1系統設計方案
1．1總體方案
城市智能交通管理及決策依據的研究，意在以車聯網技術、ZigBee無線傳感器網絡技術、GPS定位及測速技術、GPＲS數傳技術、ＲFID射頻識別技術等技術手段，以車載終端、公交車站點終端、智能手機、遠程監控PC終端作爲信息採集和查詢的終端載體，輔助交通管理部門、公交調度公司、道路管理處等部門，研究優化公共交通工具調度、道路改擴建優化的決策依據和方法。
1．2系統結構
系統分公交車終端、Taxi終端、私家車終端、公交站點終端，及前臺應用和後臺數據庫服務器幾部分。車載終端通過ZigBee網絡採集安全及空閒狀態數據，通過GPS提供實時位置、速度信息，並通過GPＲS網絡傳給服務器。公交站點終端通過Zig-Bee網絡採集大氣環境數據、車流量信息，並通過網絡傳遞給服務器。同時，系統還可以與停車場智能管理系統對接，爲機動車司機提供停車場信息服務。系統研究的基礎需要建立在一套基於車聯網技術的智能交通管理平臺上。
2系統主要研究內容
系統主要包括交通管理和道路優化兩個方面。交通管理方面:主要包括公交車輛的實時運行監控機制、公交調度自動化機制、行人候車服務、行人自助打車機制、周邊停車場信息聯動機制、交通事故上報及處理自動化機制、道路意見上報自動化機制、實時天氣服務、實時路況服務、道路維護信息發佈機制等。道路優化方面:主要依據實時路況信息、各公交站點上下班人數及時間統計，及通過車載終端上報的交通事故和道路意見、停車場的分佈及動態使用情況，數據匯入道路優化專家系統，經過數據挖掘，分析易擁堵路段、易發生交通事故路段、上下班高峯期及人口出行密集區域，以及市民交通成本分析、城市交通狀態的發展趨勢分析，最終形成交道優化的智能決策依據。綜合上述兩大方面，系統重點研究內容如下:
2．1智能候車服務
通過電子站牌，即公交站點智能終端，提供準確的公交車輛預到站服務，還可以提供實時路況查詢、智能打車、天氣狀況等服務。
2．2公交車實時運行監控機制
基於物聯網、ZigBee和傳感器技術，採集可燃氣體、門窗安全狀態、各站點各時間段行人上下車情況、實時車位及車速等信息，供司機、公交調度人員控制車輛及調度提供依據;可爲司機提供到達某站計劃用時與實際用時的比較服務。
2．3公交智能調度機制
查看某線路所有在運行車輛的位置信息，可提前估算出下一班車到達時間，如壓車嚴重、車輛拋錨等情況，可提前做出調度方案，提高乘坐公共交通工具乘客的滿意度。
2．4智能自助打車機制
通過智能手機、公交站點智能終端，可以實時查看周邊出租車的位置和狀態，並且進行實時連線呼叫，立刻就可以得到出租車司機的回覆，無需中轉，可操作性強。減少出租車司機尋找客源的時間、油耗。
2．5實時路況服務
提供實時路況查詢服務，爲行人、車主提供交通狀況參考，及時選擇合適的出行路線，避免擁堵，提升道路的綜合利用率。
2．6動態停車場信息服務
爲機動車司機提供周邊停車場信息服務，包括位置、距離、規模、空位數、收費情況等。減少司機問路誤時、無處停車而違章停車等現象。
2．7交通事故快速定位、排除、預警機制
由過往車輛車主通過智能終端平臺進行事故上報，由後臺交警部門的遠程監控中心快速定位及處理。當車輛即將到達交通事故發生地時，車載智能終端提前提示司機前方發生事故，提前做好準備。
2．8道路優化意見上報機制
所有車主都可以通過智能車載終端提交對道路優化信息的機制和方法，操作便捷。交通管理部門可對信息進行彙總，發現同一地點上報頻率高的意見則重點考慮。
2．9道路維護信息發佈機制
車主可通過智能車載終端直接查看道路維護信息的機制和方法，並在即將進入道路維修或封閉路段時，提前給予提醒，以便車主及時、正確地選擇其他路線，避免交通堵塞。
2．10智能交通專家系統
