基于物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議的車輛信息系統(tǒng)開發(fā)

李鵬程，張文勝+，郭 棟，郝孜奇

(1.石家莊鐵道大學(xué) 交通運(yùn)輸學(xué)院，河北 石家莊 050043；2.中鐵十四局集團(tuán)公司遂道工程有限公司， 山東 濟(jì)南 250000；3.山東省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 科技研發(fā)中心，山東 濟(jì)南 250101)

0 引 言

MQTT、WebScoket運(yùn)行在傳輸控制協(xié)議/網(wǎng)際協(xié)議之上[1]，用于物聯(lián)網(wǎng)[2](Internet of things，IoT)設(shè)備的消息傳遞。前者通過發(fā)布/訂閱模式實(shí)現(xiàn)[3,4]，憑借耗電慢、吞吐量小等優(yōu)點(diǎn)[5]，常用于智能家居[6]等領(lǐng)域。但是受限于傳輸能力和消息質(zhì)量等級，有數(shù)據(jù)重復(fù)、傳輸節(jié)點(diǎn)通道不穩(wěn)定等問題。后者傳輸時(shí)僅需一次握手，便可實(shí)現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)推送[7]，常用于服務(wù)器數(shù)據(jù)交互領(lǐng)域[8]，比如疫情軌跡追蹤等。在用于物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域時(shí)，由于數(shù)據(jù)格式的不同，需對其進(jìn)行封裝處理。

針對兩種協(xié)議的特點(diǎn)，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了研究。馬鑫龍等針對數(shù)據(jù)傳輸，提出了基于MQTT協(xié)議的傳輸方法[9]。呂閆等設(shè)計(jì)了WebSocket實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)推送方法[10]。Mileva Aleksandra等研究了MQTT所選數(shù)據(jù)隱藏技術(shù)[11]。Linh Manh Pham等開發(fā)了基于MQTT協(xié)議的消息件工具[12]。Mauro A.A等提出了物聯(lián)網(wǎng)傳輸中中間件的重要性[13]。

以上對兩種通信協(xié)議的研究工作都是單邊展開，未實(shí)質(zhì)解決兩類協(xié)議在傳輸數(shù)據(jù)時(shí)的問題。因此本文將對基于MQTT over WebSocket數(shù)據(jù)傳輸進(jìn)行研究。通過設(shè)身份標(biāo)識去重算法生成ID數(shù)據(jù)，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)奈ㄒ恍裕鉀Q多節(jié)點(diǎn)傳輸通道數(shù)據(jù)重復(fù)問題。然后對生成的ID數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)格式封裝匹配，使服務(wù)器可以主動(dòng)向應(yīng)用端推送封裝消息，避免單節(jié)點(diǎn)傳輸通道與服務(wù)器連接不穩(wěn)定的問題。最終結(jié)合實(shí)例，開發(fā)一套車輛信息管理系統(tǒng)，用于驗(yàn)證方法的可行性和傳輸性能。

1 基于MQTT over WebSocket的數(shù)據(jù)傳輸

1.1 身份標(biāo)識去重算法

受限于MQTT協(xié)議的消息交付質(zhì)量等級，IoT設(shè)備使用MQTT協(xié)議進(jìn)行消息傳輸時(shí)容易出現(xiàn)數(shù)據(jù)重復(fù)、冗雜等問題。因此需要對消息進(jìn)行去重處理，身份標(biāo)識去重算法流程如圖1所示。根據(jù)自身的設(shè)備號，在消息數(shù)據(jù)里設(shè)置一個(gè)身份標(biāo)識符(Client_ID)，輔以獲取的數(shù)據(jù)信息，如經(jīng)緯度數(shù)據(jù)、溫度數(shù)據(jù)等。如果Client_ID不唯一，則進(jìn)行重新生成，如果唯一，訂閱端保存已經(jīng)收到的Client_ID。每當(dāng)接收到新消息，通過Client_ID判斷消息的獨(dú)立性，如果與儲存信息相同，則舍棄；如果沒有不同則更新Client_ID并存生成ID數(shù)據(jù)信息，如此可以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)莫?dú)立性。算法核心代碼如下：

sprintf(postDate， “{“IsFix”:“%s”， “Lat”:%lf， “Lon”:%lf}”

isFixedStr， latitude， longitude);//這里獲取設(shè)備數(shù)據(jù)信息

INFO_GetIMEI(imei);//這里獲取IMEI

sprintf(tClient, “{“Imei”:“%s”， “PostDatet”:%lf}”//融合信息

if (NULL == pJsonRoot){Trace(1, "tClient data pJsonRoot == NULL"); goto __tClient_Delete; }/執(zhí)行判斷

tClient *pJsonRoot = tClient_Parse(data)

