閆海英, 靳 勇, 王曉喃

(常熟理工學(xué)院 計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 常熟 215500)

·實(shí)驗(yàn)室環(huán)境與安全·

基于物聯(lián)網(wǎng)的報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

閆海英, 靳 勇, 王曉喃

(常熟理工學(xué)院 計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 常熟 215500)

針對(duì)校車安全問(wèn)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(jì)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的校車安全報(bào)警系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由傳感器、協(xié)調(diào)器、報(bào)警主機(jī)、聲光報(bào)警、屏幕顯示、控制設(shè)備、短信服務(wù)器及數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器8個(gè)組成部分構(gòu)成，并通過(guò)ZigBee無(wú)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(bào)警主機(jī)處理，利用GPRS無(wú)線通信技術(shù)將數(shù)據(jù)上傳數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器儲(chǔ)存及進(jìn)行短信報(bào)警。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，該系統(tǒng)安裝維護(hù)簡(jiǎn)單、擴(kuò)展性強(qiáng)、成本低，能為校車的安全運(yùn)行提供良好的保障。

物聯(lián)網(wǎng)； 校車； 報(bào)警； ZigBee； GPRS

0 引 言

隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化程度越來(lái)越高，學(xué)生乘坐校車上下學(xué)越來(lái)越普遍，校車的安全問(wèn)題也日益凸顯出來(lái)。近年來(lái)，雖然國(guó)家制定出臺(tái)了一系列的相關(guān)措施用來(lái)保障它的安全運(yùn)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(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)與移動(dòng)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(yùn)行也是可行的，并且具有重要的社會(huì)價(jià)值。

1 目前校車安全存在的問(wèn)題分析

通過(guò)對(duì)歷年來(lái)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(gè)方面[7]：

(1) 校車自身故障。比如汽車制動(dòng)無(wú)效、側(cè)滑、制動(dòng)距離長(zhǎng)、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(guò)程中突發(fā)疾病等；

(4) 學(xué)生因素。比如學(xué)生私自離開(kāi)座位、未系安全帶等。

為了保障校車安全運(yùn)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(shí)別校車運(yùn)行位置，利用射頻標(biāo)簽技術(shù)統(tǒng)計(jì)學(xué)生人數(shù)等[8-10]。這些研究成果具有重要的應(yīng)用價(jià)值和實(shí)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(dòng)報(bào)警上，并不能根據(jù)校車的實(shí)際運(yùn)行情況進(jìn)行實(shí)時(shí)的主動(dòng)報(bào)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(kuò)展性差、成本高等。

2 系統(tǒng)總體方案

結(jié)合校車安全運(yùn)行存在的問(wèn)題及監(jiān)測(cè)需求，提出一種利用物理網(wǎng)技術(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)校車多項(xiàng)參數(shù)，比如：行駛速度、運(yùn)輸載重、駕駛員連續(xù)駕車時(shí)間、駕駛員是否飲酒、是否有學(xué)生離開(kāi)座位、學(xué)生是否未系安全帶等，并通過(guò)將實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(shí)時(shí)報(bào)警的方案。該方案主要包括8個(gè)組成部分，分別是傳感器、協(xié)調(diào)器、報(bào)警主機(jī)、聲光報(bào)警、屏幕顯示、控制設(shè)備、短信服務(wù)器及數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器。

系統(tǒng)通過(guò)安裝在校車上的各類傳感器實(shí)時(shí)采集校車、駕駛員及學(xué)生的狀態(tài)數(shù)據(jù)，經(jīng)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)，匯總到協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器將各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)匯集上傳給報(bào)警主機(jī)，報(bào)警主機(jī)對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，若檢測(cè)到有超過(guò)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(bào)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(dòng)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(bào)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(zhǎng)的手機(jī)上，同時(shí)將故障數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)上傳到遠(yuǎn)程校車管理中心的數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器上儲(chǔ)存。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1所示。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

無(wú)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(cè)采集實(shí)時(shí)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(shí)延短、安全性高、容量高、免執(zhí)照頻段等特點(diǎn)。另外本系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)區(qū)域主要是校車內(nèi)部，按照國(guó)家相關(guān)法規(guī)規(guī)定，校車車身長(zhǎng)度范圍一般限制在5～12 m范圍內(nèi)。所以在本系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，數(shù)據(jù)采集部分選擇使用ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖

GPRS是通用分組無(wú)線技術(shù)的簡(jiǎn)稱，它是基于全球移動(dòng)通信系統(tǒng)(GSM)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，是移動(dòng)業(yè)務(wù)與分組業(yè)務(wù)相結(jié)合的產(chǎn)品，具備使用費(fèi)用低、數(shù)據(jù)傳輸速率高、接入延時(shí)短等特點(diǎn)，同時(shí)它還能提供端到端的、廣域的無(wú)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(kù)服務(wù)器及短信報(bào)警部分選擇使用GPRS網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

