基于RFID技術(shù)的電動(dòng)車防盜監(jiān)控平臺(tái)設(shè)計(jì)

林健　鄭梁

摘 要：為了更好地滿足電動(dòng)車防盜需求，提高被盜電動(dòng)車輛追蹤效率、節(jié)約時(shí)間并降低人力成本，基于RFID技術(shù)設(shè)計(jì)了電動(dòng)車防盜監(jiān)控平臺(tái)。平臺(tái)由Web服務(wù)器集群、Nginx負(fù)載均衡器與數(shù)據(jù)庫組成，闡述了平臺(tái)各部分設(shè)計(jì)并進(jìn)行性能測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明，該電動(dòng)車防盜平臺(tái)運(yùn)行穩(wěn)定、易于操作，能夠在車輛被盜時(shí)及時(shí)幫助失主找回車輛，可基本滿足電動(dòng)車防盜的業(yè)務(wù)需求，并且能夠較好地應(yīng)對(duì)高并發(fā)訪問。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)車防盜; 防盜監(jiān)控; RFID;服務(wù)器集群; Nginx

DOI：10. 11907/rjdk. 191579

中圖分類號(hào)：TP319 ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A??????????????? 文章編號(hào)：1672-7800（2020）003-0172-05

Design of Electric Vehicle Anti-theft Monitoring Platform

Based on RFID Technology

LIN Jian，ZHENG Liang

（School of Electronics & Information， Hangzhou Dianzi University，Hangzhou 310018，China）

Abstract： In order to meet the needs of modern anti-theft field of electric vehicles better and improve the efficiency， save time and decrease manpower cost of tracking stolen electric vehicles， this paper designs an anti-theft monitoring platform for electric vehicles based on RFID technology which is composed of Web server cluster， Nginx load balancer and database. This paper describes the design of each part of the system， and carries out performance testing and result analysis. The test results show that the electric vehicle anti-theft platform in this paper runs stably and is easy for users to operate. It can help the owner to retrieve the vehicle in time when the vehicle is stolen. It basically meets the business needs of electric vehicle anti-theft and can cope with the situation of high concurrency users.

Key Words： electric vehicle anti-theft; anti-theft monitoring; RFID; server cluster; Nginx

0 引言

選擇電動(dòng)自行車（簡(jiǎn)稱電動(dòng)車）作為交通方式具有經(jīng)濟(jì)性、靈活性及方便快捷等優(yōu)勢(shì)，故電動(dòng)車自1995年誕生以來，迅速發(fā)展成為人們出行的主要交通工具之一[1-3]。但電動(dòng)車自身防盜功能較差，導(dǎo)致電動(dòng)車頻繁被盜，給人們帶來了不少經(jīng)濟(jì)損失[4]。

截至目前，傳統(tǒng)電動(dòng)車防盜方式主要有機(jī)械式防盜鎖和電子防盜系統(tǒng)。機(jī)械式防盜鎖是一種通過將電動(dòng)車某個(gè)操作裝置進(jìn)行機(jī)械固定，使其不能正常運(yùn)動(dòng)的靜態(tài)防盜方式，如龍頭鎖、電機(jī)鎖等。機(jī)械式防盜鎖價(jià)格低廉、易于安裝，但不具備報(bào)警功能，故防盜性能不強(qiáng)且缺乏及時(shí)性;電子防盜系統(tǒng)主要通過各種傳感器感應(yīng)周圍環(huán)境變化，從而發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)，或者通過無線網(wǎng)絡(luò)獲取電動(dòng)車位置信息，從而實(shí)現(xiàn)防盜。國(guó)內(nèi)外已有部分學(xué)者針對(duì)該防盜方式提出了設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方案。如張遠(yuǎn)文等[5]在GPS/LBS雙模定位報(bào)警裝置基礎(chǔ)上，結(jié)合移動(dòng)終端和監(jiān)控平臺(tái)提出一種改良方案，該方案定位精度高，但報(bào)警時(shí)噪音大，且容易在非防盜條件下誤報(bào)警;Hossian等[6]提出一種由微控制器、GPS模塊、GSM模塊、報(bào)警器與基于車把旋轉(zhuǎn)檢測(cè)的防盜傳感器等組成的防盜系統(tǒng)，系統(tǒng)通過檢測(cè)車把從左向右或從右向左的旋轉(zhuǎn)角度判斷盜竊情況，可有效減少誤報(bào)現(xiàn)象，但缺點(diǎn)在于沒有為電動(dòng)車搭建高效的監(jiān)控管理平臺(tái);唐夢(mèng)達(dá)等[7]提出的防盜系統(tǒng)通過GPRS將狀態(tài)GPS+北斗定位模塊的定位數(shù)據(jù)發(fā)送至服務(wù)器，再轉(zhuǎn)發(fā)至用戶手機(jī)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)車的實(shí)時(shí)監(jiān)控，但服務(wù)器在應(yīng)對(duì)高并發(fā)訪問方面存在不足。

