校車乘車人員安全輔助系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

高瀟宇 何松庭 劉天成 吳凡 劉朋 楊巍

（天津理工大學(xué)中環(huán)信息學(xué)院 天津 300380）

1 系統(tǒng)選題背景

近年來，隨著教育資源格局的優(yōu)化，校車成為學(xué)生上下學(xué)重要的交通工具，校車被大量使用的同時，安全問題也處于相對高發(fā)的態(tài)勢。此類問題已長時間成為社會關(guān)注的熱點，牽動著社會多方面的神經(jīng)。

校車安全事故頻發(fā)的原因，一是對校車自身狀態(tài)、運行軌跡等缺乏有效的監(jiān)管，導(dǎo)致超員超載、隨意變更行車路線情況頻繁發(fā)生；二是缺乏有效的技術(shù)手段對校車車內(nèi)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)管，導(dǎo)致學(xué)生被遺忘在車內(nèi)的事件時有發(fā)生。現(xiàn)有的校車安全解決方案中能夠?qū)崿F(xiàn)車輛行駛路線的追蹤和車內(nèi)情況的實時監(jiān)控功能，但是多種功能間缺乏聯(lián)動機(jī)制，且缺乏統(tǒng)一的數(shù)據(jù)呈現(xiàn)和有效反饋，如車內(nèi)人員情況發(fā)生變化時，系統(tǒng)缺乏實時動態(tài)的反饋機(jī)制。理想狀態(tài)下的校車乘車人員安全輔助系統(tǒng)應(yīng)實現(xiàn)對校車的全面跟蹤、監(jiān)控、預(yù)警和提醒，為家長、學(xué)校乃至各級各類主管部門提供一體化、多渠道、全方位的數(shù)字化服務(wù)。軟硬件的系統(tǒng)集成、聯(lián)合開發(fā)、聯(lián)試聯(lián)調(diào)已成為校車乘車人員安全輔助系統(tǒng)開發(fā)的主流趨勢[1]。

2 系統(tǒng)實現(xiàn)采用的關(guān)鍵技術(shù)

（1）RFID的應(yīng)用。RFID技術(shù)是一種無線通信技術(shù)，在無需建立機(jī)械或者光學(xué)接觸的前提下，可通過無線電信號識別特定目標(biāo)，并讀取相關(guān)數(shù)據(jù)。系統(tǒng)應(yīng)用RFID讀寫器對標(biāo)記有乘車人信息的標(biāo)簽進(jìn)行識別。

（2）人臉識別的應(yīng)用。人臉識別技術(shù)是一種基于人的面部特征信息進(jìn)行身份識別的一種生物識別技術(shù)，用攝像頭采集人臉的圖像，并在圖像中檢測跟蹤人臉。在系統(tǒng)應(yīng)用中作為RFID標(biāo)簽識別的有益補(bǔ)充。

（3）GPS定位的應(yīng)用。GPS定位技術(shù)是一種以衛(wèi)星為基礎(chǔ)的無線電導(dǎo)航定位系統(tǒng)，在系統(tǒng)應(yīng)用中用于追蹤校車的地理位置、車行速度等信息。

（4）移動4G的應(yīng)用。4G移動通信技術(shù)可以在多個不同的網(wǎng)路系統(tǒng)、平臺與無線通信介面之間找到快速與效率的通信路徑，以進(jìn)行最即時的傳輸、接收與定位等動作。在系統(tǒng)應(yīng)用中與GPS相結(jié)合，進(jìn)一步提升系統(tǒng)定位的可靠性和準(zhǔn)確性。

（5）車載工控機(jī)系統(tǒng)集成。車載工控機(jī)配有觸摸屏、Intel J1900 CPU、4GB運行內(nèi)存，128GB儲存硬盤以及支持多種接口的主板，操作系統(tǒng)為Windows 7。

（6）軟件開發(fā)技術(shù)的應(yīng)用。以Android SDK為軟件開發(fā)工具包，以Java和PHP為主要開發(fā)語言，進(jìn)行APP軟件的開發(fā)；以QT為編程框架，以C++為主要編程語言編寫車載工控機(jī)與RFID讀寫器的接口程序；以Spring boot技術(shù)開發(fā)系統(tǒng)軟件接口，處理工控機(jī)上傳的高并發(fā)數(shù)據(jù)[2]。

