龔蘭芳，梁文楨

(廣東水利電力職業(yè)技術學院，廣州 510925)

物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的車輛監(jiān)控信息平臺設計

龔蘭芳，梁文楨

(廣東水利電力職業(yè)技術學院，廣州 510925)

為使車輛管理更加科學化以及合理化，并在提高車輛管理水平的同時減少不必要的開支，需要對車輛監(jiān)控信息平臺進行設計;當前采用的車輛監(jiān)控信息平臺設計方法是利用視頻圖像對其進行監(jiān)控，監(jiān)控過程中由于視頻儲存占用空間大，無法設置縮小占用空間，導致監(jiān)控不能及時發(fā)送信息，存在監(jiān)控性能較差，安全性低的問題;為此，提出一種物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的車輛監(jiān)控信息平臺設計方法;該方法首先對車輛監(jiān)控信息硬件平臺進行設計，硬件平臺是由通信平臺、數(shù)據(jù)平臺以及信息共享平臺三部分構成，利用Adaboost算法對車輛監(jiān)控信息數(shù)據(jù)進行提取，以提取的車輛監(jiān)控信息數(shù)據(jù)為基礎，結合REDD方案的分簇性能將終端監(jiān)控的信息數(shù)據(jù)傳輸至通信平臺，最后在通信平臺進行信息發(fā)布與展示，由此完成對車輛監(jiān)控信息平臺設計;實驗結果表明，所提方法可對車輛信息進行全方位安全監(jiān)控，實現(xiàn)車輛的科學化管理，為車輛監(jiān)控的發(fā)展提供有效依據(jù)。

車輛監(jiān)控；通信平臺；數(shù)據(jù)傳輸

0 引言

當前，隨著無線網(wǎng)絡通信技術的不斷發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)作為新一代網(wǎng)絡技術受到廣泛關注，成為很多行業(yè)必不可少的輔助工具[1]。隨著車輛成為生活中不可或缺的交通工具，車輛實時信息監(jiān)控也變得尤為重要[2]。在汽車內(nèi)安裝監(jiān)控設備，可以使汽車感知行駛途中的各種信息，通過監(jiān)控中心對傳感器進行監(jiān)控與管理[3]。在物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下車輛監(jiān)控信息安全問題已成為該領域急需解決的問題[4-5]。在這種情況下，如何有效地解決車輛監(jiān)控信息存在的安全問題，是在物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下對車輛進行全面以及高效地監(jiān)控是解決上述問題的有效途徑[6]。引起許多專家學者重視，同時也取得了一些優(yōu)秀的優(yōu)秀成果[7]。

文獻[8]提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術的車輛監(jiān)控系統(tǒng)設計。首先介紹系統(tǒng)設計的硬件與軟件方面，在監(jiān)控方法中引入二維應急管理模型，針對不同的交通安全問題以及建立交通安全應急管理的機制，運用二維管理模型，建立車輛監(jiān)控空間模型，對一些意外交通狀況在時間以及空間上進行及時的分析，對監(jiān)控參數(shù)設置過程進行簡化，保證意外狀況可有效地被監(jiān)控，但該方法過程耗時較長，存在監(jiān)控圖像不清晰的問題。文獻[9]提出一種物聯(lián)網(wǎng)道路車輛監(jiān)控系統(tǒng)。首先采用微處理器為車載終端將車輛的位置信息發(fā)送到監(jiān)測中心，經(jīng)過監(jiān)控中心，根據(jù)收到的監(jiān)控信息對車輛做出相應的指令，采用射頻模塊完成車輛的運行以及停車管理，經(jīng)過GPS模塊獲取道路的經(jīng)度、時間等信息參數(shù)，并對獲取的車輛參數(shù)數(shù)據(jù)進行分析和處理，將分析得出的結果發(fā)送至監(jiān)控中心，設置備份，利用通訊模塊完成各模塊與監(jiān)控中心間的監(jiān)控數(shù)據(jù)信息交換，在軟件的設計過程中，對物聯(lián)網(wǎng)的車輛監(jiān)控系統(tǒng)進行了詳細的分析，給出道路車輛監(jiān)控的程序代碼，該方法較為簡單，但存在監(jiān)控信息丟失的問題。文獻[10]提出一種基于分布式車輛監(jiān)控系統(tǒng)。首先設計了底層控制站的信息采集模塊與總線信息的傳遞模塊，可準確實時的檢測出人群擁堵以及交通事故等多樣性事件，對此增加了系統(tǒng)功能，主要由中央系統(tǒng)處理模塊組成的，采用數(shù)據(jù)幀道路圖像的均勻值作為初始的圖像，依據(jù)不同的交通事故事件獲取圖像進行更新，結合差分法進行獲取差分圖像，對此進行圖像形態(tài)學處理與分析，依據(jù)處理器得出的二值圖目標的圖像數(shù)據(jù)特征，該方法監(jiān)控質(zhì)量較好，但存在差分法過程較為復雜的問題。