傳統(tǒng)電動(dòng)車防盜系統(tǒng)在防盜功能設(shè)計(jì)上以硬件為主，裝載在電動(dòng)車上的硬件裝置比較容易被破壞，在被剪斷供電線路、取出GSM模塊中的手機(jī)卡等情況下則會(huì)失去防盜功能。同時(shí)，防盜系統(tǒng)中的服務(wù)器平臺(tái)只是作為一個(gè)數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站，在高并發(fā)訪問情況下難以保證其可靠性。本文基于RFID技術(shù)提出一個(gè)電動(dòng)車防盜監(jiān)控平臺(tái)，采用RFID應(yīng)用系統(tǒng)，只需在電動(dòng)車的隱蔽位置貼載電子標(biāo)簽，即可避免上述風(fēng)險(xiǎn)，并且可將所有請(qǐng)求通過負(fù)載均衡器分配給服務(wù)器集群，保證了高并發(fā)情況下系統(tǒng)的可靠性。

1 系統(tǒng)框架

電動(dòng)車防盜監(jiān)控平臺(tái)可分為3部分：服務(wù)器集群、負(fù)載均衡器和數(shù)據(jù)庫。監(jiān)測(cè)點(diǎn)架設(shè)的RFID閱讀器通過非接觸式通信采集信息[8-9]，之后借助基站與電動(dòng)車防盜監(jiān)控平臺(tái)進(jìn)行通信。用戶利用接入互聯(lián)網(wǎng)的瀏覽器Web端注冊(cè)、登錄與訪問電動(dòng)車防盜監(jiān)控平臺(tái)，可對(duì)電動(dòng)車進(jìn)行備案并查看監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。平臺(tái)啟動(dòng)后則開始監(jiān)聽監(jiān)測(cè)設(shè)備端發(fā)送的請(qǐng)求，在收到用戶請(qǐng)求后創(chuàng)建新進(jìn)程，接收數(shù)據(jù)并通過JSON格式解析出原始信息，根據(jù)信息中的監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)備執(zhí)行動(dòng)作運(yùn)行相關(guān)程序鏈，并同樣以JSON格式反饋響應(yīng)信息。

本電動(dòng)車防盜平臺(tái)采用Nginx服務(wù)器實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡，以應(yīng)對(duì)高并發(fā)訪問情況，保證運(yùn)行穩(wěn)定性。Web服務(wù)器集群搭建完成后，在Nginx服務(wù)器安裝目錄的nginx.conf配置文件中添加Web服務(wù)器集群配置。用戶請(qǐng)求由多個(gè)Web服務(wù)器分擔(dān)，從而提高了并行處理能力。

在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方面，采用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫MySQL以持久化保存各種數(shù)據(jù)，以及非關(guān)系型Redis數(shù)據(jù)庫緩存查詢過的數(shù)據(jù)，以緩解MySQL數(shù)據(jù)庫的訪問壓力，并存儲(chǔ)用戶訪問時(shí)的Session，保證同一用戶請(qǐng)求被發(fā)送到不同Web服務(wù)器時(shí)也能同步Session，防止用戶信息丟失。

2 監(jiān)控平臺(tái)設(shè)計(jì)

