物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智能城市信息系統(tǒng)中的應(yīng)用

摘要：隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，智能城市信息系統(tǒng)逐漸成為現(xiàn)代城市發(fā)展的重要組成部分。智能公交系統(tǒng)是智能城市中的一個重要組成部分，旨在通過應(yīng)用先進的技術(shù)和創(chuàng)新的解決方案來改善公交運輸?shù)男?、安全性和舒適性?；谖锫?lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計了一種智能公交系統(tǒng)，包括系統(tǒng)架構(gòu)，及軟件硬件的設(shè)計，通過試驗表明，該系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運行，且相應(yīng)功能能夠有效實現(xiàn)。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；智能公交系統(tǒng)；軟件設(shè)計；硬件設(shè)計

一、前言

隨著全球化進程的加快和信息技術(shù)的快速發(fā)展，智能城市信息系統(tǒng)成為實現(xiàn)城市可持續(xù)發(fā)展和提升居民生活質(zhì)量的重要手段。而物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)作為一種創(chuàng)新的信息通信技術(shù)，為智能城市信息系統(tǒng)的建設(shè)和應(yīng)用提供了全新的機遇和解決方案。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)通過將各種設(shè)備、傳感器和終端設(shè)備互相連通，將物理與數(shù)字有效融合，為智能城市信息系統(tǒng)的建設(shè)和運營帶來了巨大的潛力和機會。

二、智能公交系統(tǒng)與智能城市之間的聯(lián)系

智能城市是指利用信息技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)等先進技術(shù)來提升城市管理和服務(wù)水平，提高居民生活質(zhì)量的城市發(fā)展模式。智能公交系統(tǒng)是智能城市中的一個重要組成部分，旨在通過應(yīng)用先進的技術(shù)和創(chuàng)新的解決方案來改善公交運輸?shù)男?、安全性和舒適性。

智能城市推動了電子支付和移動支付的發(fā)展，智能公交系統(tǒng)可以與這些方式相結(jié)合，實現(xiàn)無現(xiàn)金支付和電子票務(wù)，給乘客提供更便捷的乘車體驗。智能城市與智能公交之間密切相關(guān)。智能公交系統(tǒng)作為智能城市的重要組成部分，通過應(yīng)用先進技術(shù)和創(chuàng)新解決方案，提升公交運輸?shù)男?、安全性和舒適性，為居民提供更便捷、可持續(xù)的出行方式。同時，智能公交系統(tǒng)也為智能城市的交通優(yōu)化、數(shù)據(jù)共享和環(huán)境保護等方面提供了支持。

三、基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能公交系統(tǒng)的設(shè)計

（一）系統(tǒng)設(shè)計

智能公交系統(tǒng)是一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和智能化技術(shù)的公交運營管理系統(tǒng)，旨在提高公交運輸效率、優(yōu)化乘客出行體驗，并提供更智能、更便捷的公共交通服務(wù)。智能公交系統(tǒng)通過各種傳感器、通信設(shè)備和數(shù)據(jù)分析技術(shù)，實現(xiàn)公交車輛、乘客和運營管理的智能化和互聯(lián)互通。物聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)由感知層、傳輸層、應(yīng)用層組成，包括信息安全、網(wǎng)絡(luò)管理、數(shù)據(jù)庫等技術(shù)。本文涉及的物聯(lián)網(wǎng)模型見圖1。

1.感知層的設(shè)計

該層通過各類傳感器、RFID設(shè)備、其他智能裝置等實現(xiàn)了智慧公交系統(tǒng)對感知終端的信息采集。感知層是智能公交系統(tǒng)的重要組成部分，用于實時采集和感知公交車輛、乘客和環(huán)境等各種信息。感知層的設(shè)計要考慮到以下幾個方面：

（1）傳感器的選擇和布置：使用GPS傳感器獲取公交車輛的位置信息，使用攝像頭傳感器進行食品監(jiān)控，使用環(huán)境傳感器檢測空氣質(zhì)量等。同時，要合理布置傳感器，以確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和全面性。

（2）數(shù)據(jù)采集和傳輸：設(shè)計合適的數(shù)據(jù)采集和傳輸方式，確保傳感器采集到的數(shù)據(jù)能夠及時、可靠地傳輸?shù)缴蠈酉到y(tǒng)。

（3）數(shù)據(jù)質(zhì)量管理：對于采集到的數(shù)據(jù)，需要進行質(zhì)量管理和校驗，以確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性?？梢圆捎脭?shù)據(jù)清洗、異常檢測等方法來處理數(shù)據(jù)，排除錯誤數(shù)據(jù)或異常數(shù)據(jù)的影響。

