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基于IoT（物联网）的智能城市交通预警系统设计

Keertikumar B Malagund，Shubham N Mahalank，R.M.Banakar

摘要

基于IoT的交通拥堵控制单元设计提高了警务人员的服务效率。进行仔细调查后开发用于实时交通监测单元的工作流程。设计中的增强功能提供了在感测流量和警报服务供给单元内，使用多任务设计能力。开发的知识生态系统，是提供一个基于平台的解决方案模型，重点关注设计过程开发规划的需要。开发的交通警报算法本质上是独特的，其满足硬件操作和软件处理单元设计。

关键词

计算机网络，树莓派，交通拥堵，独立系统

1介绍

在一个城市中，交通拥堵正在成为每个人的主要问题。这个问题的原因是城市车辆数量的增加，道路管理不善。越来越多的成年人数量也是拥挤的主要原因，因为他们想使用自己的私家车，而不是使用公共交通工具。随着汽车数量的增加，城市的拥挤也在增加。这就是为什么在较小的城镇和村庄都没有听到过这个问题[30]。

由于相应基础设施的缺乏，议会和政府不能对盛行的城市拥挤问题采取行动。城市不能随着依赖汽车人口数量的越来越多而扩张。在人口增加后的十年内，每条街上有一条单独的车道可能不够，相关部门通常不能将其转换为双车道，备用路径也是一个问题。由于资金不足和规划限制，城市建设在绿化带空间方面的能力有限，只能被迫在原有路线上进行改造。如果不能增加车道的数量，那么将会导致交通拥堵。车主也可以在处理拥堵方面发挥作用。拥挤几乎总是发生在人们上下班的时候。近年来，由于失业人口增加和采用更灵活的工作时间，交通拥堵情况有所缓和，因为坚持传统的朝九晚五惯例，每个人都必须每天在同一时间上下班[33]，会造成更多的拥堵次数。

交通拥堵的负面影响是影响了驾驶人和乘客的时间价值，这对大多数人来说是非生产性的活动。它使区域经济健康状态下降，最重要的是它产生了拖延，这可能导致延迟到达上班，会议和教育场所，从而影响业务。由于车辆增加了空转，加速和制动次数，导致燃料浪费、增加了空气污染和二氧化碳排放量。由于车辆怠速和频繁的加速和制动，导致车辆磨损，以至于造成更频繁的维修和更换。阻塞的交通可能会干扰到紧急需要到达目的地的车辆的通行[34]。

已经有许多解决交通建设的方案被提出，其中的一些方案被证实其造价是昂贵的，在一些关键的道路条件下难以实施。本文使用网络和嵌入式系统的概念解释了在未来，上下文中所提到的这种拥堵的解决方案。它还解释了所倡导的工作的设计思路[35] [37]。

2基于物联网设计的系统级工程方法

由于物联网设计开发是一个多学科的任务，它需要专注于如何遵循系统化的方法以及管理复杂的设计开发。概念化设计框架的一种方式是将其可视化为一种基于其优点和接口简易性来识别设计组件的方法。

智能交通城市警报系统操作的分析表明，物联网基础设施开发需要更深入的调查，使所提出的模型可以成功地执行需要，并且决定模型的概念框架。基于IoT设计的系统级工程能力应该支持物联网基础设施和软件系统工程能力之间的交互，在这种情况下将其部署在拟议的城市也需要仔细关注。部署模式的定义因各政府和私营人员的合作而异。有必要集中建立所有必要的组件作为一个单一独特的设计模型，用以提供想要得到的解决方案。需要联系：

• 城市警察局长寻找设计单位。
• 城市相关公司建设民用基础设施。
• 交通警察训练部分先进的技术。
• 设计团队在城市的关键交叉点投入设备。
• 为了防止极端天气，如雨水和高温，设计单位需要开发合适的环保包装以及坚固的外壳，以防止损坏。

3警报系统的设计组件

1. 树莓派板

为了设计模型以控制交通拥堵，需要一个处理单元。在对处理单元的规格做了许多调查后，决定使用RaspberryPi板作为计算单元，因为它是一种低成本设备，它自己可以作为一个独立高效的计算机操作系统，像Raspbian，Pidora一样。在这个特定的系统中使用Raspbian，由于它被广泛使用并且容易得到。此外，RaspberryPi是支持显示接口的开源标准平台，并且它以900MHz的频率运行，这足以适应控制交通拥塞的任务。该板易于控制，因为它有40个通用引脚，可以通过编程来执行代码。它通过其以太网端口促进互联网连接，在任何关键情况的需要下，它还便于键盘，鼠标和计算机显示器的接口，有助于升级系统。[6] [16] [17]。

