基于物聯(lián)網的智能節(jié)能與智能交通關鍵技術的研究和應用

彭 瀑，鄭建華

［林同棪國際工程咨詢（中國）有限公司，重慶 400000］

0 引言

據(jù)國外某革新物聯(lián)網機構分析可知，物聯(lián)網與相關產業(yè)的發(fā)展可以帶動上萬億增值服務。而依托于物聯(lián)網中具有的感知全面性、處理智能性等特點，本文提出了基于物聯(lián)網的智能節(jié)能系統(tǒng)，為的就是提高生產中的效率，改變人們的生活方式，真正有效實現(xiàn)能源節(jié)約，降低污染物排放量。

1 基于物聯(lián)網的智能節(jié)能系統(tǒng)關鍵技術

1.1 硬件設計

1.1.1 電量測量系統(tǒng)

在智能節(jié)能系統(tǒng)中，電量采樣電路屬于其中最為關鍵的一種電路。其中在該電路中最為重要的就是電能計量轉換芯片ADE7755，能夠真正意義上實現(xiàn)測量待測系統(tǒng)用電情況。ADE7755 將有功功率信息采用頻率的方式輸出，再經過V-F 轉換以后，采用頻率的方式利用F1、F2 管腳進行輸出，此外，CF 管腳還能輸出高頻信號，主要用來校正電表[1]。圖1 為電量測量子系統(tǒng)硬件電路圖。

圖1 電量測量子系統(tǒng)硬件線路

1.1.2 各個子系統(tǒng)電源設計

在本系統(tǒng)中需要的交流電壓是220V、直流電壓是5V 和3.3V。利用變壓器或這是其他相關電路能夠將交流變壓轉化成為直流低壓，然后再通過78L05、LM1117穩(wěn)壓芯片以及外圍電路，向控制系統(tǒng)中輸送5V 直流電壓，這樣可以實現(xiàn)為節(jié)點提供3.3V 直流電壓。

1.1.3 物聯(lián)網網關系統(tǒng)

在現(xiàn)今市場中，Tiny6410 嵌入式核心板技術發(fā)展較為成熟，并且在信息處理能力方面比較強，此時將其作為核心處理器。在嵌入式主板上也有專門配置linux操作系統(tǒng)，并利用QT 開發(fā)出相應的軟件，分類串口采集數(shù)據(jù)。在具體工作過程中主要涉及了轉發(fā)、控制兩方面工作。

1.1.4 增值服務系統(tǒng)

（1）短信通知系統(tǒng)。為了保證短信滿足收發(fā)功能，便于用戶實現(xiàn)對家電的遠程監(jiān)控，最終開發(fā)出短線貓短信收發(fā)模塊。GPRS 技術和相關的產品也在無線通信技術的不斷進步下越來越受到人們的重視度。本次選取的短信通知系統(tǒng)通信接口是RS232 串口，在經過AT指令下，選擇G1000 作為短信業(yè)務模塊，從中可以享受到最為優(yōu)質的網絡化短信信息服務。

（2）電器控制系統(tǒng)。用戶在得到了電能消耗信息以后，要是想要對運行的狀態(tài)進行干預，此時就需要采用電器控制系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中具有的功能是：提供簡單接口，并且介入現(xiàn)有電器網絡，可以控制好電器開關動作。

2 軟件設計

2.1 物聯(lián)網網關程序

物聯(lián)網網管程序在控制流程中包括了多個程序，其中讀基站串口程序作用就是向基站節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)時，會通過串口的方式發(fā)送給網管，然后再對這些數(shù)據(jù)進行分析；寫基站串口程度就是為了執(zhí)行用戶端的指令，并且利用串口發(fā)送到基站節(jié)點中，然后再發(fā)給無限終端主節(jié)點，以便更好的解析獲得的數(shù)據(jù)；TCP 數(shù)據(jù)上傳程序中的作用實際上就是將網關中獲得的數(shù)據(jù)上傳到遠程服務器中，這樣更有利于后期智能分析和處理[2]。TCP 數(shù)據(jù)上傳程序的作用時將從網關中獲得的相關數(shù)據(jù)上傳到遠程服務器中，這樣更有利于下達指令到節(jié)點中；讀短信貓串口程序就是為了利用短信的方式來獲得相關數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)處理程序就是為了分析存在的各種邏輯，數(shù)據(jù)顯示程序能夠在網關中展示出相應的數(shù)據(jù)。

2.2 數(shù)據(jù)處理、存儲以及決策平臺設計

數(shù)據(jù)處理、存儲以及決策平臺可以將無線傳感器網絡中采集溫度、耗電量數(shù)據(jù)進行接收、存儲，并且提供查詢、管理命令的接口等。在提供相應的接口以后，如果數(shù)據(jù)已經超過了正常的范圍，此時就需要采取自動的方式斷開開關以此實現(xiàn)節(jié)電的作用。各種網絡通過和終端設備相聯(lián)，也讓人和物之間的信息得到良好交互。結合實時數(shù)據(jù)顯示，能夠實現(xiàn)遠程干預決策，維護、管理各個方面信息。