（4）實時性要求：智能公交系統(tǒng)通常需要實時獲取和處理數(shù)據(jù)，因此感知層設(shè)計要考慮實時性的要求?？梢圆捎酶哳l率的數(shù)據(jù)采集和傳輸方式，以確保數(shù)據(jù)的及時性。

2.網(wǎng)絡(luò)層的設(shè)計

網(wǎng)絡(luò)層是計算機網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)中的一層，位于傳輸層和數(shù)據(jù)鏈路層之間，它負(fù)責(zé)實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)互連和數(shù)據(jù)包的傳輸。網(wǎng)絡(luò)層通過路由選擇算法決定數(shù)據(jù)包從源主機到目標(biāo)主機的路徑，它根據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹⒕W(wǎng)絡(luò)擁塞情況和其他因素選擇最佳路徑，以確保數(shù)據(jù)擺能夠快速、可靠地到達(dá)目的主機。網(wǎng)絡(luò)層將數(shù)據(jù)報從源主機傳輸?shù)侥繕?biāo)主機，它將上層傳輸層提供的數(shù)據(jù)劃分為適當(dāng)大小的分組，并為每個分組添加必要的控制信息，然后網(wǎng)絡(luò)層使用這些信息將分組發(fā)送到下一跳路由器，直至到達(dá)目標(biāo)主機。

3.應(yīng)用層的設(shè)計

應(yīng)用層是計算機網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)中的最頂層，它負(fù)責(zé)為用戶提供各種網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用服務(wù)。應(yīng)用層通過定義協(xié)議和規(guī)范，使得不同設(shè)備和應(yīng)用程序可以相互通信和交互。應(yīng)用層負(fù)責(zé)將上層的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為適合網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)母袷?。?yīng)用層提供用戶與網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用之間的界面，使用戶能夠方便地使用各種網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。應(yīng)用層負(fù)責(zé)處理和恢復(fù)網(wǎng)絡(luò)傳輸過程中可能發(fā)生的錯誤，它可以使用錯誤檢測和糾正技術(shù)，以確保數(shù)據(jù)的完整性和可靠性。

（二）智能公交系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)

1.車載子系統(tǒng)

車載子系統(tǒng)由主控微處理器、高頻收發(fā)芯片、無線接收芯片、語音控制芯片、液晶顯示屏、觸摸屏、存儲器等模塊組成，如圖2所示[1]。

車載子系統(tǒng)啟動后，各模塊開始進行初始化，包括硬件設(shè)備的自檢和初始化，加載操作系統(tǒng)和相關(guān)驅(qū)動程序。各個子系統(tǒng)之間通過CAN總線進行數(shù)據(jù)交互和通信，通過總線，各個子系統(tǒng)可以實現(xiàn)實時交換信息、發(fā)送指令和接收反饋。初始化完成后，各個子系統(tǒng)開始運行各自的功能。車載子系統(tǒng)會持續(xù)監(jiān)測各模塊的運行狀態(tài)，并進行故障檢測，如果發(fā)現(xiàn)異常情況，子系統(tǒng)會采取相應(yīng)的措施。當(dāng)駕駛員關(guān)閉汽車時，車載子系統(tǒng)進入關(guān)機階段，各個子系統(tǒng)進行清理和保存操作，保存狀態(tài)和配置信息，最后完成關(guān)機過程。

2.站臺子系統(tǒng)

站臺子系統(tǒng)由主控微處理器、高頻收發(fā)芯片、顯示控制芯片、存儲器和觸摸屏等模塊構(gòu)成，如圖3所示[2]。

站臺子系統(tǒng)的硬件設(shè)計主要包括對公交終端的設(shè)計。公交終端是站臺子系統(tǒng)的核心設(shè)備，用于提供信息和服務(wù)。本文公交終端的定位模塊采用的是ATK－S1216，這種設(shè)備能夠兼容北斗和GPS，精度最高可達(dá)2.5m；該設(shè)備的源天線能夠在30s內(nèi)完成相應(yīng)的定位；有備用電池，可用于保存星歷數(shù)據(jù)；與主控芯片之間的連接方式為串口通信，使用較方便。按鈕和LED采用指示燈的設(shè)計，LED指示燈用作公交車站的站牌顯示燈。公交車站中的候車按鈕為獨立按鈕，其作用為將相關(guān)信息傳輸給主控芯片以指示司機停車位置。