MQTT_tClient* client = MQTT_tClientNew();

if (tClient_IsString(pCMD) && (tClient->valuestring != NULL))

_tClient_Delete:tClient_Delete(pJsonRoot);}

圖1 身份標(biāo)識去重算法流程

1.2 數(shù)據(jù)格式匹配算法

使用去重算法后進(jìn)行MQTT傳輸，保證了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，但是因?yàn)镸QTT協(xié)議特點(diǎn)，應(yīng)用終端只能單方面接受IoT設(shè)備消息，由于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境波動(dòng)和內(nèi)存緩沖區(qū)儲存的壓力，容易造成傳輸節(jié)點(diǎn)通道不穩(wěn)定，從而對數(shù)據(jù)傳輸速度產(chǎn)生影響。而使用WebSocket協(xié)議可以允許服務(wù)器端主動(dòng)向客戶端推送消息，可以通過握手建立的穩(wěn)定通道連接持久傳輸數(shù)據(jù)信息，來避免IoT設(shè)備通過節(jié)點(diǎn)通道直接向應(yīng)用終端傳輸消息，減少對數(shù)據(jù)傳輸速度的影響。但經(jīng)過去重算法后的MQTT傳輸?shù)南⒏袷讲环蟇ebSocket的格式要求，因此需要通過對端口信息、ID信息的數(shù)據(jù)格式進(jìn)行匹配，對消息進(jìn)行封裝，最終生成滿足WebSocket協(xié)議，包含ID數(shù)據(jù)以及設(shè)備數(shù)據(jù)的需求信息數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)格式匹配算法流程如圖2所示，算法核心代碼如下：

圖2 數(shù)據(jù)格式匹配算法流程

cJSON *pJsonRoot = cJSON_Parse(data);{//判斷是否為Json格式的數(shù)據(jù)

if (NULL == pJsonRoot){Trace(1, "MQTT data pJsonRoot == NULL"); goto __cJSON_Delete; }/執(zhí)行判斷

cJSON *pCMD = cJSON_GetObjectItemCaseSensitive(pJsonRoot, "cmd");

if (cJSON_IsString(pCMD) && (pCMD->valuestring != NULL))

_cJSON_Delete:cJSON_Delete(pJsonRoot);}

1.3 MQTT over WebSocket數(shù)據(jù)傳輸模型

基于MQTT over WebSocket進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，本質(zhì)上是為了綜合兩種通信協(xié)議的優(yōu)點(diǎn)，彌補(bǔ)各自的不足，MQTT over Websocket傳輸數(shù)據(jù)的總體模型實(shí)現(xiàn)過程如圖3所示。首先以IoT設(shè)備作為MQTT客戶端，在獲取設(shè)備數(shù)據(jù)消息的同時(shí)，通過身份標(biāo)識去重算法生成ID消息數(shù)據(jù)，可以確保節(jié)點(diǎn)傳輸通道中的消息唯一性。此外，PC作為WebSocket服務(wù)器，對ID消息數(shù)據(jù)進(jìn)行格式匹配與封裝，有助于保證消息傳輸節(jié)點(diǎn)通道的穩(wěn)定性。最終在中間件消息服務(wù)器實(shí)現(xiàn)需求信息數(shù)據(jù)的訂閱與發(fā)布，使得消息數(shù)據(jù)能夠由服務(wù)器主動(dòng)向應(yīng)用終端推送，完成高效率、低流量、高穩(wěn)定性的數(shù)據(jù)傳輸。

圖3 MQTT over WebSocket數(shù)據(jù)傳輸模型

2 系統(tǒng)開發(fā)及應(yīng)用

隨著我國高等教育快速發(fā)展，高校多校區(qū)建設(shè)成為常態(tài)，往返校區(qū)間的校車成為師生通勤的重要選擇。隨著校車投放的增多，工作人員如何通過信息化手段管理校車，師生如何實(shí)時(shí)了解校車運(yùn)行狀態(tài)成為了亟待解決的問題。為了解決這些問題，同時(shí)驗(yàn)證MQTT over WebSocket進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)目尚行?，開發(fā)了車輛信息管理系統(tǒng)。