系統研究意在通過大量的數據採集，深入挖掘，發現規律，給出道路優化的決策依據，減少人力成本和過多的主觀因素影響。
3核心技術及解決方案
3．1實時路況建模
以GPS位置、車速、車流量、道路本身參數，構建精準的實時路況模型，要比僅以車速建模的實時路況信息更爲準確。
3．2海量數據採集
公交車數據採集:包括上下車人數、公交安全監測、位置信息三部分。上下車人數:採用紅外對射和13．56MＲFID讀卡器，統計公交車某時刻經由某站刷卡人數和上下車人數，並計算車上在乘人數，爲計算上下班出行高峯、居住和工作密集區、公交車調度方案等提供數據依據，爲等候公交的乘客提供公交剩餘載客能力信息;公交安全監測:通過紅外對射或反射傳感器檢測後門是否關閉;通過MQ2煙霧和可燃氣體檢測傳感器檢測是否有可燃氣體泄漏，或者在無人情況時發生自然等;位置信息:採用GPS模塊，爲等候公交的乘客提供最近一班公交的位置信息，乘客可以有更多更好的選擇。公交站點數據採集:包括環境數據和車流量兩部分。環境數據:採用DHT11溫溼度傳感器採集溫溼度，採用MQ135空氣污染傳感器採集當前環境質量。結合網絡上發佈的天氣預報，一同爲行人提供穿衣指數、出行建議;車流量數據採集:採用ＲFID射頻識別技術統計車流量信息，爲實時路況提供數據支持。出租車數據採集:包括乘客監測和位置信息兩部分。乘客監測:採用人體紅外檢測傳感器，爲智能打車提供周邊出租車狀態信息;位置信息:採用GPS模塊，爲智能打車提供周邊出租車位置信息。車輛定位及測速:以車載終端附帶的GPS模塊，提供車位、車速的檢測，爲實時路況提供數據支持。
3．3GPS信息採集及分析
採集的GPS數據分析是基於NMEA-0183標準協議。車載終端GPS信息採集模塊選用了U-blox公司的GPS模塊NEO-6系列，支持NMEA-0183和UBX二進制協議，定位精度＜2．5m，支持SBAS，可控誤差＜2m。本系統中，根據NMEA-0183協議完成對GPS定位和測速信息的採集和分析。NMEA-0183格式以“”開始，其中常用的語句有6句，本系統主要使用了GPＲMC和GPVTG。GPＲMC爲推薦定位信息，其中包含了GPS應用程序所需的時間、日期、位置、方向和速度等數據，是最常用的一條語句。數據樣例如下:$GPＲMC，161227．467，A，3721．2473，N，12157．3413，E，0．17，307．63，120578，*13＜CＲ＞＜LF＞，
3．4數據幀格式定義及分析
傳感器數據、ZigBee數據、ＲFID數據、GPＲS數據等都封裝成固定格式協議，便於數據的彙總和分析。GPS參考NMEA-0183數據協議。
4．5ZigBee無線傳感網絡搭建
分爲傳感器模塊和ZigBee節點兩層架構。傳感器模塊，以STM8單片機進行傳感器數據採集，輸出都是或者轉化爲數字量及開關量，以串口TTL電平傳給ZigBee節點。ZigBee節點，基於最流行的TI公司的CC2530芯片，支持最流行的Zig-Bee2007協議棧。ZigBee節點採用星形網絡拓撲結構。
3．6數據無線傳輸
傳感器數據採集後，以ZigBee無線網絡傳遞給嵌入式網關。嵌入式網關將傳感器數據、GPS數據、ＲFID數據，以GPＲS移動網絡方式與後臺服務器之間進行數據傳輸，採用UDP協議，並自行定義數據幀格式。
3．7GPＲS2．5G業務數據傳輸
1)GPＲS網絡數傳車載終端與服務器的通信選用GPＲS網絡爲主。GPＲS模塊與車載終端處理器的通信通過串口完成，處理器向GPＲS模塊發送AT指令以及數據。GPＲS模塊連接網絡後利用TCP/UDP協議與數據服務器和應用服務器進行無線通信。車載終端通過GPＲS模塊實現Internet的無線接入，將車載終端要發送的數據通過GPＲS模塊無線發給中國移動GPＲS網絡的'內部服務器中，然後再傳遞到事先設定的Internet上某IP地址處，即本系統中的遠程服務器。遠程服務也可以向車載終端返回數據，或者對車載終端實施遠程控制。系統在這裏對傳輸的數據定義了一套協議，便於數據的後續處理。
