基于移动互联的车联网监控调度系统架构的设计与实现

尤 飞，姚有林，高竹莲，徐东升，张 峰，张永恒

（1.榆林学院 信息工程学院，陕西 榆林 719000；2.西安文理学院 软件学院，陕西 西安 710065）

随着我国经济快速发展和人们生活水平的提高，车辆数量增加十分迅速，交通拥堵成为一个严重的社会问题。车联网(Internet of vehicles，IoV)是使智能交通系统(intelligent transport system，ITS)的重要组成部分，已成为物联网(Internet of things，IoT)领域一个重要分支[1]。车联网以行驶中的车辆为信息感知对象，使人与车、车与车、车与道路基础设施之间实现高效的信息交换与共享，从而对人、车、路和交通设施进行智能管控，进而改善道路交通状况、提高出行效率、延伸信息化应用范围的综合信息服务与智能决策系统[2]。

目前可以通过GPS、高清摄像头、RFID及图像处理等设备，实现对车辆、交通环境、道路等信息的采集，然后按照一定的通信协议和标准，在车—人—路—环境—网络—基础设施之间进行无线通信或信息交换[3]。

文中根据目前车辆行业的需求，针对实际业务，提供了一套在智能交通系统、传感器网络技术发展基础上，利用物联网感知技术和GPS技术，通过对车联网无线数据通讯的数据感知和采集，实现交通的物联化和互联化，构建智能交通处理架构，提高车辆管理调度的现代化水平。

1 车联网的体系结构分析

1.1 车联网总体结构

车联网主要通过利用先进的通讯及传感器技术，通过对汽车相关信息的收集、处理和共享，实现车与路、车与车、车与人、车与城市网络的互相连接，达到智能化识别、定位、跟踪、监控和管理目的的一个网络[4]。从功能划分车联网的功能结构，车联网的体系结构可分为感知层、网络层和应用层，功能结构如图1所示。

图1 车联网总体结构图Fig.1 Internet of vehicles architecture diagram

1.2 车联网的关键技术

物联网是一次技术革命，代表未来计算机和通信的走向，其发展依赖于在诸多领域内活跃的技术创新。物联网是互联网向物理世界的延伸，它将网络的终端由IT设备扩展到生活中的任何物品[1-2,5]。车联网也获得了越来越多的关注。在车联网当中，最核心的部分便是车载通信，在车载通信中可能采用的关键技术主要包括RFID技术、卫星定位导航技术、无线通信技术、智能技术、云计算技术、指纹识别技术等[1-6]。

1） RFID 技术。 RFID（Radio Frequency Identification）技术是一种利用射频通信实现的非接触式自动识别技术，其基本原理是利用射频信号和空间耦合或雷达反射的传输特性，实现对被识别物体的自动识别。其中，RFID是一种简单的无线系统，由阅读器和电子标签两个基本器件组成，可用于控制、检测和跟踪物体。目前，RFID技术已经应用到生活的很多领域中，如景区管理、停车厂和管道监测等。RFID具有同时识别多个高速运动物体、读写距离远、数据存储量大、系统体积小、安全性好、安装简便、环境要求低等特点，因此可以把RFID应用到车联网当中，可以轻松实现车联网中各节点对监测点的感知功能。

2）卫星定位导航技术。车辆的定位是通过卫星定位导航技术实现的，目前世界上共有4套这样的系统，分别是美国的 GPS、俄罗斯的”格洛纳斯”（GLONASS）、我国北斗卫星（CNSS），以及欧洲的”伽利略”（GALILEO）。在这四大系统中，只有GPS具备了全球定位的功能，其他的只能做到区域定位。卫星定位导航系统具有全天候、高精度、自动化、实时性等特点，用户只需要一个终端，便可以实现定位和导航的目的。因此在车联网中，卫星定位导航系统可以为用户提供电子地图，实现定位和导航，是不可或缺的部分。

3）无线通讯技术。无线通信技术具有速度快、安全高、布线少、成本低、使用方便等特点，因此可以被广泛应用在车联网中，例如3G技术、4G技术、Wi-Fi技术和ZigBee技术等，能够实现和互联网的互联。

4）物联云技术。物联网依托射频识别（RFID）技术、传感技术、全球定位系统（GPS）、地理信息系统（GIS）等，将物品与后台各类信息系统连接起来进行信息交换和通信，最终构建起一个集识别、定位、跟踪、监控和管理等功能于一体的跨媒介网络[7]。在车联网中，通过汽车采集到的数据十分庞大，可以通过云计算平台对数据进行处理并提供各种应用APP。

2 车联网监控调度系统功能结构的设计

2.1 系统需求分析

车联网监控调度系统是基于GPS/GPRS车辆监控调度，利用无线通信技术和GPS技术，通过车载终端实现对车辆的实时调度监控、安防报警，为司机提供车辆信息服务，提高车辆的有效利用率，提高车辆运行的安全性和处理突发事件的能力，加强对车辆和司机的管理。

车辆定位系统是按照先进、可靠、长远发展的要求进行设计，充分体现模块化系统集成的设计思想。既满足无线和有线调度管理的功能要求，又满足手动和自动监控的功能要求，同时考虑系统服务平台的发展空间，以建设一个高度信息化、自动化的调度监控服务网络系统为最终目标。整个系统由监控中心、移动监控席、被监控目标等部分组成。

“我？我是个无所为的人，崇尚自由，怎么快乐怎么过。要说喜不喜欢这边的生活，确实这边太无聊了，有时候无聊得让人难受，一成不变的生活从我的青春开始，真让人无法接受。”无意间我说出了我四年来最真实的感受。