依據(jù)上述產(chǎn)生的問題，提出一種物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的車輛監(jiān)控信息平臺設計方法。該方法首先對車輛監(jiān)控信息硬件平臺進行設計，硬件平臺是由通信平臺、數(shù)據(jù)平臺以及信息共享平臺三部分構成，利用Adaboost算法對車輛監(jiān)控信息數(shù)據(jù)進行提取，以提取的車輛監(jiān)控信息數(shù)據(jù)為基礎，結合REDD方案的分簇性能將終端監(jiān)控的信息數(shù)據(jù)傳輸至通信平臺，最后在通信平臺進行信息發(fā)布與展示，由此完成對車輛監(jiān)控信息平臺設計。實驗結果表明，所提方法可對車輛信息進行全方位安全監(jiān)控，從而實現(xiàn)車輛的科學化管理，為車輛監(jiān)控的發(fā)展提供有效依據(jù)。

1 物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的車輛監(jiān)控信息平臺設計

首先對車輛監(jiān)控信息硬件平臺進行設計，硬件平臺是由通信平臺、數(shù)據(jù)平臺以及信息共享平臺三部分構成，利用Adaboost算法對車輛監(jiān)控信息數(shù)據(jù)進行提取，以提取的車輛監(jiān)控信息數(shù)據(jù)為基礎，結合REDD方案的分簇性能將終端監(jiān)控的信息數(shù)據(jù)傳輸至通信平臺，最后在通信平臺進行信息發(fā)布與展示，由此完成對車輛監(jiān)控信息平臺設計。具體過程如下：

1.1 車輛監(jiān)控信息硬件平臺設計

本文設計了物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下車輛監(jiān)控信息平臺設計，車輛監(jiān)控信息平臺主要劃分為通信平臺、數(shù)據(jù)平臺以及信息共享平臺三部分，其中通信平臺由中心控制模塊、定位模塊、通信接口模塊以及通信模塊和存儲器模塊構成的，數(shù)據(jù)平臺劃分數(shù)據(jù)傳輸模塊以及數(shù)據(jù)庫訪問模塊和數(shù)據(jù)業(yè)務展示模塊，具體由圖1所示。

圖1 車輛監(jiān)控信息平臺框圖

以上各平臺都基于視頻監(jiān)控采集系統(tǒng)，也是最關鍵及復雜的技術難點，本文所提方法的視頻監(jiān)控采集系統(tǒng)主要由若干IP攝像頭組成，IP攝像頭將傳統(tǒng)攝像機與網(wǎng)絡通信技術相結合，是移動云服務智能監(jiān)控的數(shù)據(jù)基礎。IP攝像頭本質(zhì)是一個運行嵌入式系統(tǒng)的終端設備，通過內(nèi)置系統(tǒng)在采集終端上即進行圖像的壓縮編碼，利用嵌入式WEB Server，使壓縮后的視頻圖像數(shù)據(jù)在通過局域網(wǎng)或Internet傳送給遠程服務器。本系統(tǒng)所用的IP攝像頭采用優(yōu)化Motion-JPEG視頻壓縮算法，網(wǎng)絡端口支持802.11 b/g無線網(wǎng)絡傳輸協(xié)議，有線網(wǎng)絡接口支持RJ-45/10-100 Base T端口傳輸協(xié)議，圖像最大傳輸速率為15幀/秒(VGA 640*480)和30幀/秒(QVGA 240*320)。

