系统的程序发送的指令运行，由服务系统将不同的指令传送到相应的传感器，完成这一系列操作后就可以退出系统。管理系统中有五个子程序。其中对服务程序的状态进行控制管理和设置参数的就是服务程序，服务系统中的归一化处理、控制服务程序和统计车流信息都是由服务程序来管理的。系统的登录主要是进行用户是否进行了认证的校验，校验通过后可以顺利启动程序，最后再退出程序。参数设置功能包括四个子程序。路网和路口的录入是把道路的信息导入到数据库中，检测器录入子程序是把检测器录入的信息导入到数据库中并和检测器表对应，方便灵活采集各种信息。数据的导入和导出程序一般是通过XML的形式来进行，虽然其占用的空间比二进制存储占用的空间大，但是其简单易懂，可以通用于各种程序，程序员也可以更加理解程序，方便程序的维护和升级，路网的建立，车流信息的显示和车流的计算都可以通过路网显示出来。把道路信息通过图像显示出来则是由道路网子程序完成，而车流信息显示可以在道路网上显示计算车流量信息。在经过管理系统之后，系统会自动运行，进行数据库的读写最后再存储。经过这一系列的程序运行达到对所有车辆进行监控，并提供综合服务的智能系统。

3智能系统涉及的相关技术

3.1“ZigBee”的简介和特点

“ZigBee”是一种短距离的无线网络技术。它具有短距离、低功耗、低成本、低速率、短时延、高容量、高安全、免执照频段的特点。“‘ZigBee’技术运用网状拓扑结构，应用自动路由、动态组网等方式，可以满足无线数据通信应用对低数据量、低成本、低耗能、高可靠性的需求。”[2]“ZigBee”可以点对点、点对多点之间进行通信，同时还可以组建局域网。

3.2“ZigBee”协议栈架构

“ZigBee”协议体系由物理层，MAC层，网络层和应用层组成。在“ZigBee”技术中，每层相对独立，每层都有相对应的任务，它们之间的接口通过逻辑链路来提供服务。

3.3云计算

云计算是指通过虚拟化技术虚拟资源，建立在互联网和网络协议之上的软件和应用程序。云的部署模型：

公有云：基础设施为大型企业或公众提供服务。

私有云：专门为某个私有企业或组织提供基础设施服务的服务类型，基础设施的运营由受服务的企业或第三方管理。

混合云：混合云由多种服务类型的云组合而成，不同的云在混合云中相对独立，单独地发挥作用，但彼此之间可以通过相应的协议交换数据和移植应用。

3.3.1云的服务模型

基础设施即服务（LaaS）：“LaaS”提供简单的基础设施服务，包括虚拟机，网络设备等。

平台即服务（PaaS）：“PaaS”在“LaaS”的基础上提供操作系统和相应服务的开发框架和应用，以提供给客户自主开发的能力。

软件即服务（SaaS）：“‘SaaS’提供‘LaaS’和‘PaaS’提供的全部服务，并在此基础上提供用户界面，创造一个完整的开发环境。”[3]

3.3.2智能交通云计算方案

“Laas”云由基础设施构成的资源层，虚拟化之后的虚拟层和虚拟机装上操作系统的操作层，最后加上云计算服务管理系统构成。云计算服务管理系统独立于虚拟服务之外，并提供管理功能。最后加入制作的交通信息管理系统软件，即可构成“SaaS”服务，为客户提供全程抽象化的服务。

3.3.3交通云的云计算资源

包括所有的云计算资源，包含基础设施、网络、存储设备等。

云计算管理平台：管理所有的云计算资源确定何时该提供何种服务，资源如何分配，为系统的运行提供决策。

服务管理平台：“对系统进行监控，使系统正常运行，同时监控系统参数，为管理平台管理系统做参考。服务展示：管理者提供一个服务窗口，并展示所有服务，让客户根据自身需求购买使用相应的服务。”[4]

4智能系统的构建

4.1数据的采集

要实现数据的快速采集和数据的智能处理，自动化设备数据采集系统就必须具备三大特性：便捷性、时效性、智能性。从便捷性上，数据采集系统就需要具备支持人员移动办公，同时减少人为操作，无纸化操作。从时效性上，数据采集系统需要具备数据的快速查询和处理，包括像单据的快速生成和流程的快速转换。从智能性上，数据采集系统必须实现自动预警和智能报错等。以上三点可以有效地避免数据采集时错误的发生以及时效的提升，真正实现数据的快速采集和数据的智能处理。