2.1 系統(tǒng)開發(fā)

2.1.1 系統(tǒng)架構(gòu)

根據(jù)MQTT over WebScoket數(shù)據(jù)傳輸模型，車輛信息管理系統(tǒng)開發(fā)采用三層軟件架構(gòu)體系，分別為硬件層、服務(wù)器層和軟件層，圖4為系統(tǒng)平臺架構(gòu)。

圖4 系統(tǒng)平臺架構(gòu)

其中硬件層位于整個(gè)系統(tǒng)最底層，主要完成硬件模塊的物理熔接、燒錄開發(fā)、MQTT配置。并且在此層級使用身份標(biāo)識去重算法完成信息數(shù)據(jù)獲?。环?wù)器層是連接硬件層和軟件層的樞紐，需進(jìn)行環(huán)境搭建、服務(wù)器開發(fā)以及MQTT服務(wù)器配置等工作。并且在此層級使用數(shù)據(jù)格式匹配算法完成信息數(shù)據(jù)封裝；軟件端是程序功能實(shí)現(xiàn)的平臺，主要通過編寫JS腳本以及相應(yīng)組件的掛載，實(shí)現(xiàn)車輛定位、車輛預(yù)約、信息管理、動(dòng)態(tài)天氣、實(shí)時(shí)路況等功能。

2.1.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖5 系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程

車輛定位系統(tǒng)采用C/S架構(gòu)，選取微信開發(fā)者平臺作為系統(tǒng)開發(fā)平臺，選取EMQ X Broker作為中間消息件服務(wù)器，選取騰訊云服務(wù)器作為后臺服務(wù)器，開發(fā)支持北斗導(dǎo)航的安信可A9g開發(fā)板作為IoT設(shè)備。系統(tǒng)基于MQTT over WebSocket進(jìn)行消息數(shù)據(jù)傳輸，最終在微信平臺上發(fā)布程序，設(shè)計(jì)流程如圖5所示。

2.1.3 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

系統(tǒng)以MQTT over WebSocket為核心方法進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，分別針對IoT設(shè)備、服務(wù)器進(jìn)行開發(fā)，以滿足使用身份標(biāo)識去重算法和數(shù)據(jù)格式匹配算法的需要。

(1)IoT設(shè)備開發(fā)

系統(tǒng)需要對IoT設(shè)備如A9g模塊、螢石云攝像頭等進(jìn)行開發(fā)。以A9g模塊為例，在對硬件設(shè)備完成焊接等處理后，執(zhí)行代碼燒錄，將工程項(xiàng)目代碼燒錄到開發(fā)板當(dāng)中，實(shí)現(xiàn)模塊自身定位、獲取經(jīng)緯度數(shù)據(jù)信息等功能，以便融合身份標(biāo)識信息。其中，通過循環(huán)邏輯來判斷是否成功開啟開發(fā)板的定位功能。

if(isGpsOn){//判斷定位狀態(tài)

uint8_tisFixed=gpsInfo->gsa[0].fix_type >gpsInfo->gsa[1].fix_type ?gpsInfo->gsa[0].fix_type:gpsInfo->gsa[1].fix_type;

char* isFixedStr; if(isFixed == 2)isFixedStr = "2D fix";else if(isFixed == 3){if(gpsInfo->gga.fix_quality == 1)

isFixedStr = "3D fix";

else if(gpsInfo->gga.fix_quality == 2)isFixedStr = "3D/DGPS fix";}

else{

isFixedStr = "no fix";

snprintf(buffer,sizeof(buffer),"GPS fix mode:%d, BDS fix mode:%d, fix quality:%d, satellites tracked:%d, gps sates total:%d, is fixed:%s,coordinate:WGS84,Latitude:%f,Longitude:%f,unit:degree,altitude:%f",gpsInfo->gsa[0].fix_type,gpsInfo->gsa[1].fix_type,gpsInfo->gga.fix_quality,gpsInfo->gga.satellites_tracked,gpsInfo->gsv[0].total_sats,isFixedStr,latitude,longitude,gpsInfo->gga.altitude);}

通過可視化管理工具，當(dāng)回彈打印出“is fixed”時(shí)，便代表獲取到了開發(fā)板自身的經(jīng)緯度數(shù)據(jù)信息(即需要輸入到身份標(biāo)識去重算法中的設(shè)備數(shù)據(jù)信息)，表明模塊通過北斗導(dǎo)航成功實(shí)現(xiàn)了定位。