2.1 功能設(shè)計(jì)

監(jiān)控平臺(tái)可分為5個(gè)功能模塊，包括：用戶管理、車輛管理、監(jiān)測(cè)點(diǎn)管理、地圖顯示與數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，如圖2所示。

（1）用戶管理。本模塊可分為用戶信息和權(quán)限管理兩部分。用戶通過瀏覽器訪問平臺(tái)，進(jìn)行注冊(cè)、登錄、上傳頭像和修改密碼等操作，注冊(cè)時(shí)需要綁定用戶手機(jī)。用戶可分為普通用戶與管理員，兩者具有不同權(quán)限。普通用戶只能查看與修改自己的信息，管理員還可以修改普通用戶信息、備案車輛信息及進(jìn)行監(jiān)測(cè)點(diǎn)管理等。

（2）車輛管理。本模塊分為車輛信息、數(shù)據(jù)顯示與防盜告警3部分。用戶在后臺(tái)管理界面進(jìn)行車輛備案并綁定電子標(biāo)簽，可對(duì)備案車輛進(jìn)行信息修改，并通過圖表查看上傳至平臺(tái)的電動(dòng)車軌跡數(shù)據(jù)。當(dāng)備案車輛被盜時(shí)，設(shè)置該車輛案件狀態(tài)為“已被盜”，若云平臺(tái)監(jiān)控到被盜車輛軌跡信息，則通過短信方式告知車主車輛位置信息。

（3）監(jiān)測(cè)點(diǎn)管理。管理員可查詢、增加、修改與刪除監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)備，設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)激活狀態(tài)。對(duì)于處于未激活狀態(tài)或未備案的監(jiān)測(cè)點(diǎn)發(fā)送的請(qǐng)求，云平臺(tái)則加以忽略，不作處理。該模塊與監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行交互，負(fù)責(zé)接收監(jiān)測(cè)點(diǎn)上傳的數(shù)據(jù)。

（4）地圖顯示。用戶可通過瀏覽器在地圖上查看已備案電動(dòng)車輛指定日期的軌跡信息，非常直觀、方便。

（5）數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。采用表格和統(tǒng)計(jì)圖方式展示用戶指定車輛在指定時(shí)間段內(nèi)的軌跡點(diǎn)統(tǒng)計(jì)信息，可直觀反映電動(dòng)車輛軌跡頻次。

2.2 分布設(shè)計(jì)

為了將所有用戶請(qǐng)求任務(wù)分配給服務(wù)器集群共同完成，電動(dòng)車防盜監(jiān)控平臺(tái)采用Nginx服務(wù)器將訪問負(fù)載分配給集群中的單一服務(wù)器節(jié)點(diǎn)[10]。Nginx是一款常用的輕量級(jí)反向代理服務(wù)器，具有占用內(nèi)存少、并發(fā)能力強(qiáng)等特點(diǎn)[11-12]，可使服務(wù)器集群在高并發(fā)訪問情況下也運(yùn)行穩(wěn)定[13]。啟動(dòng)Nginx服務(wù)器后，Nginx內(nèi)部運(yùn)行進(jìn)程，不使用線程[14]。master進(jìn)程作為主進(jìn)程，用來管理相互獨(dú)立的worker進(jìn)程，負(fù)責(zé)接收來自用戶的訪問信號(hào)，向各worker子進(jìn)程發(fā)送信息，以及監(jiān)控所有worker子進(jìn)程運(yùn)行狀態(tài)[15]。若有worker子進(jìn)程出現(xiàn)異常并退出，master進(jìn)程會(huì)接收到信息并重新啟動(dòng)新的worker子進(jìn)程。一個(gè)請(qǐng)求只可能在一個(gè)worker子進(jìn)程中進(jìn)行處理，一個(gè)worker子進(jìn)程不可能處理其它進(jìn)程請(qǐng)求。Nginx進(jìn)程模型如圖3所示。

完成Web應(yīng)用程序開發(fā)之后，將其部署至Tomcat服務(wù)器，利用Nginx進(jìn)行負(fù)載均衡。在啟動(dòng)Nginx之前需要進(jìn)行配置，在nginx.conf文件中添加如下配置：