4.2数据的储存

数据的储存是当传感器传输的数据到服务系统时，服务系统中的监听端口会判断是否有数据，如果有就校验数据，校验成功后打开数据库格式化后写入数据，若校验失败直接把数据写入数据;若监听端口判断没有数据就直接把数据写入数据库。

4.3数据的智能处理

4.3.1车流量的统计

由埋在地下的地磁传感器、CCD摄像机等图像传感器、微波雷达传感器、超声波传感器和红外传感器等传感器同中继器采用无线通信进行数据传输，传输的数据主要有：车辆参数、检测器号和通过该检测路段的起止时间。监听端口会按需求读入交通流原始数据与数据库中表的数据做对比，进行遍历。在遍历的同时根据相关的交通理论和公式运算，可以求出车流量表所需要的数据，例如：平均速度、平均车头间距、平均车流量等。待遍历完成后就可以将计算好的数据存入数据库中的车流量表，就此车流量统计结束。

4.3.2数据的输入输出

把数据库中的各种信息例如：车流量信息、道路网信息、传感器传入信息等均以XML的形式进行导入导出，先读入XML路径，再读取根节点，然后依次寻找子节点，进行遍历读取，若子节点后仍有数据，再进行遍历读取，直到读取完子节点后没有所需数据即可结束读取，完成了数据的输入，该输入的逆过程就是数据的输出。

4.4 “ZigBee”在智能交通中的应用

将计算机与协调节点相连，再将路口的控制机作为一个中心路由节点，而交通信号灯作为一个终端节点，交通信号灯中的传感器对路口交通情况进行检测;终端节点对传感器检测到的数据进行采集进而沿着中心路由节点、协调节点、计算机;由计算机发出指令继续沿这条线路返回，最终信号灯按照指令做出改变。

在基于“ZigBee”智能交通信息采集系统中，考虑到交通运输中的及时性、有效性、准确性和突发性，“ZigBee”近距离无线网络技术能够快速、精确、实时，准确对实时数据进行处理，进而将数据传输至上位机，对实时情况进行判断，最后下达指令并执行指令。

4.5传感器

在智能交通中要考虑多方面的问题，甚至是一些意想不到的突发状况。这就需要有一些应对的预防措施，以便提前得知当前所处环境的好坏，因此在智能交通行驶中需要对车流量、车速、车辆分类、道路密度、道路占有率、行驶路线、指示牌、指引线、障碍物、天气状况等各个方面进行检测和分析，以期最终能够达到正常通行的目的。而在这些方面都需要用到传感器，它可以对用户需要了解的各个方面做出检测和分析并将数据传输到系统中心进行处理。当今的社会面对着交通拥挤、交通污染等多种问题，这并不是某一个国家所面临的问题，而是一个全球性的问题。传感器的广泛使用能够节能、减排、保护环境。“传感器是知识密集、技术密集的产品，其种类十分繁杂。按照原理分类主要包括以下几种：光敏传感器、声敏传感器、磁敏传感器、温敏传感器、湿敏传感器等”[5]，如今比较新型的信息采集技术有视频检测技术、无线射频识别技术、GPS定位、蜂窝网络等。

4.6云计算

4.6.1云计算服务管理平台

作为云计算系统的核心，服务管理可以通过不同模块提供不同的服务。

1）用户请求管理模块

用户申请云服务的模块，用户可以通过此模块向系统申请自己想要的服务，由相关审批者审批后，系统将自动为客户提供服务。

2）镜像生命周期管理模块

可以对镜像进行全生命周期的管理。

3）部署模块

对操作系统和软件进行部署。

4）可用性管理模块

管理平台性能。

5）备份恢复模块

备份和恢复镜像。

4.6.2云服务器的架构

1）基础设施

包括“CPU”、内存、网络等一系列需要场地的硬件设备，可以给用户提供微处理器周期、存储、网络宽带等服务。在此系统中为计算、处理、存储交通信息提供硬件支持。

2）虚拟化技术

通过将一个“CPU”硬件设备分割为N个，使多个操作系统在一个“CPU”上同时运行，以解决云计算庞大的客户个体需求。虚拟存储、虚拟网络也是这个道理。虚拟化技术可以使有限的硬件设备的功能无限扩大，减少硬件设备资源的消耗与竞争。在交通信息管理系统中的虚拟化可以使得基于云计算的交通信息管理系統不只是监控管理一处的交通信息，而是可以同时管理多地的交通信息。将基础设施虚拟化后的服务器与云计算服务管理系统具备了“LaaS”（基础设施即服务）的功能。

