閆海英, 靳 勇, 王曉喃

(常熟理工學(xué)院 計算機科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 常熟 215500)

·實驗室環(huán)境與安全·

基于物聯(lián)網(wǎng)的報警系統(tǒng)設(shè)計

閆海英, 靳 勇, 王曉喃

(常熟理工學(xué)院 計算機科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 常熟 215500)

針對校車安全問題多發(fā)現(xiàn)象，在分析其原因的基礎(chǔ)上，指出了目前校車安全系統(tǒng)的不足，設(shè)計了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的校車安全報警系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由傳感器、協(xié)調(diào)器、報警主機、聲光報警、屏幕顯示、控制設(shè)備、短信服務(wù)器及數(shù)據(jù)庫服務(wù)器8個組成部分構(gòu)成，并通過ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，利用RS-232總線將數(shù)據(jù)上傳報警主機處理，利用GPRS無線通信技術(shù)將數(shù)據(jù)上傳數(shù)據(jù)庫服務(wù)器儲存及進(jìn)行短信報警。通過實驗測試，該系統(tǒng)安裝維護(hù)簡單、擴展性強、成本低，能為校車的安全運行提供良好的保障。

物聯(lián)網(wǎng)； 校車； 報警； ZigBee； GPRS

0 引 言

隨著我國城鎮(zhèn)化程度越來越高，學(xué)生乘坐校車上下學(xué)越來越普遍，校車的安全問題也日益凸顯出來。近年來，雖然國家制定出臺了一系列的相關(guān)措施用來保障它的安全運行，但校車的安全事故還是屢屢發(fā)生。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是繼計算機、互聯(lián)網(wǎng)與移動通信網(wǎng)之后的又一次信息產(chǎn)業(yè)的革命,在很多領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用[1-6]，并取得了良好的應(yīng)用效果。利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)保障校車安全運行也是可行的，并且具有重要的社會價值。

1 目前校車安全存在的問題分析

通過對歷年來校車的事故原因進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致校車事故的原因主要表現(xiàn)在以下4個方面[7]：

(1) 校車自身故障。比如汽車制動無效、側(cè)滑、制動距離長、方向跑偏等；

(2) 校車違規(guī)使用。比如超載、超速、違規(guī)行駛等；

(3) 校車駕駛員因素。比如疲勞駕駛、飲酒后駕駛、駕駛過程中突發(fā)疾病等；

(4) 學(xué)生因素。比如學(xué)生私自離開座位、未系安全帶等。

為了保障校車安全運行，一些學(xué)者和專家都做了很多相關(guān)的研究，并取得了一定的有益成果。如：在車內(nèi)安裝攝像頭監(jiān)控車廂內(nèi)部情況，安裝定位系統(tǒng)識別校車運行位置，利用射頻標(biāo)簽技術(shù)統(tǒng)計學(xué)生人數(shù)等[8-10]。這些研究成果具有重要的應(yīng)用價值和實際意義，但這些成果還存在一些不足之處，主要有：①監(jiān)控的參數(shù)比較單一，不能較全面地輔助校車安全行駛；②監(jiān)控的目的主要是為事故發(fā)生后調(diào)查原因提供信息的被動報警上，并不能根據(jù)校車的實際運行情況進(jìn)行實時的主動報警；③該系統(tǒng)采用的基本都是有線組網(wǎng)方式，布線復(fù)雜、擴展性差、成本高等。

2 系統(tǒng)總體方案

結(jié)合校車安全運行存在的問題及監(jiān)測需求，提出一種利用物理網(wǎng)技術(shù)實時監(jiān)測校車多項參數(shù)，比如：行駛速度、運輸載重、駕駛員連續(xù)駕車時間、駕駛員是否飲酒、是否有學(xué)生離開座位、學(xué)生是否未系安全帶等，并通過將實時監(jiān)測的數(shù)據(jù)與預(yù)先設(shè)定的閾值進(jìn)行比較從而進(jìn)行實時報警的方案。該方案主要包括8個組成部分，分別是傳感器、協(xié)調(diào)器、報警主機、聲光報警、屏幕顯示、控制設(shè)備、短信服務(wù)器及數(shù)據(jù)庫服務(wù)器。

系統(tǒng)通過安裝在校車上的各類傳感器實時采集校車、駕駛員及學(xué)生的狀態(tài)數(shù)據(jù)，經(jīng)無線傳感網(wǎng)絡(luò)，匯總到協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器將各個傳感器節(jié)點的數(shù)據(jù)匯集上傳給報警主機，報警主機對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，若檢測到有超過預(yù)先設(shè)定的閾值的數(shù)據(jù)則執(zhí)行蜂鳴器和指示燈報警，然后在監(jiān)控屏幕上顯示故障信息，提醒駕駛員進(jìn)行故障處理，并啟動控制設(shè)備發(fā)送控制命令采取措施處理故障，利用短信服務(wù)器發(fā)送報警短信到校車管理中心人員、學(xué)校管理人員及學(xué)生家長的手機上，同時將故障數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)上傳到遠(yuǎn)程校車管理中心的數(shù)據(jù)庫服務(wù)器上儲存。系統(tǒng)總體設(shè)計結(jié)構(gòu)見圖1所示。