B.路由器

路由器是网络领域中非常好的组件，它们用于将多个网络绑定在一起。例如，可以使用路由器将联网的计算机连接到因特网，从而在许多用户之间共享因特网连接。路由器将充当调度器，因为它知道分组行进以便到达目的地的最佳路由。路由器分析通过因特网发送的数据，或通过不同类型的网络更改它的打包方式，并将其发送到另一个网络。它将家庭工作与外部世界联系起来。它还在与其相关的网络数据保护中起作用。它还知道哪个节点具有更高的优先级。根据需求类型和数据使用类型，可以选择不同类型的路由器。路由器的工作是这样的，每当一个数据包到达任何路由器，数据包会包含源地址和目的地址，路由器通过检查其路由表来解包，以获得下一关地址。每个路由器都有其路由表，其中含有路由器连接的接口的所有地址。因此它会检查当前分组将被转发到的下一个低成本地址。路由是基于地址前缀可以匹配物理位置的前提。在这种情况下，物理位置不是指地理位置，而是指网络拓扑。如电话号码的地址前缀（国家和区域代码）被绑定到电话网络的拓扑，邮政编码的地址前缀被绑定到邮政分发网络的拓扑，IP地址前缀被绑定到互联网的拓扑。路由器总是与物理地址和逻辑地址相关联。物理地址对于给定网络始终是唯一的。两个不同的网络可以包含具有相同物理地址但不具有相同逻辑地址的节点。

图1 路由示例

图1解释如何通过路由器借助其准备的路由表进行路由。考虑路由器R，从节点A接收分组，该数据分组包含源地址和目的地址。 路由表包含连接到路由器R的所有四个节点的物理地址。当路由器打开包时，它将地址与表中的地址匹配，并将包正确地路由到下一跳，这将更快地使包到达其目的。

C.超声波传感器

超声波测距模块HC - SR04提供非接触测量功能，测距精度可达到3mm。模块包括超声波发射器，接收器和控制电路。基本工作原理：（1）使用IO触发至少10us高频信号，（2）模块自动发送8个40kHz声波，检测是否有脉冲信号返回;（3）如果信号返回，高输出IO持续时间是从发送超声波到返回的时间。测试距离=（高电平声速时间（340m / s）/ 2。超声波传感器，用于演示本文提出的解决方案，它有四个引脚Vcc，Trigger，Echo，Gnd，Vcc连接到数据手册中给出的规定电压的电源，触发脉冲输入引脚，回波是脉冲输出引脚，GND连接到地（0V）。传感器模块具有用于其操作的特定电压，在该电压之下不工作，并且高于该特定电压，它最易受损坏，需要适当的5V电压以检测其被放置的特定条件。它有具体相关额定电流，即15mA，工作频率也是一个考虑因素，是40Hz。传感器的最大范围是500米，这对于在该方案的系统中执行应用是足够的。应该只需要提供一个短的10uS脉冲触发输入就会开始测距，然后模块将发出一个在40 kHz，8周期的超声波，并提高其回声。回波是一个脉冲宽度和比例范围的距离对象。你可以通过发送触发信号和接收回波信号之间的时间间隔来计算范围。

D.电子邮件服务器

早期的电子邮件只是将消息发送到另一个用户的文件目录，这是非常多余的。这种类型的第一个电子邮件系统是邮箱，它就像在同一台计算机发送邮件一样，但不同的是用户目录，无论何时登录，消息都将传递给他。互联网络中的广告，通过网络发送电子邮件到另一用户计算机，包含目的地地址的消息变得再次很复杂。

Ray Tomlinson与电子邮件服务器密切合作，并选择@符号表示从一台计算机向另一台计算机发送消息。 这个电子邮件服务对于许多组织，如军事非常有用。 早期邮件通过ARPANET平台发送。 后来发生了很多进步，如电子邮件文件夹已经盛行，可以轻松地将邮件排序。 随后电子邮件变得非常受欢迎，大多数ARPANET往来靠电子邮件。之后电子邮件服务器的新发展是离线读者。这是非常有用的，即使是今天，这个离线读者允许电子邮件用户在自己的个人计算机上存储他们的电子邮件。这个离线阅读器对用户友好界面和成本效益非常有用。

第一个重要的电子邮件标准被称为SMTP，非常简单，现在仍在使用。但在刚开始的时候，对于电子邮件通信这个协议是非常不安全的，伪造是主要的现状和问题，因为没有任何计算机或人声称发送消息的是他们所指的人的这样的确认。协议中的这个基本缺陷再次被病毒利用。一些问题仍然存在[29]。

在这之后，电子邮件开始出现一些灵巧的特征，互联网标准的电子邮件开始出现了，作为POP服务器开始显示的标准。 使用万维网，电子邮件开始由提供商（如Yahoo和Hotmail）提供友好的Web界面，这是第一次没有收费。现在电子邮件是可以被人负担得起的，每个人都有至少有一个邮件地址，并且媒介不仅被数百万，而是数亿人采用[23]。