HTTP {

…

…

…

upstream xxx{#集群名

server xxx：xxx;#IP地址：端口號(hào)

server xxx：xxx;

}

server {

listen?????? 80;

server_name? localhost;

location / {

root?? html;

index? index.html index.htm;

proxy_pass xxx;#上面的集群名

}

…

…

…

}

2.3 交互設(shè)計(jì)

通信模塊是系統(tǒng)的基礎(chǔ)模塊。電動(dòng)車防盜監(jiān)控平臺(tái)采用B/S模式，故電動(dòng)車防盜監(jiān)控平臺(tái)通信包括平臺(tái)與用戶之間，以及平臺(tái)與RFID基站之間的通信。通信采用HTTP協(xié)議，由瀏覽器或設(shè)備端發(fā)送HTTP請(qǐng)求，建立可靠連接。

2.3.1 瀏覽器交互

Web服務(wù)器應(yīng)用程序開發(fā)采用Struts2框架，Struts2作為控制器（Controller）負(fù)責(zé)業(yè)務(wù)邏輯流轉(zhuǎn)與控制[16]。使用Struts2框架首先要引入開發(fā)的jar包，并配置Struts2的前端控制器，在項(xiàng)目的web.xml中進(jìn)行如下配置：

struts2

org.apache.struts2.dispatcher.ng.filter.StrutsPrepareAndExecuteFilter

struts2

/*

在Struts2框架下編寫Action動(dòng)作類，作為處理請(qǐng)求、封裝數(shù)據(jù)、響應(yīng)頁面的核心控制器。電動(dòng)車防盜監(jiān)控平臺(tái)的JavaWeb應(yīng)用程序中編寫了CustomerAction類、DeviceAction類和VehicleAction類，分別接收用戶管理、監(jiān)測(cè)點(diǎn)管理和車輛管理相關(guān)的HTTP請(qǐng)求。每個(gè)Action類都繼承了ActionSupport類，以模型驅(qū)動(dòng)的方式傳遞數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)的ModelDriven并添加getModel方法。因此，需要手動(dòng)實(shí)例化T類型的JavaBean對(duì)象，以CustomerAction為例：

public class CustomerAction extends ActionSupport implements ModelDriven{

//手動(dòng)實(shí)例化JavaBean

private Customer customer=new Customer（）;

@Override

public Customer getModel（） {

// TODO Auto-generated method stub

return customer;

}

…

}

當(dāng)電動(dòng)車監(jiān)控平臺(tái)需要傳遞數(shù)據(jù)至前端頁面時(shí)，可在處理請(qǐng)求后將要傳遞的數(shù)據(jù)存入值棧，其英文名為ValueStack。值棧相當(dāng)于Struts2框架的數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站，向值棧存入數(shù)據(jù)，采用OGNL（Object Graphic Navigation Language）表達(dá)式在JSP（Java Servlet Pages）頁面獲取值棧中的值。值棧由root棧和context棧兩部分組成，root存放Struts2壓入ObjectStack中以List形式存放的動(dòng)作與相關(guān)對(duì)象，而context存放壓入contextMap中的各種映射關(guān)系（一些Map類型對(duì)象）。本平臺(tái)多利用context棧將數(shù)據(jù)傳遞至發(fā)送請(qǐng)求的瀏覽器。以CustomerAction為例，向前端傳遞數(shù)據(jù)方法如下：

（1）后臺(tái)將值存入值棧（context棧）。

//獲取request

HTTPServletRequest request = ServletActionContext.getRequest（）;

//存入Session域

request.getSession（）. setAttribute（“l(fā)ogined_cst”，customer）;

（2） JSP獲取值棧對(duì)象。

本平臺(tái)采用配置文件開發(fā)，所以還要對(duì)每個(gè)Action類進(jìn)行配置。以本平臺(tái)中的CustomerAction為例，在struts.xml中的標(biāo)簽之間先配置包結(jié)構(gòu)，再在包結(jié)構(gòu)標(biāo)簽中配置已編寫好的Action類。