(2)服務(wù)器開發(fā)

EMQ X Broker是一款高并發(fā)低時(shí)延、支持分布式集群架構(gòu)的開源物聯(lián)網(wǎng)MQTT服務(wù)器，支持多種物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議，如完整支持MQTT第五代協(xié)議規(guī)范，適合用于構(gòu)建從邊緣到云端的各種5G、物聯(lián)網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)平臺與應(yīng)用。

因?yàn)橄到y(tǒng)最終發(fā)布在微信程序，而微信程序的架構(gòu)是用基本前端代碼實(shí)現(xiàn)，與MQTT服務(wù)器無法進(jìn)行直接消息傳輸，需要對服務(wù)器進(jìn)行開發(fā)以滿足代理，從而獲取輸入到數(shù)據(jù)格式匹配算法中的端口號信息，開發(fā)邏輯如圖6所示。

圖6 服務(wù)器開發(fā)邏輯

(3)訂閱與發(fā)布

完成IoT設(shè)備和服務(wù)器的開發(fā)后，利用MQTT over WebSocket數(shù)據(jù)傳輸模型實(shí)現(xiàn)所封裝數(shù)據(jù)信息的訂閱與發(fā)布，比如經(jīng)緯度數(shù)據(jù)信息以及轉(zhuǎn)化格式的視頻數(shù)據(jù)信息，最終在微信程序端完成對數(shù)據(jù)信息的調(diào)用，實(shí)現(xiàn)對車輛信息的管理。數(shù)據(jù)信息訂閱與發(fā)布如圖7所示。

圖7 數(shù)據(jù)信息訂閱與發(fā)布

2.2 系統(tǒng)應(yīng)用

基于MQTT over WebSocket的車輛信息管理系統(tǒng)主要包含車輛位置信息管理、開行方案信息管理、車輛座位信息管理、圖像信息管理等功能模塊，并且已經(jīng)在石家莊鐵道大學(xué)校車上進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用。模塊封裝設(shè)備如圖8所示，校車如圖9所示。

圖8 模塊封裝設(shè)備

圖9 校車整體

2.2.1 車輛位置信息管理

對于車輛位置信息的管理，是系統(tǒng)的核心功能。以2號車為例，點(diǎn)擊“2號車”按鈕，如果車輛運(yùn)行正常，會出現(xiàn)“定位成功”的字樣，并且車輛圖標(biāo)會顯示在頁面中央；如果車輛上IoT設(shè)備正在定位或者車輛未啟動(dòng)，會出現(xiàn)“車輛未運(yùn)行或定位中”字樣。

2.2.2 開行方案信息管理

在實(shí)際應(yīng)用中，老師分散居住在城市各地，所以車輛存在多條運(yùn)營線路，由于站點(diǎn)眾多，導(dǎo)致部分師生無法了解車輛的準(zhǔn)確?？康攸c(diǎn)、開行時(shí)間。同時(shí)，管理人員需要針對路況信息和日程安排進(jìn)行開行方案調(diào)整，因此系統(tǒng)設(shè)置開行方案信息管理模塊解決此問題。

2.2.3 車輛座位信息管理

如何讓師生知道具體車輛的座位信息，具體車站的車輛信息，如何讓管理者能夠知道校車空間內(nèi)部信息等等也是在校車運(yùn)行中存在的問題，為了解決這些問題，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了車輛選座功能，在頁面右上角有選座按鈕，點(diǎn)擊按鈕，可以進(jìn)行分車輛分車站的選座預(yù)約，方便校車管理以及師生乘車。

2.2.4 視頻信息管理模塊

為了防止車輛意外，保證運(yùn)行過程中校車管理人員對車廂的信息獲取以及進(jìn)行更好的安全管理，每輛車放置了一個(gè)攝像頭，同時(shí)通過螢石云平臺與微信程序進(jìn)行了網(wǎng)絡(luò)關(guān)聯(lián)，管理人員可以通過點(diǎn)擊按鈕進(jìn)行視頻信息的獲取和儲存。