1.1.1 通信平臺模塊功能

中心控制模塊是通信平臺的核心模塊，是主要的控制器，實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理與控制節(jié)點等一些任務，主要功能是利用定位模塊接受定位的信息，經(jīng)過通信接口模塊工作狀態(tài)的信息進行分析與整理，將重要的信息存儲到存儲模塊中，依據(jù)通信協(xié)議將信息構建為數(shù)據(jù)幀，上傳至數(shù)據(jù)平臺模塊，假如在數(shù)據(jù)分析的過程中發(fā)現(xiàn)異常，立即像數(shù)據(jù)平臺模塊進行發(fā)送預警信息，中心控制模塊可解析來自數(shù)據(jù)平臺模塊的數(shù)據(jù)幀。

存儲器模塊功能分為兩部分，一部分存儲通信平臺的運行程序，另一部分可緩存通信平臺狀態(tài)信息。當通信平臺網(wǎng)絡發(fā)生異常導致上傳通信信息產(chǎn)生失敗時，可利用備份好的數(shù)據(jù)幀，待通信網(wǎng)絡恢復后，信息可繼續(xù)上傳，直到數(shù)據(jù)平臺中心收到信息，獲取數(shù)據(jù)參數(shù)。

1.1.2 數(shù)據(jù)平臺模塊功能

通信模塊主要接收通信平臺上傳的數(shù)據(jù)幀，發(fā)送數(shù)據(jù)平臺中的數(shù)據(jù)幀，數(shù)據(jù)幀在通信鏈路中傳送的主要過程表示如下：通信平臺的通訊模塊將數(shù)據(jù)幀經(jīng)過無線鏈路進行傳送至數(shù)據(jù)平臺，最終傳送至車輛監(jiān)控信息平臺。

數(shù)據(jù)平臺架構分為數(shù)據(jù)訪問以及數(shù)據(jù)業(yè)務邏輯和用戶展示等三部分。數(shù)據(jù)傳輸模塊主要是對通信上傳的數(shù)據(jù)幀進行解析，經(jīng)過解析后的信息交由數(shù)據(jù)庫訪問模塊進行存儲，將其中的數(shù)據(jù)信息進行實時緩存，并同時建立應答數(shù)據(jù)幀以及信息配置數(shù)據(jù)幀和控制信息數(shù)據(jù)幀，用于進行數(shù)據(jù)下發(fā)，在數(shù)據(jù)下發(fā)時需要獲取通信平臺的IP地址，為方便處理數(shù)據(jù)，利用通信平臺模塊獲取的IP地址和定時器與上傳時間等信息，將對應車輛監(jiān)控信息進行存放。數(shù)據(jù)模塊收到車輛監(jiān)控上傳的信息時，將新的IP地址與保存的IP地址存儲到數(shù)據(jù)庫中。數(shù)據(jù)傳輸模塊中緩存車輛監(jiān)控最近一次的數(shù)據(jù)傳輸?shù)臓顟B(tài)信息，方便數(shù)據(jù)幀進行下發(fā)。

數(shù)據(jù)庫訪問模塊主要是對數(shù)據(jù)庫進行讀取，尤其在車輛監(jiān)控斷線后可保存車輛監(jiān)控最近一次的數(shù)據(jù)通信信息，方便監(jiān)控上線后就傳輸，可同步數(shù)據(jù)庫模塊與數(shù)據(jù)傳輸模塊展示監(jiān)控信息平臺上的部分信息。本平臺具有訪問簡單以及可擴展性等特點，對數(shù)據(jù)可進行訪問。數(shù)據(jù)業(yè)務展示接口模塊是數(shù)據(jù)業(yè)務展示平臺與數(shù)據(jù)傳輸平臺模塊進行交互的接口，經(jīng)過展示平臺，用戶可查詢車輛監(jiān)控狀態(tài)信息，進行控制下發(fā)命令。