简单邮件传输协议是用于将电子邮件从一个系统发送到另一个系统的标准互联网协议。 虽然它非常有用、强大，是成功的基准，但给垃圾邮件的发送者一种方式，让他们发送不需要的消息。南加利福尼亚大学的Johnathan Postel撰写SMTP定义了RFC 821。在早期，互联网不对所有人开放，它只被用于军事组织，大学和公司研究实验室。互联网连接是非常缓慢和不可靠的。在SMTP的早期设置中，更多关注可靠性而不是安全性[27]。

电子邮件或电子信件是一种流行的媒体沟通方式，通过这种方式人们可以与世界各地的其他人沟通。电子邮件的基本要求是互联网连接。然而，即使接收者离线，最近的云服务提供存储和转发过程，使得即使接收者离线，邮件也被存储在云本身中，但是发送者需要互联网连接以发送邮件，之后它将到达接收方的相应服务器，并且当接收者上线时，将接收相应的邮件。这种通信模式比任何其他通信模式（尤其是对于商业领域）非常有利，因为可以发送附件。有很多电子邮件云服务，如谷歌，雅虎，Hotmail，展望等，在为他们的客户提供服务中发挥着重要作用[26]。

他们为他们的客户提供免费空间，用以将他们的邮件存储到他们注册邮件的Id，并且还在发送邮件时使文件，照片作为附件更加方便。这种便利性对任何商业人士在世界任何地方处理客户事务都非常有用。随着智能手机在最近几十年的普及，用户钟爱的应用程序彻底改变了邮件服务，使任何个人都很容易检查他们的任何邮件。不再用电脑看这些邮件使得它变得非常有用。早期的电子邮件服务是Arpanet平台，但现在它是简单的邮件传输协议（SMTP），这使得为互联网工作提供高速服务变得更简便[25]。

在这个特地提出的系统中，Google Mail服务器使用RaspberryPi发送邮件。Gmail提供15 GB的可用空间来存储邮件。付费服务的容量高达30TB。传感器在道路方面，特别是在分隔线上可以实现。交通部门应在经常受交通影响的城市地区实施。该网络的构造为如下内容。

4提出用于控制交通拥堵的算法

交通警报算法：逐步过程

• 初始化过程单位；
• 监控数据采集系统；
• 与阈值比较；

• 保持监控。

该算法说明了IoT基础设施单元的整个工作流程，该基础设施单元位于受交通堵塞高度影响的城市的各个区域。该算法描述了数据采集模块和处理单元的工作过程。当该单元启动时，开始监视数据采集模块，并且将比较的数据与设定的阈值输入，如果输入数据变得大于阈值，则发送邮件以警告该区域的警务人员。这个特定的过程将会无限循环，直到它被关闭。 SAM的设计原则在接下来的小节中解释。

5警报模块设计过程提出的解决方案模型

为了开发警报模块的设计过程，必须要遵循多学科方法。从物理数学，电子和通信工程以及计算机科学获取所需知识。此解决方案方法有助于系统级工程和设计架构以及基于IOT建模的整个单元。

由于现有系统虽然是实时交通拥堵控制单元，但是这些系统设计中，没有一个对在指定交通路口当值的警察人员设有警报系统。所有现有的系统具有位于单个站点处的中央交通监测单元。通过本设计中提出的独特系统解决方案，可以增强互动性决策。

解决方案模型包括：

• 基于传感器类型的计算模型开发。
• 硬件交互模块。
• 软件警报初始化设计（SAID）。
• 用户交互模块。

1. 基于传感器类型的计算模型开发

各种类型的传感器在多种情况下被应用。超声波传感器、红外传感器、湿度传感器、压力传感器、pH值传感器等等。传感器用于模拟数据传感和采集数据，每种传感器都有自己的突出特点和典型的技术规范。超声波传感器用于交通拥堵控制系统，是基于发射 - 接收距离和速度的物理原理。

设计过程项目有距离，速度和时间，听上去类似于设计这些基于IoT警报模块的映射很有趣。超声波来回传输的基本原理是声速（343m / s或34300cm / s）这个速度参数，因为它来回必须除以2才能获得距离。设计模块中的软件初始化例程会监视此值，以获取到IoT硬件基础设施的输入数据。这样，模型对从超声传感器获得的模拟数据进行精确控制。当在基于IoT的设计模型中实现时，硬件IoT板会给予功能验证的第一部分一个精确地解释，这部分即是由超声传感器输入的数据。

从所涉及的设计步骤中敏锐观察之后表明，存在两个不同的任务。一个是开发超声波传感器的控制值，另一个是将这个值移植到物联网系统。原理很简单，基于IoT的系统中集成和实施的设计过程是创新的和具有挑战

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