3 系統(tǒng)設(shè)計

無線傳感網(wǎng)絡(luò)(WSN)是物聯(lián)網(wǎng)的重要組成部分，主要負(fù)責(zé)監(jiān)測采集實時數(shù)據(jù)，目前能應(yīng)用于WSN的通信技術(shù)主要有5種[11]，分別是: UWB技術(shù)、NFC技術(shù)、WiFi技術(shù)、Bluetooth技術(shù)以及ZigBee技術(shù)。其中ZigBee技術(shù)具備功耗低、成本低、速率低、距離近、時延短、安全性高、容量高、免執(zhí)照頻段等特點。另外本系統(tǒng)的監(jiān)測區(qū)域主要是校車內(nèi)部，按照國家相關(guān)法規(guī)規(guī)定，校車車身長度范圍一般限制在5～12 m范圍內(nèi)。所以在本系統(tǒng)的開發(fā)過程中，數(shù)據(jù)采集部分選擇使用ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計結(jié)構(gòu)圖

GPRS是通用分組無線技術(shù)的簡稱，它是基于全球移動通信系統(tǒng)(GSM)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，是移動業(yè)務(wù)與分組業(yè)務(wù)相結(jié)合的產(chǎn)品，具備使用費用低、數(shù)據(jù)傳輸速率高、接入延時短等特點，同時它還能提供端到端的、廣域的無線IP連接[12]。所以在本系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)上傳遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫服務(wù)器及短信報警部分選擇使用GPRS網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)。

3.1 硬件設(shè)計

在本系統(tǒng)中，協(xié)調(diào)器節(jié)點的功能主要是利用ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)接收終端節(jié)點采集的數(shù)據(jù)，利用RS-232總線與報警主機相連，將終端節(jié)點采集的數(shù)據(jù)上傳給報警主機處理。

從縮減系統(tǒng)的成本、降低功耗角度出發(fā)，本系統(tǒng)中協(xié)調(diào)器節(jié)點的無線通信模塊采用了CC2430。CC2430是Chipcon公司推出的用來實現(xiàn)嵌入式ZigBee應(yīng)用的單片射頻收發(fā)器，它僅需極少的外圍元件即可構(gòu)成ZigBee傳感器節(jié)點，具備集成度高、成本低、功耗低等特點，符合系統(tǒng)的需求[13-14]。

另外，在系統(tǒng)中，協(xié)調(diào)器節(jié)點是通過RS-232[15]串口與上位機相連，所以需要再增加一個MAX232轉(zhuǎn)換芯片，來實現(xiàn)RS-232標(biāo)準(zhǔn)電平和TTL電平的相互轉(zhuǎn)換。

在協(xié)調(diào)器節(jié)點中，由于CC2430一直處于工作狀態(tài)，為了確保ZigBee網(wǎng)絡(luò)運行正常，所以其最好有持續(xù)電源供電，本系統(tǒng)設(shè)計利用外接直流電源持續(xù)為其供電。協(xié)調(diào)器的硬件結(jié)構(gòu)圖見圖2。

3.2 軟件設(shè)計

協(xié)調(diào)器節(jié)點上電后，首先進(jìn)行初始化組建ZigBee網(wǎng)絡(luò)，然后從終端傳感器節(jié)點接收數(shù)據(jù)，并通過串口將數(shù)據(jù)上傳給報警主機處理。協(xié)調(diào)器節(jié)點的軟件流程圖見圖3。

圖2 協(xié)調(diào)器的硬件結(jié)構(gòu)圖

圖3 協(xié)調(diào)器節(jié)點軟件流程圖

4 系統(tǒng)測試

為了測試系統(tǒng)性能，我們以測試駕駛員是否酒駕為例進(jìn)行功能驗證。根據(jù)國家道路交通安全法規(guī)定：駕駛員血液中酒精濃度每100 mL若≥80 mg，則屬于醉酒駕駛；若<80 mg≥20 mg，則屬于酒駕范疇。

在測試過程中，我們使用MQ-3作為酒精濃度探測傳感器，分別利用本系統(tǒng)和警用酒精檢測儀兩種方式進(jìn)行酒精濃度對比測試。選取10個人進(jìn)行測試，在測試前分別讓他們飲用了不同濃度的酒制品，如黃酒、紅酒、啤酒或白酒，每個人在飲酒后20、30、40、50、60 min時利用兩種不同的方式進(jìn)行酒精檢測各1次。根據(jù)上述測試方式，得到系統(tǒng)檢測酒駕的成功率見圖4。