监控中心通过系统云平台集成，系统设计在一个较高的起点上充分保证系统的可伸缩性和可扩展性，具备相当的通讯、计算机和网络设备的信息容量及处理能力，并有一定的超前性，软硬件预留接口，便于维护、升级和扩展，以适应将来整个系统信息化发展的要求。

2.2 系统功能结构

车联网监控调度系统主要实现下功能：

1）监控调度服务。实现车辆提供定位、调度服务，提高管理透明度、调度可操作性，提高管理能力，从而提高处理效率。

2）安防服务。实现车辆的突发事件、故障、遇险提供自动和人工报警，监控中心实现接警、求助应答服务，减少车辆及人身安全威胁和财产损失，同时能够保存每个乘客图像照片，有力保障驾驶员的人身安全和事后取证。

3）信息服务。通过信息广播的形式为司乘人员提供相关的信息和服务。如路况信息、天气信息、通知文件、指示等相关信息。

4）车辆管理。通过数据库对车辆的运行轨迹进行详细的记录，可对运行轨迹进行回放跟踪，实现管理部门对车辆的有效管理。

5）智能导航服务。通过网络模式，实现监控中心支持下的车辆导航服务。

2.3 系统机构组成

车联网监控调度系统架构由监控中心、移动监控端、通讯链路、车载终端等组成。监控中心是系统的中心。监控中心软件包括通讯系统、监控终端、数据库系统等。另外，根据客户的特殊需求，我们可以设置移动监控端，通过笔记本电脑实现无线上网，通过监控软件对车辆监控。

系统能支持多种通讯方式，本方案建议采用GPRS通讯方式。GPRS是按流量计费，如果对数据的上传频率要求较高建议采用此种方式。可以通过GPRS车载终端实现定位监控，可定时、连续、单点获取车辆定位信息。同时，也可以实现车辆的调度，实现语音信息调度、信息收发和广播信息接收。也可以实现超速报警、超越行驶线路报警、安全事故报警、求助报警等。紧急情况下可远程断油断电。

3 系统的设计与实现

3.1 系统功能结构

车联网监控调度系统功能结构由通讯系统、数据库系统、监控终端、业务管理系统组成，如图2所示。监控调度主要实现的功能有：

1）中心接收、处理业务来自系统的所有信息，如车辆定位信息、报警信息、求救信息等。

2）GPS监控功能：在中心GPS监控工作站可以对所有的车辆进行监控，显示车辆行驶的轨迹，对重点车辆实时跟踪。中心可以按照职能部门汇集的调度命令，向移动终端发布文字调度命令。中心接收移动终端定制的简单回复的短信息，并按要求进行存档和转发。中心接收报警信息后，可以通过监听方式进行核警，了解实时的情况，对于有正在执行任务或遇到险情的车辆进行重点追踪监控。中心对数据库历史资料进行存储。对需要存档的地图和轨迹进行打印。显示车辆各种状态，如：正常/报警状态，可用不同颜色显示。

3）突发事故自动报警：当车辆遇到其他人非法侵入，移动智能终端自动向监控中心发出被盗报警短信息。中心可划定车辆行驶路线或区域，GPS监控工作站自动报警提示。

4）报警提示功能：监控工作站接收到移动智能终端发出的报警信息，自动显示对话框并发出声光报警提示。可设置移动智能终端漫游电话的使用范围，系统操作人员权限管理，对值班人员身份进行区分。

图2 系统功能结构图Fig.2 The system function structure diagram

总中心局域网采用100M以太网，并通过DDN专线与短消息服务中心机房连接。总中心的网络拓扑图如图3所示。

图3 监控调度系统网络结构图Fig.3 Monitoring network scheduling system diagram

本文采用ISP服务器托管方案，用户只需要自己采购一台标准服务器托管在电信部门机房或租用电信部门专用服务器，可大大节省该项目的总体投入。如果企业有现成骨干网络或机房，则可利用已有网络资源对该项目进行整合。

3.2 总体构架

在逻辑上，GPS定位监控系统由3部分组成，即GPS定位系统、地理信息系统（GIS）和通讯链路组成，如图4所示。从硬件组成上讲，GPS定位监控系统也由3部分组成，即监控中心、通讯网络和车载终端。通过向车联网无线数据通讯发送呼叫指令，命令车联网无线数据通讯回传车辆的定位数据，经过GIS处理后显示在电子地图上，可以对车辆实现定位；如果终端连续回传定位数据，就可以对其进行跟踪。

图4 系统总体构架图Fig.4 The overall framework of system

3.3 监控调度系统的实现

监控调度强调监控人员对车辆的监视与控制，是监控调度系统的基本功能，也是最重要的功能。监控人员为了获取车辆的定位信息，必须设定呼叫策略，让车联网无线数据通讯回传定位数据，达到追踪车辆目的，同时，这些数据将被作为历史数据记录下来，以便日后查询；通过向车联网无线数据通讯发送指令，还能达到控制车辆的目的；通过发送短信，能够达到调度与信息服务的功能。为了方便操作员的监控操作，增加系统的实用性，系统还具有良好的界面功能和电子地图操作功能。这些功能都有安装在监控坐席终端上的监控软件实现，具体操作可以通过菜单命令、工具栏或者快捷键完成。系统主界面如图5所示。

图5 系统应用主界面Fig.5 The main UI of system application

4 结论

本文在智能交通系统、传感器网络技术发展基础上，利用物联网感知技术和GPS技术，通过对车联网无线数据通讯的数据感知和采集，实现交通的物联化和互联化，构建智能交通处理平台，利用无线通信技术和GPS[8-9]技术，通过车联网无线数据通讯实现对车辆的实时调度监控、安防报警，为司机提供车辆信息服务，提高车辆的有效利用率，提高车辆运行的安全性和处理突发事件的能力，加强对车辆和司机的管理。

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