一種基于物聯網技術的車輛內部環境監測報警系統設計

劉遠仲，張海波，楊 嘉，唐天國，譚鶴毅，張 強

（1.南充電子信息產業技術研究院，四川南充637000；2.南充職業技術學院電子信息工程系，四川南充637000）

我國汽車行業已經進入了一個快速發展時期，據相關數據統計，全國汽車保有量已達2.5 億輛，因此，在一個如此巨大的車輛使用規模中如何保證車輛駕駛人員和乘坐人員在車內的安全顯得越來越重要.生活中因種種原因滯留在車內的人員由于車內環境的變化而引發的安全問題也越來越多，特別是夏天小孩或老人滯留在車內時，由于駕駛人員大意關閉了車窗，使得車內環境溫度升高、氧氣不足以及濕度上升，處于這種環境較長時間將可能造成缺氧、受熱、脫水等嚴重的生理問題，一些身體抵抗力弱、行動不便和有認知障礙的人員更容易引發生命安全問題[1].因此，建立一個監測車內環境安全的系統具有重要的生命安全工程意義.

二十世紀九十年代，車輛內部環境的安全問題就已受到一些車輛制造商的重視，并開始在一些中高端車型安裝車內環境安全檢測報警系統.2003年，凱迪拉克公司在生產的轎車內安裝了移動物體檢測器，當車輛停車關閉車窗后，系統如果發現有可移動物體滯留車內時便會通過車身閃燈和發聲系統發聲提示，但這種報警系統存在報警形式單一的局限，當有人注意到報警存在危險時，很可能無法及時聯系到車主進行援救.有報道[2]提及給車輛加裝主動施救系統，在車輛出現安全問題時系統會發出指令讓控制系統動作，例如檢測到車內環境溫度過高則打開車內空調通風或打開天窗散熱，緊急危險情況時觸發車窗升降系統降下車窗施救.但這類方法還是存在不足，因為車輛工作是很多系統的配合，施救系統工作時需與其他控制系統相連接，其連接的許多控制系統都是來源于車輛本身，需要對車輛的電路控制系統進行改裝，如果改裝操作不當，一會影響其它控制系統的正常工作，二會給車輛安全行駛帶來隱患.另外，當檢測系統錯誤地檢測到危險而打開車窗可能使車內物品丟失、財物被盜，若有小孩在車內導致小孩被抱走，后果就更加嚴重，所以這種施救系統也難以得到廣泛應用.

車載物聯網多層次車輛內部環境監測報警系統不但可以檢測車輛內部環境，也可以檢測車輛外部環境，既克服了車輛報警形式單一問題，也解決了汽車改裝帶來更大的危險問題，在下一代汽車監測報警領域有強大的生命力.因此，本文開展了基于車載物聯網的多層次車輛內部環境監測報警系統設計，并聯機測試，驗證設計的實際使用效果.

1 系統總體架構與設計原理

1.1 系統總體框架

系統設計框架采用的模塊主要由四部分組成，分別為車載傳感模塊、移動OneNET 云平臺、互聯網網絡服務器（WebServer）、控制終端（移動終端）.設計框架如圖1所示.

車載傳感模塊是實現車載物聯網中的基礎模塊，有三項功能：一是提供各類傳感器的采集數據，主要檢測車輛內部環境的溫度、濕度、含氧量等車內環境指標；二是提供GPS 車輛定位和車內環境監控攝像，方便監控車內危險情況并快速找到危險車輛；三是作為數據與信號的傳輸源，提供各類數據的無線發射與傳輸，當危險產生時發出報警信號.OneNET 云平臺模塊提供無線數據的存儲與中轉，是各類數據有效送達的重要紐帶，一方面通過API接口將數據送到WebServer 進行存儲，另一方面通過無線網絡實現與移動控制終端進行無線通信數據交互.WebServer 服務器模塊是數據存儲的重要配置，同時為報警裝置提供個性化報警數據服務.移動控制終端是監測報警系統獲取危險信息后信號傳輸的最終控制設備，一方面與OneNET 云平臺通信，另一方面通過與WebServer 服務器模塊嵌入個性化應用，提供多種監控方式，例如可通過平板或手機進行車輛內部環境監控等.

圖1 車輛內部環境監測設計示意圖

1.2 系統多層次（AHP）設計原理

有很多評價方法可評判一個系統設計的好壞，本文使用AHP 層次分析法對系統進行建模和評判，為了使系統的設計最優，需對各項指標進行綜合考慮.