3）提供平台服务

为客户提供有关智能交通信息管理系统软件的有关开发环境，允许客户自定义适合自身情况的信息管理软件。此时该系统拥有了“PaaS”的功能。

4）提供信息管理软件服务

在提供基础设施以及开发环境的基础上，为客户提供已经制作好的交通信息管理软件，使交通信息的管理监控完全抽象化，让交通信息以简洁明了的形式出现在客户面前，让客户以简单易懂的方式管理道路交通。此时，此系统有了“SaaS”的功能。

4.6.3交通信息系统的信息在云服务器上的存储

1）未托管云存储

提供者事先确定了存储的性质，如何使用，用什么应用实现。限制了客户的自定义能力，但是这种方式对使用者來说，有简单、方便、可靠的优点。在交通信息管理系统中采用这种方式为使用者提供服务，完美符合SaaS的特性，能与提供的智能交通信息管理系统软件一起为客户提供从信息提供到信息存储一条龙的服务。

2）托管的云存储

只为客户提供最基础的磁盘服务。在交通信息管理系统中采用这种服务，能够使用户自定义存储的类型，能够让客户根据自身交通情况和交互需要的协议条件定义存储。可以为客户节省空间和资源，建立自己的数据库。

3）交通信息管理系统云存储数据库设计

数据库逻辑设计：

① 交通流数据——数据库核心。

② 道路网信息。

③ 传感器信息。

数据库组成结构：

①用户表：用户名，密码。

②程序登记表：记录程序交流的端口和各个程序交通流数据。A.交通流原始数据表：各种传感器的原始数据。B.车流量表：处理后的各种传感器记录的信息。

③道路网信息。A.道路表：道路网的相关信息。B.道路网引索表：某道路网包含的道路网号。C.道路网数据表：各个路口的信息。D.路口类型表：各个路口的基本类型。

④传感器信息。A.传感器表：传感器的相关信息、位置，由始路口到终路口的矢量表示。B.传感器类型表：传感器的登记信息。

5数据的采集

5.1车速检测

多种传感器都可以检测车速，但是磁力传感器和压电式传感器等只能间接检测车速;而微波传感器可以直接来测定车速。微波传感器是通过多普勒效应来进行检测的，传感器上的雷达探测器向行驶车辆发射微波，微波被车辆阻挡反射回来，发射波通过多普勒效应使频率发生了偏移，进而将这种偏移信号经过接收、转换、处理，最后达到检测车速目的。

5.2车流量检测

环形感应线圈检测车流量。感应线圈埋设在路面下，感应线圈形成了一个磁场。无车辆通过时，磁场没有改变，感应线圈内的电流保持不变;当有车辆停在或通过线圈检测区域时会使得磁场发生改变，进而使得感应线圈的电流发生改变，检测电路将变化信号经过处理转换，计算出车辆的流量。

5.3车辆分类检测

在对车辆进行分类的检测时使用红外传感器，红外传感器可分为主动式和被动式。主动式主要是通过发射出红外射线，经车辆阻挡反射后通过红外线检测器接收到，由于被测车辆的形状、材料、结构不同，接收到的能量也不尽相同，从而对车辆的信息、类型进行分类;而被动式无须发出红外射线，只有红外线接收器，通过接收来自车辆、太阳、地面及其他环境的红外线，进而确定车辆的信息，对车辆进行分类。

5.4道路占有率检测

视频图像的检测技术是将视频图像处理和计算机图形识别技术相结合的一项新的技术。视频图像传感器有以处理图形为主的中心处理器、显示器和其他组件。某一道路的区域影像通过传输线到达图像信号处理器，中心处理器对格式进行转换和识别处理，从而得到道路占有率。

5.5行驶路线采集

“GPS”定位的技术具有全球全天候定位、精度高、效率高的优点，可以得到车辆的实时状态信息，并生成道路网络地图。它是由安装在车辆上的接收器来获取GPS信号，处理中心将得到的信号转换和处理从而得知车辆的即时信息，可以很快地对车辆进行定位并生成最优的行驶路线。