3 系統(tǒng)解決的主要問題

通過與其他系統(tǒng)的對比，確定學(xué)生家長、學(xué)校教師、校車司機(jī)為系統(tǒng)用戶，以學(xué)生乘坐校車行為活動的安全保障體系為研究對象，開展需求分析。

（1）學(xué)生家長需要了解：孩子上下車的具體時間和地點；孩子在上下學(xué)過程中具體乘坐了哪輛校車等信息；遇突發(fā)情況不能搭乘校車，及時向?qū)W校教師進(jìn)行請假。

（2）學(xué)校教師需要了解：自己班上的哪位學(xué)生乘坐了哪部校車；學(xué)生具體上下車的時間和地點；是否有學(xué)生請假。

（3）校車司機(jī)需要了解：上下學(xué)途中需要接送的學(xué)生信息，如接送地點、應(yīng)接送人數(shù)、實際接送人數(shù)、學(xué)生姓名、學(xué)生家長以及學(xué)校教師的聯(lián)系方式；車內(nèi)人員的實時情況；給學(xué)生家長、學(xué)校教師一鍵撥號功能；校車故障一鍵報修功能。

（4）學(xué)生家長、學(xué)校教師、校車司機(jī)三端實時數(shù)據(jù)的一致性[3]。

系統(tǒng)軟硬件模塊如圖1所示。系統(tǒng)軟硬件各模塊間數(shù)據(jù)流程圖，如圖2所示。

4 軟硬件系統(tǒng)實現(xiàn)的難點

（1）如何精確感知乘車人員的狀態(tài)

問題描述：RFID讀寫器能感知標(biāo)簽的存在,但是當(dāng)標(biāo)簽離開RFID讀寫器感知范圍時，它并不能提供該標(biāo)簽離開的時刻，因此需要設(shè)計一個算法，記錄標(biāo)簽離開時的大概時間。

解決方案：在數(shù)據(jù)庫中分別設(shè)置time字段（用于記錄上下車時間）以及statu字段（用于表示上下車狀態(tài)）。當(dāng)statu字段為1時表示上車狀態(tài)，硬件控制模塊周期性對記錄時間進(jìn)行更新，并且用當(dāng)前系統(tǒng)時間減去最近一次硬件模塊記錄的時間，看該時間差是否大于預(yù)設(shè)的閥值（設(shè)置閥值的目的是為了避免出現(xiàn)標(biāo)簽攜帶者只是臨時下車的情況），超過閥值，表明該標(biāo)簽已經(jīng)離開讀寫器檢測范圍，即已下車[4]。

（2）不同進(jìn)程對同一記錄進(jìn)行操作時的并發(fā)處理問題

問題描述：對數(shù)據(jù)庫中同一個記錄的不同字段進(jìn)行操作時，可能會出現(xiàn)并發(fā)問題，進(jìn)而影響數(shù)據(jù)的一致性。

解決方案：MYSQL自帶并發(fā)鎖，可以保證數(shù)據(jù)操作的一致性。

（3）RFID讀寫器掃描間隔的確定

問題描述：RFID掃描間隔會影響RFID標(biāo)簽的讀取數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。如設(shè)置太快，不但影響工控機(jī)的性能，而且可能導(dǎo)致同一個標(biāo)簽被讀取多次，進(jìn)而影響程序執(zhí)行的準(zhǔn)確性；如設(shè)置太慢，當(dāng)攜帶該標(biāo)簽的乘車人離開感應(yīng)范圍時，實時性就會變差，甚至可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)遺漏的情況發(fā)生。

解決方案：在系統(tǒng)調(diào)試的過程中，通過多次嘗試的方法，確定合理的掃描時間間隔。

（4）如何確保GPS實時信息不會丟失

問題描述：GPS的位置信息是實時傳輸?shù)模谶M(jìn)入信號較弱地段時會出現(xiàn)校車定位丟失現(xiàn)象。

解決方案：通過編程的方法預(yù)置GPS存儲類、處理類和轉(zhuǎn)發(fā)類，在信號不好時調(diào)用上述類，并將GPS所采集到的實時數(shù)據(jù)寫入存儲類在車載工控機(jī)所創(chuàng)建的文本中，待信號恢復(fù)后將校車所行駛過得路線發(fā)送至服務(wù)器[5]。

5 系統(tǒng)功能模塊測試

針對系統(tǒng)的主要功能模塊開展測試，具體測試用例參見表1。

表1 測試用例