此外，數(shù)據(jù)處理、存儲以及決策平臺中都可以通過對獲得的信息進行處理與分析，并且也需要制定出后臺專家系統(tǒng)，將獲得的節(jié)電策略反饋給用戶，讓用戶養(yǎng)成良好的用電習慣。同時，也可以設置出閾值，對家中的家電進行自動化的控制，通過采取這種方式不僅可以更好的節(jié)約用電，還能在發(fā)生故障的時候及時做出安全措施，避免出現(xiàn)安全風險。

2.3 數(shù)據(jù)終端展示設計

采用Web 訪問方式，訪問SQLServer 數(shù)據(jù)庫，并且將其中的數(shù)據(jù)進行實時更新，最終有效的展現(xiàn)出相關數(shù)據(jù)，滿足用戶自身的需求情況。依托于Silverlight、WCF 技術設計網頁主要包括了一下兩個方面，一方面采用曲線圖的方式能夠將各種設備的用電量情況反映出來，還能做到實時更新；一方面，依托于個體、總體用電量的比較情況，對各個用戶不同使用狀況提出針對性的建議，最終實現(xiàn)節(jié)能目的。

3 基于物聯(lián)網的智能交通關鍵技術

3.1 智能車輛統(tǒng)計系統(tǒng)概述

在現(xiàn)今交通領域中，急需要解決的一個核心問題就是交通擁堵，因此及時獲得道路上的交通狀況非常重要。通過獲得的車輛的相關數(shù)據(jù)信息，能夠對后期調控、路面信息進行合理的分析，最終緩解交通擁堵的問題。

目前市面上出現(xiàn)了非常多的方法，利用鑒定信號不同類型最終判斷出車輛的類型，如磁場、聲音以及圖像等方式。磁場能夠對處于運動過程中的車輛進行及時檢測，但是不適合應用到所有車輛中，如果使用這種方法必定會導致路面發(fā)生損壞的現(xiàn)象，所以難以實現(xiàn)長期使用；視覺圖像處理在車輛識別過程中被廣泛應用，但這種方法不適合傳感器網絡，這是因為有非常多的數(shù)據(jù)要被處理，并且所需設備價格較為昂貴；采用聲音的方式進行識別車輛，可以從即時域、時頻域、頻域等方面展開分析。

結合以上分析可知，在對車輛進行識別過程中，可以使用無線傳感器網絡傳遞聲信號進行。地面上的車輛在進行移動過程中會采取不同的方式對環(huán)境產生影響。如果車輛相似，那么在相同的條件下就會出現(xiàn)相同的聲音?；诖?，就可以結合聲音的不同做出分類，這樣可以讓人們研究采取哪一種方式才能獲得每一輛車的聲音。

本次研究過程中提出了一個較為新穎的、基于KPCA聲音信號的采集與特征提取方法，并且也將這種方法和其他技術進行了對比，檢測識別率的是支持向量機。

3.2 硬件組成

首先要進行考慮的問題就是：在檢測車輛過程中，是否可以使用處理和存儲資源有線的無線智能聲學傳感器。為了能夠更好的研究這一問題，因此開發(fā)出了嵌入式網關，以這種方式來收集聲音。為保證檢測到的語音信號更加的準確，所以也有開發(fā)出在多角度上的聲音感應裝置。

聲音鑒別系統(tǒng)中，能夠分析、處理實時動態(tài)音頻的一種裝置，對周圍環(huán)境是否存在著需要進行檢測的目標進行分析，最終分析的結果發(fā)送到后臺處理系統(tǒng)中。嵌入式語音感知系統(tǒng)、傳統(tǒng)聲音感知系統(tǒng)之間存在著很大的差距，其中嵌入式的語音感知系統(tǒng)在處理速度上更快，識別率也較高[3]。

CC2430 單片機是感知器核心處理器，該處理器就是T1 公司所生產的低功耗微控制器。其具有著低功耗、大容量、高性能的優(yōu)勢，因此更可以支持在線調試功能。在該傳感系統(tǒng)基站中使用的開發(fā)板型號是6440ARM。

本次使用的利用聲音來進行車輛統(tǒng)計系統(tǒng)的硬件核心系統(tǒng)具有著功耗低、體積小以及處理能力強的功能，因此可以運行嵌入式的Linux 操作系統(tǒng)。系統(tǒng)中可以收集大量信息，還能進行錄音、壓縮音頻編碼。在進行設計過程中也需要滿足于特定的需求情況，這是因為單片機底層傳感器在通信能力方面有閑，不能采用硬件的方式進行編碼，所以最終設計出基于ARM11 基站的聲音采集和處理系統(tǒng)。經常使用的音頻編碼實際上有很多種，為了在考慮到質量、編碼率的同時，在本系統(tǒng)中也最終選擇了G723.1 編碼器。