（三）智能公交系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)

智能公交系統(tǒng)的軟件通過網(wǎng)絡(luò)層對底層硬件進行封裝，網(wǎng)絡(luò)層負(fù)責(zé)與地層硬件進行通信，并提供統(tǒng)一的調(diào)用接口給上層的GUI界面使用。

1.Linux的開發(fā)

Linux的開發(fā)是指在Linux操作系統(tǒng)上進行軟件開發(fā)的過程，在Linux上進行開發(fā)可以利用其開源特性和強大的工具鏈來構(gòu)建各種類型的應(yīng)用程序。

首先，確定開發(fā)環(huán)境，選擇適合的Linux發(fā)行版本，并安裝所需的開發(fā)工具和庫。本文采用Fedora8系統(tǒng)為開發(fā)環(huán)境，根據(jù)需求選擇編程語言。使用所選的編程語言編寫應(yīng)用程序代碼，使用文本編輯器進行代碼編寫，使用構(gòu)件工具將源代碼轉(zhuǎn)換成可執(zhí)行文件。將開發(fā)完成的應(yīng)用程序部署到目標(biāo)Linux系統(tǒng)上，同時添加RFID、Zigbee等驅(qū)動程序，并進行必要的配置和修改[3]。其次，創(chuàng)建一個包含所有必要文件和目錄的基本文件系統(tǒng)，即根文件系統(tǒng)，它是整個系統(tǒng)的起點和根目錄。先準(zhǔn)備一個空白的文件系統(tǒng)鏡像，將文件系統(tǒng)鏡像掛載到一個臨時目錄以便后續(xù)操作，在掛載的文件系統(tǒng)中創(chuàng)建所需要的目錄結(jié)構(gòu)，將必要的文件和目錄賦值到相應(yīng)的目錄中，根據(jù)需求進行文件系統(tǒng)的配置。在完成文件系統(tǒng)的配置后，將文件系統(tǒng)鏡像卸載，將生成的根文件系統(tǒng)鏡像用于實際的Linux系統(tǒng)中，通過引導(dǎo)加載程序加載根文件系統(tǒng)并啟動系統(tǒng)。

2.Socket通信的實現(xiàn)

Socket通信是一種在計算機網(wǎng)絡(luò)中進行進程間通信的方式，是目前Linux上使用較多的一種通信機制，它基于TCP/IP協(xié)議棧，通過網(wǎng)絡(luò)套接字（Socket）實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸和接收。在Socket通信中，有兩個主要角色：服務(wù)器和客戶端。服務(wù)器端創(chuàng)建一個套接字并綁定到制定的IP地址和端口上，等待客戶端的連接請求[4]。一旦連接建立，服務(wù)器和客戶端之間可以通過套接字進行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。數(shù)據(jù)可以按照字節(jié)流的方式進行傳輸，發(fā)送方將數(shù)據(jù)寫入套接字，接收方從套接字中讀取數(shù)據(jù)。

服務(wù)器主要實現(xiàn)流程是：服務(wù)器首先開啟一個Zigbee后臺線程，該線程用于監(jiān)聽服務(wù)器調(diào)用信息，負(fù)責(zé)與底層的Zigbee設(shè)備進行通信，接收和發(fā)送相應(yīng)的命令和數(shù)據(jù)；服務(wù)器利用ev_io_start（loop，amp;ev_io_watcher）函數(shù)啟動一個接收線程，這個線程會監(jiān)聽指定的網(wǎng)絡(luò)端口，等待客戶端的連接，并接收客戶端發(fā)送的數(shù)據(jù)[5]；如果接收到服務(wù)器端傳送的命令消息，服務(wù)器會根據(jù)對應(yīng)的協(xié)議進行分析；通過分析出的指令信號，服務(wù)器會跳轉(zhuǎn)至對應(yīng)的接口或函數(shù)，進而調(diào)用地層的如Zigbee等外設(shè)或服務(wù)；當(dāng)處理完指令信號或調(diào)用地層接口時，服務(wù)器就會得到相關(guān)的反饋信號，并將數(shù)據(jù)返回到服務(wù)器。