1.2 車輛監(jiān)控信息數(shù)據(jù)提取

利用Adaboost算法對車輛監(jiān)控信息數(shù)據(jù)進行提取，首先按均勻分布從數(shù)據(jù)樣本集中選取數(shù)據(jù)子集作為本次的訓練集，對訓練失敗的樣本賦予較大的分布權值Dt(i)表示為第i輪車輛監(jiān)控樣本在監(jiān)控樣本集中訓練的概率，是車輛監(jiān)控數(shù)據(jù)在訓練中出現(xiàn)的概率增加，在后續(xù)的車輛監(jiān)控信息提取中進行學習，經(jīng)過對車輛監(jiān)控信息進行迭代，得出弱的基分類器(h1,h2,…,ht)，其中h1表示相應的車輛監(jiān)控信息權值α1的大小，依據(jù)分類器的效果進行決定。最終的數(shù)據(jù)是由對分類器生成的初等分類器進行加權提取的。具體過程如下：

1)假設初始的分類器權值表示為：

D1(i)=1/Mi=1,2,…,M

(1)

式(1)中，D1(i)表示車輛監(jiān)控信息樣本提取的概率，M表示為車輛監(jiān)控信息數(shù)據(jù)樣本的總數(shù)。

2)針對車輛監(jiān)控信息進行：

D1(i)=t/Tt=1,2,…,T

(2)

式(2)中，t表示車輛監(jiān)控總信息數(shù)，T表示車輛監(jiān)控信息數(shù)。

在每次的車輛監(jiān)控信息數(shù)據(jù)迭代中，尋找錯誤ε最小的分類器h1，當yi≠h1(xi)時：

(3)

式(3)中，y1表示分類的數(shù)據(jù)，xi表示車輛監(jiān)控信息特征。假如最小的錯誤滿足ε0.5，則監(jiān)控信息迭代繼續(xù)進行，不然說明更好的數(shù)據(jù)特征，結束對車輛監(jiān)控信息的迭代。

設置初等分類器h1的信息權重為:

α1=log[(1-ε)/ε]

(4)

式中，α1表示車輛監(jiān)控信息權值的大小，ε表示上述步驟中的最小錯誤。

對車輛監(jiān)控信息數(shù)據(jù)進行更新數(shù)據(jù)樣本權值：

Dt+1(i)={D1(i)exp[-α1y1h1(x)]}/Zt

(5)

式(5)中，Dt+1(i)表示車輛監(jiān)控信息樣本提取的總概率，Zt表示車輛監(jiān)控信息樣本的權重。

(6)

式(6)中，H(x)表示初等分類器的加權和，結合初等分類器的加權和完成車輛監(jiān)控信數(shù)據(jù)提取。

1.3 車輛監(jiān)控信息數(shù)據(jù)傳輸

利用1.2提取的車輛監(jiān)控信息數(shù)據(jù)為基礎，由通信節(jié)點接收到車輛監(jiān)控信息的信號強度均值來表示：

(7)

式(7)中，k表示通信節(jié)點收集到的車輛監(jiān)控信息數(shù)據(jù)的總數(shù)，SRx(n)表示第n個數(shù)據(jù)信號的強度，AvgSRx值越大，車輛監(jiān)控信息數(shù)據(jù)節(jié)點與向鄰近的節(jié)點的間距就越小，將其作為車輛監(jiān)控信息的簇點在信息數(shù)據(jù)傳輸時消耗的能耗減小，為控制車輛監(jiān)控信息簇的規(guī)模，在REDD方案中假設車輛監(jiān)控信息簇的半徑為r，只允許與車輛監(jiān)控信息簇首間的距離不超過r的節(jié)點，r值的大小取決于車輛監(jiān)控信息節(jié)點的密度，需保證任意節(jié)點的車輛監(jiān)控信息簇半徑范圍內(nèi)的相鄰近節(jié)點的存在。

車輛監(jiān)控信息成簇算法過程如下：

在Δt1節(jié)點內(nèi)，車輛監(jiān)控信息節(jié)點時刻T1由廣播播送監(jiān)控消息。

T1=t=VΔt1

(8)