2)網絡連接使用GPＲS無線設備做數傳的時候，在連接到外部數據網時通常有兩種方法:方法一:撥號上網:常見的如撥ATD*99＊＊＊#。方法二:指定Server的IP地址、Port端口號，使用特定的AT指令來連接到外部的數據網，即Internet。兩種方式各有特點:撥號上網方式採用的是外部協議棧，需要用戶自己實現PPP、TCP、UDP等協議棧。第二種方式則採用模塊自帶的協議棧，用戶的底層應用程序不需要實現上述較爲複雜的協議棧。二者各有優缺點。採用第一種方式，實現起來較爲複雜，但是使用靈活，用戶的數據封裝比較靈活，可以適應用戶的特殊應用。採用第二種方式，由於自身帶有完備的通信協議棧，所以用戶實現起來較爲簡單但成本較高，數據的封裝格式也較爲固定。
3)流量控制爲了節省GPＲS網絡流量，從傳輸協議、數據編碼、協議格式、數據庫操作四個方面做個全面考慮。傳輸協議:GPＲS網絡按流量計費，發送數據包由“IP頭+UDP/TCP頭+應用數據”構成。由於UDP頭比TCP頭小12字節，並且TCP協議還需要三次握手等額外開銷，所以實際上數據傳輸效率UDP要比TCP高。通過應用層中超時重傳等功能完全可以滿足對UDP協議中少量丟包情況的處理。數據編碼:ASCII數據經過編碼體積將大大減少，但編解碼都需要時間，也就是需要犧牲一些CPU的處理能力。折中處理，進行簡單編碼，某些字段內容用字段編號代替。協議格式:應用數據需要按照協議規定進行組織，採用可變長度的數據協議，可以節省很多空間。數據庫操作:部分數據如公交乘客信息，可在到達終點時一次性寫入數據庫服務器，而無需每到一站就傳輸一次。
4)永久在線保活機制GPＲS是聲稱永久在線的，但是如果己連接鏈路長時間沒有數據傳送，會自動壓縮帶寬，或者把網絡斷開，也就是形成虛鏈接。由於每次GPＲS接入Internet時，GPＲS模塊都會獲得一個動態IP地址，每一次GPＲS網絡地址都不一樣。所以在這種情況下，一旦連接斷開，則服務器必然無法識別終端。心跳包就是爲了保證每次建立的臨時連接，在數據傳輸過程中不改變。本系統中的保活檢測就是定時發心跳包產生流量，維持數據鏈路。當需長時間收發數據時，需要保證終端在線，否則一旦網絡連接斷開，將會導致數據傳輸過程失敗。如何判斷連接是否正常，一般採用定時發送簡單的通信包即心跳包，如果在指定時間段內未收到響應，則判斷連接已經斷開。出於效率的考慮，採用客戶端主動向服務器端發送心跳包的方式實現在線保活機制。考慮到資費問題，心跳包長度無需過長。在有數據收發發生時，無需發送心跳包;只有無操作時，才發送心跳包。在發送心跳包過程中，需要保證一旦有接收的數據過來，立即跳轉至接收處理程序，暫停心跳發送。不主動收發數據時，每5分鐘一個心跳包，全天24小時在線僅需耗費10K左右的流量。且在信號較弱、無法連接服務器時，支持延遲機制，重要數據可先保存，等信號穩定後再發送。
4結語
與現有技術相比，系統在公共交通智能化，交通信息收集、處理和發佈，智能交通專家系統等方面做了深入研究和優化。系統底層通過不同的硬件電路模塊採集了多種數據信息，爲決策研究提供了數據基礎;網絡層以ZigBee和GPＲS網絡作數傳，基本不受天氣、地形、位置、距離的限制;應用層以Qt、Android作用戶界面、以嵌入式SQLite和MySQL作數據存儲，爲人機交互和海量數據存儲提供了接口。系統研究的機動車覆蓋公交車、出租車、私家車，參與人覆蓋行人、司機、調度員、交警和道路管理處等，研究範圍全面、客觀，實現了真正的多位一體化。