通過以上測試可知，基于物聯(lián)網(wǎng)的校車安全報警系統(tǒng)性能穩(wěn)定，可靠性較高，達(dá)到了保障校車安全運行的需求。

5 結(jié) 語

利用CC2430芯片、ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)及GPRS無線通信技術(shù)設(shè)計了基于物聯(lián)網(wǎng)的校車安全報警系統(tǒng)。該系統(tǒng)能實時監(jiān)測校車的運行狀態(tài)、駕駛員的駕駛狀態(tài)、學(xué)生的乘車狀態(tài)，如果監(jiān)測參數(shù)的實時數(shù)據(jù)超過了預(yù)先設(shè)置的閾值范圍，系統(tǒng)則及時采取相應(yīng)控制措施，并進(jìn)行聲光報警、屏幕顯示報警信息、發(fā)送短信報警等。該系統(tǒng)具備成本低、安裝維護(hù)方便、容易擴展、靈活性強等優(yōu)點，滿足了校車安全運行的監(jiān)控需求，具有良好的市場應(yīng)用和推廣價值。

圖4 系統(tǒng)測試結(jié)果圖

[1] 許玉枝,姜莉莉,張 勝.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)平臺在車間作業(yè)調(diào)度中的應(yīng)用[J].計算機測量與控制,2012,20(6):1686-1688.

[2] 吳秋明,繳錫云,潘 渝,等.基于物聯(lián)網(wǎng)的干旱區(qū)智能化微灌系統(tǒng)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2012,28(1):118-122.

[3] 盧書海,劉 帥,李建軍,等.物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)及其在林業(yè)中的應(yīng)用[J].中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報,2012,32(11):181-185.

[4] 嚴(yán) 萍,張興敢,柏業(yè)超,等.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能家居系統(tǒng)[J].南京大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)),2012,48(1):26-31.

[5] 馮巧娟,王春麗.危重病人的物聯(lián)網(wǎng)智能監(jiān)護(hù)系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J].計算機測量與控制,2014,22(2):431-445.

[6] 莫偉健,任志健,萬智萍.基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧校園無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)[J].實驗室研究與探索,2013,32(4):98-102.

[7] 閆海英.基于物聯(lián)網(wǎng)的安全報警裝置:中國,201520037262.5[P].2015-07-15.

[8] 陳小翔,姜 娜,姜春來,等.基于智能視頻的校車監(jiān)測系統(tǒng):中國,201220646797.9[P].2013-05-15.

[9] 蔣松云.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的校車監(jiān)控裝置:中國,201420343629.1[P].2014-11-05.

[10] 曾慶勇.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的校車安全管理系統(tǒng)[J].計算機系統(tǒng)應(yīng)用,2012,21(8):35-38.

[11] 高守偉,吳燦陽.ZigBee技術(shù)實踐教程[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2009:20-22.

[12] 百度百科.GPRS[EB/OL].http://baike.baidu.com.

[13] 郭淵博,楊奎武,趙 儉,等.ZigBee技術(shù)與應(yīng)用-CC2430設(shè)計、開發(fā)與實踐[M].北京:國防工業(yè)出版社,2010:207-209.

[14] 李偉躍.基于CC2430的無線傳感網(wǎng)絡(luò)中協(xié)調(diào)器的設(shè)計[J].電子設(shè)計工程,2011,19(20):133-135.

[15] 習(xí)海旭,張 杰,時國龍，等.基于GPRS的嵌入式無線控制自動檢測系統(tǒng)[J].實驗室研究與探索,2012,31(7):105-108.

Design of Alarm System Based on the Internet of Things

YANHai-ying,JINYong,WANGXiao-nan

(School of Computer Science and Technology, Changshu Institute of Technology, Changshu 215500, Jiangsu, China)

According to the multiple phenomenon of school bus safety problem, based on the analysis of its causes, the paper points out the deficiency of current school bus safety system, and designs a school bus safety alarm system based on the Internet of Things. The system mainly consists of eight components, i.e., sensors, coordinator, alarm host, sound and light alarm, screen display, control equipment, short message server and database server, and collects data through the ZigBee wireless sensor network, uploads data to alarm host by using RS-232 bus, uploads data to database server for saving and sends SMS alarm by using GPRS wireless communication technology. Through the experimental test, the system has the advantages of simple installation and maintenance, strong expansibility, low cost, can provide a good guarantee for the safety operation of the school bus.

internet of things； school buses； alarm； ZigBee； GPRS

2016-04-15

國家自然科學(xué)基金(61202440)；常熟市科技局科技支撐計劃(社會發(fā)展部分)項目(cs201413)；江蘇省大學(xué)生創(chuàng)新項目(201510333034Y)

閆海英(1978-)，女，江蘇連云港人，碩士，講師，主要研究方向為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、計算機應(yīng)用。

Tel.：18913665887；E-mail：yhyingok@163.com

TP 393

A

1006-7167(2017)01-0280-03