3.界面設(shè)計

QT是一個跨平臺的應(yīng)用程序開發(fā)框架，它提供了一套豐富的工具和庫，用于開發(fā)圖形用戶界面（GUI）應(yīng)用程序、嵌入式應(yīng)用程序和移動應(yīng)用程序。在本系統(tǒng)中，采用QT/E4.6作為界面的開發(fā)軟件包。首先，上機位界面軟件會調(diào)用客戶端的 Api_GetConnect（port）接口函數(shù)，該函數(shù)用于連接到服務(wù)器的指定端口，通過建立網(wǎng)絡(luò)連接，上機位可以與服務(wù)器進行通信；接下來，上機位界面軟件會開啟一個線程（通常是使用QT的QThresd類），命名為zigbeetopo.cpp，這個線程專門用來調(diào)用網(wǎng)絡(luò)客戶端的Api_Cliect_GetRfidId（）接口函數(shù)。通過調(diào)用這個接口函數(shù)，上機位可以獲取RFID讀取設(shè)備返回的數(shù)據(jù)。

四、系統(tǒng)性能測試

（一）測試指標(biāo)

在性能測試中，通過不同的并發(fā)用戶數(shù)來測試系統(tǒng)的平均響應(yīng)時間，測試客戶端和服務(wù)器端的運行，并記錄測試結(jié)果參數(shù)，表1為主要性能測試指標(biāo)。在測試過程中，模擬多個用戶同時上傳和查詢路線站點數(shù)據(jù)，并記錄每個請求的響應(yīng)時間，通過分析這些數(shù)據(jù)，可以得出系統(tǒng)在不同并發(fā)用戶數(shù)下的平均響應(yīng)時間，并確定系統(tǒng)能夠處理的最大并發(fā)用戶數(shù)量。

（二）場景設(shè)計

場景設(shè)計的目的是評估系統(tǒng)在不同操作下的資源利用率和性能表現(xiàn)，通過記錄每一步操作的利用率，可以了解系統(tǒng)在不同操作下的資源消耗情況，并評估系統(tǒng)的性能表現(xiàn)。在模擬器上，模擬200個用戶對服務(wù)器進行請求交互，每個用戶分別運行3次身份認(rèn)證、20次站點查詢、20次路線查詢、10次換乘查詢等操作，記錄每一步操作的利用率。測試場景的設(shè)計及測試結(jié)果見表2。

（三）性能分析

通過分析表2得知，該智能公交系統(tǒng)在高負(fù)載情況下表現(xiàn)良好，沒有出現(xiàn)性能瓶頸或系統(tǒng)崩潰的問題，CPU的使用率和內(nèi)存的使用率都在可接受的范圍內(nèi)，并且用戶響應(yīng)時間仍然保持在可接受的水平，表明該智能公交系統(tǒng)的性能滿足設(shè)計的要求。

五、結(jié)語

隨著城市化進程的加快和人口增長，傳統(tǒng)公交系統(tǒng)面臨著路線規(guī)劃不合理、擁堵問題、乘客體驗不佳等諸多問題，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用為智能公交系統(tǒng)提供了新的解決方案。通過利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，智能公交系統(tǒng)可以實現(xiàn)車輛監(jiān)控、乘客信息管理、智能調(diào)度和支付系統(tǒng)等功能，這些應(yīng)用可以提高公交車輛運行效率、優(yōu)化路線規(guī)劃、提供實時乘車信息，從而提升乘客出行體驗。未來，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展和創(chuàng)新，智能公交系統(tǒng)將進一步完善和提升。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智能公交系統(tǒng)中的應(yīng)用具有廣闊的前景和潛力，通過充分利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的優(yōu)勢，智能公交系統(tǒng)可以實現(xiàn)更高效、智能和可持續(xù)的公共交通服務(wù)，為城市居民提供更好的出行選擇和體驗。

參考文獻

[1]任曉莉.基于物聯(lián)網(wǎng)的智能公交系統(tǒng)設(shè)計[J].電子設(shè)計工程，2013，21（12）：60-62.

[2]牛國宏.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能公交系統(tǒng)設(shè)計[J].黑龍江交通科技，2015，38（07）：165-166.

[3]梁紅碩.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能公交系統(tǒng)設(shè)計[J].科技風(fēng)，2014（03）：15.

[4]賀冬.基于視覺物聯(lián)網(wǎng)的智能公交信息采集系統(tǒng)設(shè)計[J].科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新，2021（17）：82-84.

[5]譚艷萍，鄧廣勇，謝榮華，等.基于物聯(lián)網(wǎng)的無人駕駛智能公交車系統(tǒng)設(shè)計[J].信息系統(tǒng)工程，2022（03）：32-35.

作者單位：山東建筑大學(xué)

■ 責(zé)任編輯：張津平