式(8)中，車輛監(jiān)控信息的隨機數(shù)表示為V∈(0,1)，在車輛監(jiān)控信息中包含了數(shù)據(jù)節(jié)點剩余的能量，Δt1結束時，數(shù)據(jù)節(jié)點自身的AvgSRx。

在Δt2節(jié)點內(nèi)，車輛監(jiān)控信息節(jié)點時刻T2由廣播播送監(jiān)控消息競爭簇首的時刻。

T2=t+Δt1+WΔt2

(9)

(10)

上述公式中，We、Wc和Wr表示車輛監(jiān)控信息權值系數(shù)滿足We+Wc+Wr=1且We?WcWr，Eres表示當前車輛監(jiān)控信息節(jié)點的剩余能量，Emax表示當前車輛監(jiān)控信息節(jié)點的初始能量，STx表示車輛監(jiān)控信息節(jié)點消息發(fā)射信號的強度，由公式(9)、公式(10)可知，車輛監(jiān)控信息節(jié)點的剩余能量較多且AvgSRx值較大的信息節(jié)點，此時成為車輛監(jiān)控信息簇首的可能性較大，當Δt2結束時，車輛監(jiān)控信息中節(jié)點在簇點半徑內(nèi)至少存在一個簇首。

在Δt3內(nèi)，為了對車輛監(jiān)控信息最小簇內(nèi)進行通信能量消耗，車輛監(jiān)控信息非簇首節(jié)點在時刻T3向鄰近的簇首發(fā)送監(jiān)控消息，請求加入車輛監(jiān)控信息簇：

T3=t+Δt1+Δt2+Δt3

(11)

由此完成將車輛監(jiān)控信息數(shù)據(jù)傳送至通信平臺，在通信平臺上進行信息發(fā)布與展示。

2 仿真實驗及結果分析

2.1 實驗步驟

為了證明物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的車輛監(jiān)控信息平臺設計方法的可行性，需要進行一次仿真實驗。具體步驟如下：

1)在matlab2016的仿真環(huán)境下搭建車輛監(jiān)控信息實驗平臺，實驗數(shù)據(jù)來自北京某街道車輛，把本文提出的方法應用到實驗數(shù)據(jù)中，以此證明該方法的可行性，并且進行數(shù)據(jù)對比分析；

2)將本文方法利用Adaboost算法進行數(shù)據(jù)提取，對比其他方法的數(shù)據(jù)傳輸時間，進行分析；

3)在監(jiān)控數(shù)據(jù)相同的情況下，計算各方法數(shù)據(jù)所占儲存空間，通過曲線波動證明方法的實用性；

4)計算各方法監(jiān)控信息數(shù)據(jù)偏差率，公式為：

(12)

以證明本文所提方法具有可行性。

2.2 實驗結果分析

表1 不同方法下車輛監(jiān)控數(shù)據(jù)提取的速度

對表1進行分析可知，文獻[8]所提方法監(jiān)控數(shù)據(jù)提取的速度相比較文獻[9]所提方法數(shù)據(jù)提取的速度較慢一些，而本文方法相對比文獻[8]與文獻[9]速度較快一些，本文車輛監(jiān)控信息平臺設計方法，在進行監(jiān)控數(shù)據(jù)提取時利用Adaboost算法進行數(shù)據(jù)提取，加快數(shù)據(jù)提取的速度，由此能看出本文方法是有效的。表2表示不同方法下車輛監(jiān)控數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r間(s)對比。

表2 不同方法下監(jiān)控數(shù)據(jù)傳輸時間對比

由表2分析可知，文獻[8]所提方法的監(jiān)控數(shù)據(jù)傳輸時間相比較文獻[9]所提方法得按空數(shù)據(jù)傳輸時間較少一些，而本文所提方法，在進行監(jiān)控數(shù)據(jù)傳輸時利用分簇性能加快監(jiān)控數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣?，減少監(jiān)控數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r間，由此看出本文所提方法是有效可行的。圖2是不同方法下監(jiān)控信息數(shù)據(jù)所占存儲空間(GB)對比。