設系統選取的最優方案用G 表示，評價指標為Si，系統擴展能力為S1，價格指標為S2，系統對數據的管理能力為S3；設選取的備用方案用Pi表示，那么設傳統車輛的報警裝置方案性能為P1，包含了傳統報警后裝置并使用第三方網絡平臺的為P2，含有傳統報警裝置又具有自主搭建報警平臺能力的為P3.根據Saaty 等人提出一致矩陣法，不把所有因素放在一起比較，而是兩兩相互比較并按其重要性程度評定等級，同等重要量化值為1，稍微重要量化值為2，較強重要量化值為5，強烈重要量化值為7，極端重要為9，兩相鄰判斷的中間值為2、4、6、8.設計時由于需更多考慮系統的可擴展能力，對數據儲存可不作過多關注，故將評判矩陣設為A，表示為：

利用AHP 層次分析原理對（1）式矩陣的列進行歸一化，并對行進行均值處理，可得權向量w：w=( 0.63 0.26 0.11)T，將A 與w 相 乘 可 得Aw=(1.96 0.8 0.32)T，又根據矩陣最大特征值計算方法可求得（1）式最大特征值為：

為了使系統各層次指標保持一致，減少計算量，暫將評判指標設為3 個，根據矩陣一致性指標( )

CI的計算方法可得：

由AHP 層次分析法的一致性比率計算原理，設計系統各層次一致度滿足可變設計范圍，即CR=則構建出的三個監測層次的評判矩陣可用Ai( i=1,2,3 )表示：

同理，根據AHP 層次分析計算原理可計算出以上三個矩陣的權值矩陣為：

則總的評判層次權矩陣為：W =wthree×w=(0.22 0.42 0.36)T，通過對總的權值矩陣觀察可看出方案2 的權值最大，由此可知以上3 個方案中，P2方案即使用“傳統報警裝置后＋第三方平臺”方案最佳，第3 個方案即“傳統報警＋自搭建報警平臺”次之，第1個方案即“傳統報警平臺”最差.

考慮到實用性、有效性和可擴展性，將得到的最優方案2組建的多層次報警結構如圖2所示.

圖2 車輛內部環境監測多層次檢測報警設計結構圖

組建時將第一層次結構設為普通層，當車輛內部環境發生危險情況時，通過危險報警燈閃爍或LCD 顯示模塊或蜂鳴器提示車輛人；第二層次為利用了第三方監測平臺層（OneNET 云平臺），使用API 接口，當發生危險后進一步通過個性化的應用或數據管理等方式提供檢測報警服務，即使用戶量加也因有數據庫存在可方便地進行系統擴展；第三層次為移動終端監測查詢層，車輛有了危險一方面現場報警，另一方面通過移動無線通信網絡將數據傳遞到車主的移動端顯示車輛情況，本文使用App、嵌入式等開發方式實現報警提醒.通過對車輛內部環境進行三層次報警設計，滿足了AHP 多層次報警設計需求.

2 系統硬件模塊

由于系統既包含了傳統報警裝置，又要利用第三方協助報警，所以在硬件方面考慮的主要硬件模塊有：

（1）硬件開發芯片：Arduino Uno R3.

（2）車輛硬件傳感器件：溫濕度采集DHT11；氣體檢測Grove?Gas Sensor (O2)；人體監測HCSR501；傳感器擴展板功能拓展Base Shield V2 Grove.

（3）車輛環境監測顯示、數據通信模塊：LCD1602、PCF8574IIC/I2C 數據傳輸模塊、LED、SIM900A卡等.

3 系統軟件設計

3.1 車載程序初始化設計

程序上電后首先對各種傳感器與數據采集系統進行初始化設置，需要初始化的車載裝置有：

①主控開發芯片Arduino I/O 口設置，為數據通信做好準備；

②熱釋電紅外傳感器HC-SR501 設置，監測車內人員情況，如果有人的情況下用高電平“1”指示；

③車輛內環境的溫度采集、濕度采集、氣體濃度采集等設置，監測車內環境是否滿足安全閾值設置需要，如果超出閾值則通過聲光方式報警；

④顯示模塊LCD1602 與數據通信（GPRS）設置，通過LCD 顯示車輛狀態，采用GPRS 通信時需對一些通信協議棧和通信參數約定，保證數據傳輸通暢，功能穩定可靠施行.

3.2 功能平臺控制和數據上傳通信設計

系統數據初始化完畢后，需要建立車在裝置與云平臺間的數據通信[12]，根據功能平臺使用的Rest?Ful API接口方式，選擇http的POST 通信方式；又由于平臺使用嵌入式App 終端監控方式，根據JavaS?cript語法子集的開放標準數據交換格式，選用JSON建立溫度監測、濕度監測、含氧量監測等車輛內部環境參數監測通信協議格式.在構建子函數調用時，將數據格式統一采用JSON 格式完成數據上下傳輸，格式標準為：

其中：data_name 表示監測參數的名字（例如是某個溫濕度傳感器在采集數據某個氣體傳感器采集數據等），data_value表示傳感器具體得到的實測值.

