基于物聯網的報警系統設計

閆海英, 靳 勇, 王曉喃

(常熟理工學院 計算機科學與工程學院，江蘇 常熟 215500)

·實驗室環境與安全·

基于物聯網的報警系統設計

閆海英, 靳 勇, 王曉喃

(常熟理工學院 計算機科學與工程學院，江蘇 常熟 215500)

針對校車安全問題多發現象，在分析其原因的基礎上，指出了目前校車安全系統的不足，設計了一種基于物聯網的校車安全報警系統。該系統主要由傳感器、協調器、報警主機、聲光報警、屏幕顯示、控制設備、短信服務器及數據庫服務器8個組成部分構成，并通過ZigBee無線傳感網絡進行數據采集，利用RS-232總線將數據上傳報警主機處理，利用GPRS無線通信技術將數據上傳數據庫服務器儲存及進行短信報警。通過實驗測試，該系統安裝維護簡單、擴展性強、成本低，能為校車的安全運行提供良好的保障。

物聯網； 校車； 報警； ZigBee； GPRS

0 引 言

隨著我國城鎮化程度越來越高，學生乘坐校車上下學越來越普遍，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生。

物聯網技術是繼計算機、互聯網與移動通信網之后的又一次信息產業的革命,在很多領域都得到了廣泛的應用[1-6]，并取得了良好的應用效果。利用物聯網技術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行分析后發現，導致校車事故的原因主要表現在以下4個方面[7]：

(1) 校車自身故障。比如汽車制動無效、側滑、制動距離長、方向跑偏等；

(2) 校車違規使用。比如超載、超速、違規行駛等；

(3) 校車駕駛員因素。比如疲勞駕駛、飲酒后駕駛、駕駛過程中突發疾病等；

(4) 學生因素。比如學生私自離開座位、未系安全帶等。

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

2 系統總體方案

結合校車安全運行存在的問題及監測需求，提出一種利用物理網技術實時監測校車多項參數，比如：行駛速度、運輸載重、駕駛員連續駕車時間、駕駛員是否飲酒、是否有學生離開座位、學生是否未系安全帶等，并通過將實時監測的數據與預先設定的閾值進行比較從而進行實時報警的方案。該方案主要包括8個組成部分，分別是傳感器、協調器、報警主機、聲光報警、屏幕顯示、控制設備、短信服務器及數據庫服務器。

系統通過安裝在校車上的各類傳感器實時采集校車、駕駛員及學生的狀態數據，經無線傳感網絡，匯總到協調器，協調器將各個傳感器節點的數據匯集上傳給報警主機，報警主機對接收到的數據進行處理，若檢測到有超過預先設定的閾值的數據則執行蜂鳴器和指示燈報警，然后在監控屏幕上顯示故障信息，提醒駕駛員進行故障處理，并啟動控制設備發送控制命令采取措施處理故障，利用短信服務器發送報警短信到校車管理中心人員、學校管理人員及學生家長的手機上，同時將故障數據通過網絡上傳到遠程校車管理中心的數據庫服務器上儲存。系統總體設計結構見圖1所示。

3 系統設計

無線傳感網絡(WSN)是物聯網的重要組成部分，主要負責監測采集實時數據，目前能應用于WSN的通信技術主要有5種[11]，分別是: UWB技術、NFC技術、WiFi技術、Bluetooth技術以及ZigBee技術。其中ZigBee技術具備功耗低、成本低、速率低、距離近、時延短、安全性高、容量高、免執照頻段等特點。另外本系統的監測區域主要是校車內部，按照國家相關法規規定，校車車身長度范圍一般限制在5～12 m范圍內。所以在本系統的開發過程中，數據采集部分選擇使用ZigBee無線傳感網絡來實現。

圖1 系統總體設計結構圖

GPRS是通用分組無線技術的簡稱，它是基于全球移動通信系統(GSM)基礎上發展起來的，是移動業務與分組業務相結合的產品，具備使用費用低、數據傳輸速率高、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]。所以在本系統中，數據上傳遠程數據庫服務器及短信報警部分選擇使用GPRS網絡來實現。

3.1 硬件設計

在本系統中，協調器節點的功能主要是利用ZigBee無線傳感網絡接收終端節點采集的數據，利用RS-232總線與報警主機相連，將終端節點采集的數據上傳給報警主機處理。

從縮減系統的成本、降低功耗角度出發，本系統中協調器節點的無線通信模塊采用了CC2430。CC2430是Chipcon公司推出的用來實現嵌入式ZigBee應用的單片射頻收發器，它僅需極少的外圍元件即可構成ZigBee傳感器節點，具備集成度高、成本低、功耗低等特點，符合系統的需求[13-14]。

另外，在系統中，協調器節點是通過RS-232[15]串口與上位機相連，所以需要再增加一個MAX232轉換芯片，來實現RS-232標準電平和TTL電平的相互轉換。

在協調器節點中，由于CC2430一直處于工作狀態，為了確保ZigBee網絡運行正常，所以其最好有持續電源供電，本系統設計利用外接直流電源持續為其供電。協調器的硬件結構圖見圖2。

3.2 軟件設計

協調器節點上電后，首先進行初始化組建ZigBee網絡，然后從終端傳感器節點接收數據，并通過串口將數據上傳給報警主機處理。協調器節點的軟件流程圖見圖3。

圖2 協調器的硬件結構圖

圖3 協調器節點軟件流程圖

4 系統測試

為了測試系統性能，我們以測試駕駛員是否酒駕為例進行功能驗證。根據國家道路交通安全法規定：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，分別利用本系統和警用酒精檢測儀兩種方式進行酒精濃度對比測試。選取10個人進行測試，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行酒精檢測各1次。根據上述測試方式，得到系統檢測酒駕的成功率見圖4。

通過以上測試可知，基于物聯網的校車安全報警系統性能穩定，可靠性較高，達到了保障校車安全運行的需求。

5 結 語

利用CC2430芯片、ZigBee無線傳感網絡及GPRS無線通信技術設計了基于物聯網的校車安全報警系統。該系統能實時監測校車的運行狀態、駕駛員的駕駛狀態、學生的乘車狀態，如果監測參數的實時數據超過了預先設置的閾值范圍，系統則及時采取相應控制措施，并進行聲光報警、屏幕顯示報警信息、發送短信報警等。該系統具備成本低、安裝維護方便、容易擴展、靈活性強等優點，滿足了校車安全運行的監控需求，具有良好的市場應用和推廣價值。

圖4 系統測試結果圖

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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

國家自然科學基金(61202440)；常熟市科技局科技支撐計劃(社會發展部分)項目(cs201413)；江蘇省大學生創新項目(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網技術、計算機應用。

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

TP 393

A

1006-7167(2017)01-0280-03