圖2 不同方法下監(jiān)控數(shù)據(jù)所占存儲空間

分析圖2可知，監(jiān)控數(shù)據(jù)相同的情況下，文獻[8]所提方法監(jiān)控數(shù)據(jù)所占的存儲空間比文獻[9]所提方法監(jiān)控數(shù)據(jù)所占的存儲空間相對占的多一些，文獻[8]所提方法與文獻[9]所提方法監(jiān)控數(shù)據(jù)所占空間的曲線波動比較平緩，但文獻[8]所提方法和文獻[9]所提方法與文本方法相對比，本文方法所占存儲空間相對小一些，進一步證明，本文所提方法實用性較強。圖3表示車輛監(jiān)控信息數(shù)據(jù)偏差率(%)對比。

圖3 不同方法下監(jiān)控數(shù)據(jù)偏差率對比

由圖3可知，文獻[9]所提方法與文獻[10]所提方法的監(jiān)控數(shù)據(jù)偏差率比本文所提方法的監(jiān)控數(shù)據(jù)偏差率較高一些，本文所提方法隨著監(jiān)控數(shù)據(jù)數(shù)量的增加，監(jiān)控數(shù)據(jù)偏差率呈下降趨勢，而文獻[10]所提方法隨著監(jiān)控數(shù)據(jù)數(shù)量的增加，

監(jiān)控數(shù)據(jù)偏差率有上升的趨勢。證明本文所提方法進行監(jiān)控時，數(shù)據(jù)偏差率低，具有可行性的車輛監(jiān)控信息平臺設計方法。

仿真實驗證明，所提方法能有效地對車輛監(jiān)控信息平臺進行設計，成為車輛監(jiān)控安全的重要體現(xiàn)形式，對車輛進行全方位安全監(jiān)控以及監(jiān)控質(zhì)量等方法有著重要的意義，為物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下車輛監(jiān)控信息平臺設計拓展新的路徑。

3 結論

采用的車輛監(jiān)控信息平臺設計方法是視頻圖像對其進行監(jiān)控，監(jiān)控的過程中由于視頻儲存占用空間大，無法設置縮小占用空間，導致監(jiān)控不能及時發(fā)送信息，存在監(jiān)控性能較差，安全性低的問題。提出一種物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的車輛監(jiān)控信息平臺設計方法。通過仿真實驗證明本文所提方法可對車輛信息進行全方位安全監(jiān)控，從而實現(xiàn)車輛的科學化管理，為車輛監(jiān)控的發(fā)展提供有效依據(jù)。

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Vehicles Monitoring Information Platform Design Under the Environment of Internet

Gong Lanfang，Liang Wenzhen

(Guangdong Polytechnic of Water Resources and Electric Engineering,Guangzhou 510925,China)

In order to make the vehicle management more scientific and rational, and improves the management level of the vehicle at the same time to reduce unnecessary spending, need to carry on the design of vehicle monitoring information platform. The current design method of vehicle monitoring information platform is monitored by video image, monitoring process due to the video store to take up the space is large, can not be set to reduce the footprint, lead to monitor can’t send information in time, monitoring performance is poor, monitoring information platform security is low. For this, put forward a kind of Internet environment design method of vehicle monitoring information platform. This method first determine vehicle monitoring information hardware platform is a communication platform, data platform and information sharing platform composed of three parts, and then use Adaboost algorithm to extract of vehicle monitoring information data, based on the extraction of vehicle monitoring information data, combined with REDD scheme of clustering performance, the information of the terminal monitoring data transmission to the communications platform, and finally the communication platform of information distribution and display, the design of vehicle monitoring information platform. The experimental results show that the proposed method can be carried out on the vehicle information comprehensive safety monitoring, so as to realize the scientific management of vehicle for the development of vehicle monitoring provides effective basis.

vehicle monitoring; communication platform; data transmission

2017-04-27；

2017-05-12。

廣東水利電力職業(yè)技術學院自然科學重點項目(cy060402z11)；廣東水利電力職業(yè)技術學院科研創(chuàng)新團隊項目(cy0602t02)。

龔蘭芳(1976-)，女，湖北荊門人，碩士研究生，副教授，主要從事物聯(lián)網(wǎng)應用技術、電子信息工程技術方向的研究。

1671-4598(2017)12-0158-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.12.041

TP311

A