4 基于核復鑒別的智能交通助手系統(tǒng)設計

4.1 系統(tǒng)設計概述

現(xiàn)今在交通系統(tǒng)中，急需要進行解決的一個核心問題就是交通問題。在經濟的快速發(fā)展下，有更多的人開始都買機動車，導致道路越來越擁擠，安全方面的問題越來越凸現(xiàn)出來。結合自身經驗謹慎開車的同時，在社會不斷進不下有很多新興技術也開始應用到駕駛中，提高人們駕駛的安全性。此外，由于物聯(lián)網、車聯(lián)網的快速發(fā)展，出現(xiàn)了比較先進的智能交通助手。智能交通助手就是在汽車、卡車以及公共汽車上集成布置傳感以及控制系統(tǒng)，為的就是利用集合傳感器以及算法的車聯(lián)網技術，提示司機有潛在風險，提高司機駕駛的安全性。

傅里葉變換應用的非常廣泛，屬于一種圖像處理技術。該技術屬于正交變換，能夠在時間域中將一個復雜的行動轉換成為一種簡單的操作。因此，在頻率中能夠有效的提高圖像恢復以及特征的提取。該種時一種模式識別法，并且已經在當前領域中得到快速發(fā)展。該種方式在剛剛開始應用的時候也主要是應用到支持向量機中。

本次在研究過程中，利用線性傅里葉變換和該方法的集合，介紹了一種基于傅立葉分析核復判別式算法的新型判別式分析算法，該種方法主要用在提取、識別車輛信息方面：①通過對車輛的原始圖像進行傅里葉變換并將其顯示為一個復型。②F-kda 和F-LDA 根據(jù)線性識別能力的差異來選擇不同的頻段，F(xiàn)-kda 根據(jù)非線性識別能力的差異來選擇核頻段。③一個新的樣本集由所選的波段組成，使用KDA 算法提取特征，并使用最近鄰分類器對它們進行分類。最后，就能夠對不同的車輛進行距離檢測。此時，專門建立起高效智能交通助手，以保證司機在駕駛過程中的安全性。

4.2 硬件組成

圖像采集和處理系統(tǒng)主要是采集、處理、識別圖像，在整個系統(tǒng)中它的硬件平臺是基礎，后續(xù)系統(tǒng)的運行也會受到硬件穩(wěn)定性以及實用性的影響?；诖耍梢圆捎媚壳鞍l(fā)展較為成熟的嵌入式系統(tǒng)技術，同時在考慮價格以及性能的基礎上，可以將2440 開發(fā)板作為是基礎的開發(fā)平臺。

其中在開發(fā)平臺中，核心處理器是三星S3C2440，最高運行速度是533M，內存有128M，能夠存儲1GB 內容。此外，由于其包括了核心板、擴展板，因此具有著良好的擴展性。在該平臺中也能夠直接配置數(shù)字化的攝像頭，液晶屏分辨率方面也能夠達到800×600。支持各種類型的操作系統(tǒng)，其中包括了WINCE、LINUX 等。核心硬件平臺所發(fā)揮出的作用是采集圖像以及顯示圖像，通過將圖像上傳于遠程電腦中，從外部鍵盤上進行發(fā)送以及接收具體的命令。在外圍設備中也涉及了USB 相機。

系統(tǒng)工作內容是由嵌入式處理器向CPU 發(fā)送指令，CPU 接收命令，控制外部攝像頭捕捉圖像，并將圖像保存到SDRAM 中。圖像以幀緩沖存儲器的形式從SDRAM 中分離出來。從液晶顯示器上，可以看到圖像直接在幀緩沖中。當存儲在內存SDRAM 中的圖像數(shù)據(jù)達到最大值時，將通過網絡將圖像數(shù)據(jù)上傳到遠程主機。通過圖像處理、匹配和距離計算，駕駛者可以得到前方是否有車輛，車輛類型以及相應的距離。

完成圖像采集工作以后，為了保證后續(xù)在提取圖像特征以及具體識別中的效率，此時就會對圖像實行預處理的方式。一方面，灰度圖像在數(shù)據(jù)量方面還比較小，因此在處理速度方面也較高，一方面，灰度圖像還能表現(xiàn)出最為重要的信息，因此能夠對圖像實行灰度變換。采集系統(tǒng)中，由于S3C2440 在工作能力方面有限，因此它總會管理灰度圖像，所以相機拍到的彩色圖像也需要轉換成為灰度圖像。

5 結語

綜上所述，物聯(lián)網的出現(xiàn)有效解決或緩解了社會能源嚴重浪費以及交通擁堵的萬難題，因此對基于物聯(lián)網的智能系統(tǒng)建立也奠定了良好的基礎。本次提出的智能節(jié)能系統(tǒng)以及基于聲音識別和核主成分分析法、核復鑒別的智能交通助手系統(tǒng)在運行過程中還需要不斷進行完善。