<！-- 先配置包結(jié)構(gòu) -->

xxx

…

…

當(dāng)瀏覽器采用表單或AJAX（Asynchronous JavaScript And XML）方式發(fā)送HTTP請(qǐng)求時(shí)，無論是Get請(qǐng)求還是Post請(qǐng)求，都要在URI路徑中寫入”customer_xxx”（“xxx”代表CustomerAction類中接收請(qǐng)求的方法）。若接收請(qǐng)求方法的返回值為String類型，且為該返回值配置了標(biāo)簽，則在CustomerAction類中處理完請(qǐng)求后，跳轉(zhuǎn)到標(biāo)示的結(jié)果頁面邏輯視圖。

2.3.2 監(jiān)測(cè)設(shè)備交互

監(jiān)測(cè)設(shè)備經(jīng)由RFID基站與平臺(tái)交互，同樣采用HTTP協(xié)議，設(shè)備向電動(dòng)車防盜監(jiān)控平臺(tái)發(fā)送Get請(qǐng)求，除在Get請(qǐng)求的URL中加入?yún)?shù)外，還有一些參數(shù)存放于請(qǐng)求頭Header中，如表1所示。為了滿足與監(jiān)測(cè)設(shè)備交互的需要，平臺(tái)提供了一系列API（Application Programming Interface）接口，如表2所示。

服務(wù)器接收請(qǐng)求進(jìn)行一系列相應(yīng)動(dòng)作后，返回JSON格式的字符串?dāng)?shù)據(jù)。以表2中的device_token為例，服務(wù)器向設(shè)備返回內(nèi)容如下：

{

result：{

access_token：”xxx”，

expire_time：7 200

}

其中，xxx代表服務(wù)器傳遞給設(shè)備端的token，“7 200”表示token的有效時(shí)間，單位為秒。

2.4 數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

電動(dòng)車防盜監(jiān)控平臺(tái)采用支持多用戶、多線程[17]的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫MySQL作為持久化存儲(chǔ)方式。MySQL具有處理速度快、可靠性高、可移植性好及支持大量數(shù)據(jù)查詢與存儲(chǔ)等優(yōu)點(diǎn)[18]，廣泛應(yīng)用于互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)。同時(shí)，為了在高并發(fā)情況下緩解MySQL訪問壓力，使用Redis作為MySQL數(shù)據(jù)庫的輔助數(shù)據(jù)庫。Redis是一個(gè)高性能的key-value數(shù)據(jù)庫，通過將數(shù)據(jù)放入內(nèi)存以提高讀寫效率[19-20]。官方公布的測(cè)試結(jié)果表明，Redis讀數(shù)據(jù)速度為110 000次/s，寫數(shù)據(jù)速度為81 000次/s。

另外，用戶發(fā)送的請(qǐng)求經(jīng)負(fù)載均衡到Tomcat集群中的某臺(tái)服務(wù)器，將當(dāng)前用戶信息放入Session中，而下一次用戶請(qǐng)求或許不是同一臺(tái)服務(wù)器進(jìn)行處理，因此存在著Session共享問題。故Redis同時(shí)被用來解決Session共享問題，將Session讀取/存儲(chǔ)到Redis服務(wù)器，使得用戶請(qǐng)求由不同服務(wù)器處理時(shí)，可實(shí)現(xiàn)用戶信息的同步。數(shù)據(jù)庫架構(gòu)如圖4所示。

Redis底層采用C語言實(shí)現(xiàn)，主要使用命令進(jìn)行操作，Web端在代碼中使用Jedis操作Redis。在Tomcat服務(wù)器文件lib目錄下導(dǎo)入jar包，并在context.xml文件中配置如下：