3.1 硬件設(shè)計(jì)

在本系統(tǒng)中，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的功能主要是利用ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)接收終端節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)，利用RS-232總線與報(bào)警主機(jī)相連，將終端節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)上傳給報(bào)警主機(jī)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(diǎn)的無(wú)線通信模塊采用了CC2430。CC2430是Chipcon公司推出的用來(lái)實(shí)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(diǎn)，具備集成度高、成本低、功耗低等特點(diǎn)，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(diǎn)是通過(guò)RS-232[15]串口與上位機(jī)相連，所以需要再增加一個(gè)MAX232轉(zhuǎn)換芯片，來(lái)實(shí)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(diǎn)中，由于CC2430一直處于工作狀態(tài)，為了確保ZigBee網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行正常，所以其最好有持續(xù)電源供電，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jiàn)圖2。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)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(diǎn)接收數(shù)據(jù)，并通過(guò)串口將數(shù)據(jù)上傳給報(bào)警主機(jī)處理。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的軟件流程圖見(jiàn)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(diǎn)軟件流程圖

4 系統(tǒng)測(cè)試

為了測(cè)試系統(tǒng)性能，我們以測(cè)試駕駛員是否酒駕為例進(jìn)行功能驗(yàn)證。根據(jù)國(guó)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(cè)試過(guò)程中，我們使用MQ-3作為酒精濃度探測(cè)傳感器，分別利用本系統(tǒng)和警用酒精檢測(cè)儀兩種方式進(jìn)行酒精濃度對(duì)比測(cè)試。選取10個(gè)人進(jìn)行測(cè)試，在測(cè)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(gè)人在飲酒后20、30、40、50、60 min時(shí)利用兩種不同的方式進(jìn)行酒精檢測(cè)各1次。根據(jù)上述測(cè)試方式，得到系統(tǒng)檢測(cè)酒駕的成功率見(jiàn)圖4。

通過(guò)以上測(cè)試可知，基于物聯(lián)網(wǎng)的校車安全報(bào)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(yùn)行的需求。

5 結(jié) 語(yǔ)

利用CC2430芯片、ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)及GPRS無(wú)線通信技術(shù)設(shè)計(jì)了基于物聯(lián)網(wǎng)的校車安全報(bào)警系統(tǒng)。該系統(tǒng)能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)校車的運(yùn)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(cè)參數(shù)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)超過(guò)了預(yù)先設(shè)置的閾值范圍，系統(tǒng)則及時(shí)采取相應(yīng)控制措施，并進(jìn)行聲光報(bào)警、屏幕顯示報(bào)警信息、發(fā)送短信報(bào)警等。該系統(tǒng)具備成本低、安裝維護(hù)方便、容易擴(kuò)展、靈活性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，滿足了校車安全運(yùn)行的監(jiān)控需求，具有良好的市場(chǎng)應(yīng)用和推廣價(jià)值。

圖4 系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果圖

[1] 許玉枝,姜莉莉,張 勝.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)平臺(tái)在車間作業(yè)調(diào)度中的應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)測(cè)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(bào),2012,28(1):118-122.

[3] 盧書(shū)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(bào),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(bào)(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(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制,2014,22(2):431-445.

[6] 莫偉健,任志健,萬(wàn)智萍.基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧校園無(wú)線視頻監(jiān)控系統(tǒng)[J].實(shí)驗(yàn)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(bào)警裝置:中國(guó),201520037262.5[P].2015-07-15.

[8] 陳小翔,姜 娜,姜春來(lái),等.基于智能視頻的校車監(jiān)測(cè)系統(tǒng):中國(guó),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(guó),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(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用,2012,21(8):35-38.

[11] 高守偉,吳燦陽(yáng).ZigBee技術(shù)實(shí)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(jì)、開(kāi)發(fā)與實(shí)踐[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2010:207-209.

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

[15] 習(xí)海旭,張 杰,時(shí)國(guó)龍，等.基于GPRS的嵌入式無(wú)線控制自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)[J].實(shí)驗(yàn)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(guó)家自然科學(xué)基金(61202440)；常熟市科技局科技支撐計(jì)劃(社會(huì)發(fā)展部分)項(xiàng)目(cs201413)；江蘇省大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目(201510333034Y)

閆海英(1978-)，女，江蘇連云港人，碩士，講師，主要研究方向?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)技術(shù)、計(jì)算機(jī)應(yīng)用。

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

TP 393

A

1006-7167(2017)01-0280-03