5.6天气状况检测

天气状况的检测一般通过对周围环境的温度和空气湿度等进行检测分析，主要用温度传感器和湿度传感器来检测天气状况。温度传感器对周围温度进行检测，内部的电阻受热会产生变化，温度的不同也会使得电阻不同，处理中心会将这种变化信号转换和处理分析并在显示器上显示出来。湿度传感器也是如此，它内部有一块感湿膜，水蒸气吸附在感湿膜上时，元件的电阻会发生变化，处理中心将这种变化信号进行格式转换和处理分析并在显示器上显示出来。

6数据库涉及的实体及其之间的联系

在一个系统中，通常有多套实体组合来构成数据库的总体关系，下面列举几个常见的关系图。

1）停车系统收费：

2）监控抓拍系统：

3）违规违章缴费扣分系统：

以上只是一些非常浅显的部分的图示，是整个智能交通系统中非常小的模块，大体上的架构层次的实体图如图11所示。其中：

1）应用层：应用层主要包括交通管理系统、用户服务系统、道路交通管理系统和交通控制系统，分别通过相关接口和下一层级的网络层连接。

2）网络层：网络层即为通信传输网络，其中包括互联网、移动通信网以及其他专网，通过异构网的融合、“MM”无线接入、资源和存储相关管理、远程控制、无线网络、专用网络、移动通信网、互联网等手段实现数据传递、数据同步、数据更新等作用。

3）感知层：感知层是在网络层的通信传输网络获取信息的基础上做再加工，对传感器组网协同信息做出处理，通过GPS、传感器、EPC编码、RFID、智能嵌入与纳米技术等科技对数据进行采集，再以相关技术进行信息整合。总体实体图如图11所示。

7云计算存储安全性的实现

7.1互联网的容错性

互联网被设计成为一种容错网络，互联网本身的特性可以使云抵御攻击。互联网端点和端点之间的路径是冗余的，同时对消息的传输进行封包，可以重新传输丢弃或丢失的数据包，而且该数据包可以在不同的路径上传输。所以基于互联网的云存储相较于本地储存可以为交通信息管理系统的信息储存提供更高的安全性。

7.2云备份

云存储安全性的另一点关键就是可以实现基于互联网和基础设施的云备份。时间点备份或快照：數据被备份之后，会频繁地向被称为“增量备份”的备份创建提交修改。这种备份会创建原数据的多个副本，以达到将数据恢复到任意时间点的目的。通过使用这种备份方法，交通信息管理系统的数据无论何时，受到哪种破坏，都可以在第一时间通过备份恢复数据。

8结束语

基于云计算的智能信息系统在现有的交通系统上做了一个提升，使现有的更多的技术运用在交通上，给予学生想象发展的空间，锻炼了自学和思维能力，是一次很有意义的实践。

参考文献：

[1] 苏亚辉.物联网环境下的智能交通信息采集系统设计与实现[D].郑州：解放军信息工程大学，2014.

[2] 亿佰特物联网应用技术专家.“Zigbee”技术的基础原理[EB/OL].[2021-06-30].https：//baijiahao.baidu.com/s？id=1669818889641194045&wfr=spider&for=pc.

[3] 王霞.基于云计算的快递物流管理系统的研究[D].大连：大连海事大学，2015.

[4] 郑重.云计算在网络教学平台中的应用[J].产业与科技论坛，2013，12（18）：211-212.

[5] 彭杰纲.现代传感器技术概述“ppt”课件[EB/OL].[2021-06-30].https：//www.docin.com/p-2311417882.html.

收稿日期：2021-08-25

基金项目：2021年度湖南省大学生创新创业训练计划项目（项目编号：湘教通2021[197]3651）

作者简介：钟国梁（2001—），男，湖南耒阳人，本科在读，主要研究方向为单片机和传感器;蔡思婕（2003—），女，湖南邵阳人，本科在读，主要研究方向为单片机和传感器;李帅杰（2000—），男，湖南湘乡人，本科在读，主要研究方向为单片机和传感器;张哲（2001—），男，湖南常德人，本科在读，主要研究方向为单片机和传感器;曹思蓉（2002—），女，湖南益阳人，本科在读，主要研究方向为单片机和传感器;李发英（1972—），女，湖南临武人，讲师，硕士，主要研究方向为物联网应用和计算机网络。