2.2.5 其它信息管理模塊

其它信息管理模塊主要包含道路、天氣等其它信息。為了讓師生更好地了解出行情況，系統(tǒng)設(shè)有天氣、道路擁堵、空氣質(zhì)量等信息展示功能。

各個(gè)系統(tǒng)功能模塊應(yīng)用截圖如圖10所示。

圖10 系統(tǒng)各功能模塊

3 數(shù)據(jù)傳輸測試及系統(tǒng)應(yīng)用測試

3.1 數(shù)據(jù)傳輸測試

為了驗(yàn)證MQTT over WebSocket進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)膫鬏斝阅?，在系統(tǒng)程序使用過程中，將3個(gè)IoT設(shè)備分別放到3輛車輛當(dāng)中，并以0.5 s、1 s作為發(fā)布時(shí)間間隔，運(yùn)行30 min進(jìn)行測試，統(tǒng)計(jì)消息傳輸數(shù)量和流量消耗，測試結(jié)果見表1。

表1 數(shù)據(jù)傳輸測試結(jié)果

數(shù)據(jù)傳輸測試表結(jié)果顯示，IoT設(shè)備使用該方法進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，相同時(shí)間間隔下，多節(jié)點(diǎn)傳輸準(zhǔn)確率非常高，驗(yàn)證了以多節(jié)點(diǎn)通道進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，沒有產(chǎn)生消息重復(fù)冗雜的情況，同時(shí)由于服務(wù)器主動(dòng)向客戶端推送消息，即使以非常短的時(shí)間間隔進(jìn)行消息循環(huán)，使得車輛時(shí)刻處于定位中，但消耗的流量極低，沒有給內(nèi)存緩沖區(qū)造成儲存壓力，同時(shí)傳輸也非常精準(zhǔn)，驗(yàn)證了節(jié)點(diǎn)傳輸通道的穩(wěn)定性。

3.2 系統(tǒng)應(yīng)用測試

為了解系統(tǒng)在車輛上的應(yīng)用效果，從而進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)和傳輸方法的改進(jìn)，通過招募石家莊鐵道大學(xué)25名乘坐車輛的師生，包括10名老師、10名學(xué)生以及5名車輛車隊(duì)管理人員，對乘坐車輛時(shí)使用系統(tǒng)的滿意度進(jìn)行調(diào)查，并以問卷形式對使用結(jié)果進(jìn)行記錄，測試結(jié)果見表2。

表2 系統(tǒng)應(yīng)用測試結(jié)果

4 結(jié)束語

本文提出了一種基于MQTT over WebSoccket的數(shù)據(jù)傳輸方法，通過身份標(biāo)識去重算法，設(shè)置Client_ID，生成了獨(dú)立的身份數(shù)據(jù)信息，保證了傳輸?shù)臏?zhǔn)確性；通過數(shù)據(jù)格式匹配算法，將身份信息數(shù)據(jù)封裝成需求信息數(shù)據(jù)，并完成格式轉(zhuǎn)化，滿足了使用WebSocket協(xié)議的傳輸要求，使得服務(wù)器可以主動(dòng)向應(yīng)用終端推送封裝的消息，避免單節(jié)點(diǎn)傳輸通道與服務(wù)器連接不穩(wěn)定的問題。并且以經(jīng)緯度等車輛信息數(shù)據(jù)為例，選取微信開發(fā)者平臺作為系統(tǒng)開發(fā)平臺，騰訊云服務(wù)器作為后臺支撐，基于支持北斗導(dǎo)航的A9g開發(fā)板作為IoT設(shè)備，通過對其開發(fā)，使用身份標(biāo)識去重算法和數(shù)據(jù)格式匹配算法，構(gòu)建了MQTT over WebSocket數(shù)據(jù)傳輸模型，完成了基于MQTT over WebSocket的數(shù)據(jù)傳輸，開發(fā)了車輛信息管理系統(tǒng)，最終在微信平臺上發(fā)布程序。

數(shù)據(jù)測試表明，該方法成功地實(shí)現(xiàn)了聯(lián)合兩種通信協(xié)議進(jìn)行低耗高效的數(shù)據(jù)傳輸。應(yīng)用測試結(jié)果表明，師生通過使用該方法開發(fā)的系統(tǒng)乘坐車輛，降低了時(shí)間成本，減少了溝通成本，系統(tǒng)應(yīng)用效果較佳，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)效果。兩種測試結(jié)果驗(yàn)證了本文提出的基于MQTT over WebSocket進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆椒ㄓ行?、可靠?/p>

未來計(jì)劃從物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸信息以及設(shè)備種類出發(fā)，對語音數(shù)據(jù)、圖像數(shù)據(jù)開展研究，對數(shù)據(jù)格式匹配算法進(jìn)行優(yōu)化，使其具備更好的普適性，以實(shí)現(xiàn)更廣泛、高效的應(yīng)用。