host=“xxx”<！—Redis網(wǎng)絡(luò)地址-->

port=“6379”<！—Redis本地端口號(hào)-->

database=“0” <！—數(shù)據(jù)庫標(biāo)號(hào) -->

maxInactiveInterval=“1 800” <！—Redis有效時(shí)間，單位為s--> />

3 性能測(cè)試

在阿里云將服務(wù)器部署于Linux系統(tǒng)，使用壓力測(cè)試工具Jmeter對(duì)部署的單一服務(wù)器與服務(wù)器集群進(jìn)行性能測(cè)試。Jmeter是一款由Java編寫的可用于實(shí)現(xiàn)負(fù)載功能的開源工具軟件，小巧輕便，是一款主流的性能測(cè)試工具。測(cè)試服務(wù)器集群由3臺(tái)Tomcat服務(wù)器組成，服務(wù)器操作系統(tǒng)為Ubuntu16.04。測(cè)試前需添加線程組、HTTP請(qǐng)求及匯總報(bào)告等，然后在DOS界面輸入測(cè)試命令進(jìn)行性能測(cè)試。

本測(cè)試在不同的并發(fā)線程組下，對(duì)單個(gè)服務(wù)器和整個(gè)服務(wù)器集群的平均響應(yīng)時(shí)間進(jìn)行測(cè)試，通過平均響應(yīng)時(shí)間反映本電動(dòng)車防盜平臺(tái)的并發(fā)能力。測(cè)試結(jié)果如表3所示。

由表3可以看出，當(dāng)并發(fā)數(shù)低于300時(shí)，服務(wù)器集群的平均反應(yīng)時(shí)間多于單個(gè)服務(wù)器。在單服務(wù)器情況下，請(qǐng)求直接訪問服務(wù)器，而在服務(wù)器集群情況下，具體由集群中哪個(gè)服務(wù)器進(jìn)行處理則需要有一個(gè)負(fù)載均衡過程，所以在并發(fā)數(shù)未超過單一服務(wù)器承受能力時(shí)，服務(wù)器集群沒有明顯優(yōu)勢(shì)。當(dāng)并發(fā)數(shù)達(dá)到300及以上時(shí)，并發(fā)數(shù)超過了單服務(wù)器承受能力，服務(wù)器集群的優(yōu)勢(shì)則會(huì)凸顯出來。顯然，服務(wù)器集群提升了系統(tǒng)性能，適合單服務(wù)器達(dá)到并發(fā)瓶頸的高并發(fā)應(yīng)用場(chǎng)景。

4 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于RFID的電動(dòng)車防盜監(jiān)控平臺(tái)，只需在電動(dòng)車上貼載電子標(biāo)簽即可進(jìn)行防盜監(jiān)控，避免了傳統(tǒng)電動(dòng)車防盜系統(tǒng)在硬件遭到破壞或切斷電源線時(shí)喪失防盜功能的風(fēng)險(xiǎn)。為了應(yīng)對(duì)高并發(fā)用戶訪問，電動(dòng)車防盜監(jiān)控平臺(tái)搭建服務(wù)器集群并使用Nginx進(jìn)行負(fù)載均衡。測(cè)試結(jié)果表明，分布式集群設(shè)計(jì)提高了平臺(tái)并發(fā)量，減少了請(qǐng)求處理響應(yīng)時(shí)間，適用于高并發(fā)應(yīng)用場(chǎng)景，但在單服務(wù)器未達(dá)到性能瓶頸時(shí)的低并發(fā)訪問階段，分布式集群設(shè)計(jì)并沒有明顯優(yōu)勢(shì)。未來該電動(dòng)車防盜平臺(tái)將實(shí)現(xiàn)更為豐富的防盜告警功能，如將人工智能技術(shù)應(yīng)用于電動(dòng)車安全系數(shù)分析，并向用戶發(fā)送提醒信息，從而實(shí)現(xiàn)一個(gè)更加智能化的電動(dòng)車防盜監(jiān)控平臺(tái)。

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（責(zé)任編輯：黃 ?。?/p>

收稿日期：2019-04-21

作者簡(jiǎn)介：林?。?992-），男，杭州電子科技大學(xué)電子信息學(xué)院碩士研究生，研究方向?yàn)檐浖こ膛c項(xiàng)目管理;鄭梁（1981-），男，杭州電子科技大學(xué)電子信息學(xué)院副教授，研究方向?yàn)殡娐放c系統(tǒng)應(yīng)用。