然后編寫POST 報文向指定的資源提交需被處理的數據，實現發送主體數據上傳，重點部分代碼如下：

構建好JSON 數據通信格式并完成POST 報文后，移動終端與PC機之間進行通信連接，即是將AT指令中的CIPSTART、CIPSEND、CIPCLOSE 與主體裝置的控制指令共同向上位機傳遞子函數.通過對系統的調試與指令編譯，完成GPRS 無線通信網絡建立、與功能平臺控制和數據上傳通信的設計.

3.3 應用層平臺軟件設計

3.3.1 應用層平臺數據通信

在應用層通信方面，由于使用移動端從車輛獲取各種傳感器數據，為了實現移動端對車輛的各裝置進行監測和數據查詢，建立網絡通信協議對功能控制平臺上傳的數據信息進行獲取.前面的功能平臺使用的是http 的POST 通信，這里使用http 的GET 通信格式，以便獲取JSON 數據格式中的各種參數，根據ASP.NET 編程理論，組建URL 請求指令代碼，以完成平臺間網絡通信.代碼格式如下：

數據傳輸時，為了獲取車輛內部環境各傳感參數，調用了Togetvalue 的子函數.在輸出代碼output中，變量來自JSON 上傳到服務器的數據返回值，由于返回值存在一些冗余和無用信息，將JSON 格式的對象定義成dat?ablock.分析數據可發現，在第一層的通信數據“data”代碼里包含了所需的參數流信息，但具體需要獲取的值在“data”層中數據內層中，即第二層“current_value”中，這樣通過對數據的層層解析調用，即可得到車輛內部環境具體傳感器的參數值如溫度、濕度和含氧量等參數.通過對子函數的代碼完善編寫，當使用App 監測各參數時就可直接調用各個子線程的Togetvalue 函數并及時更新移動端收集到的數據，完成應用端的數據參數獲取功能.

3.3.2 App應用控制端框架設計

設計App 控制界面時，采用人們易于接受并常使用的傳統聊天軟件布局形式，即底部為導航窗格，上部為對應的顯示控制信息.導航窗格主要菜單由“數據參數”“詳情展示”“個人相關”組成，“數據參數”方便車主查詢車輛內的溫度、濕度、含氧量等相關參數信息，“詳情展示”為對應傳感器數據顯示詳情，采用二維圖形界面顯示方式實時提供數據監測，“個人相關”提供了一些與自己相關信息和自己的個習慣偏好記錄.

底部導航窗格菜單用Fragment 函數完成，在編寫App 主控界面布局時，上層代碼分別使用Frame?Layout 和LinearLayout 函數組建菜單布局，在Linear?Layout 下層使用了三個RelativeLayout 構建相關組件，再在RelativeLayout 下層函數里繼續布置一個LinearLayout，在里面嵌入ImageView 和TextView 函數完成數據的細化顯示.

三個主菜單的Fragment 函數文件的編寫，根據導航窗格各個菜單的相關功能需要，在數據參數菜單Fragment 函數加上LinearLayout，里層安排對應的TextView 函數展示獲取到的相關溫度、濕度、含氧量等傳感器數據，為了可以實時監測數據信息，再安排一個Button 函數及時更新數據.在詳情展示功能菜單編寫Fragment 函數時需使用前面的Webview功能，下層同樣采用LinearLayout，并在LinearLayout的下層嵌入WebView和Button控件.

App 的Java 類的編寫，首先是Fragment 的實現類，該類主要包含了數據菜單和詳情菜單的數據信息以及Webview 圖表查看功能，程序代碼實現流程如圖3所示.

圖3 App框架布局實現代碼實現流程

實現思想為：首先使用Fragment 繼承Fragment重寫onCreateView()，接著使用View view = inflater.Inflate(R.layout.fg3, container, false)；加載fg3（這里的fg3為相關欄布局函數）.

完成重要子函數的代碼設計后，則是編寫MainActivity 主控代碼對整個系統的功能組建，編譯、調試程序后進行系統監控功能運行測試.系統運行調試步驟可概述為：點擊導航窗格的功能菜單，則對應顯示相關數據信息，當需要查看數據詳情時則點擊相應的詳情顯示菜單顯示對應的圖片與文字，系統可以對當前狀態和前一步狀態進行相應的重置，圖片與文字也可以進行相應轉換，當系統無差錯運行成功時則完成整個測試功能.

4 系統檢測試驗

為了檢測系統的可靠性與穩定性，需要對系統各功能模塊進行實際測試.首先進行系統網絡測試，當連網成功后，如果熱釋電紅外檢測到車輛有人或移動物體的存在，隨即展開各項傳感參數的測定，通過溫度傳感器監測車輛內的溫度，濕度傳感器檢測車輛內的濕度，氣體傳感器檢測車輛內的含氧量等，系統程序每執行一次便發送一次數據到Web?Server，以供App 進行數據值回看復查，如果某項指標超過或低于設定參數的閾值，一方面通過LCD 顯示模塊報告當前車輛的顯示數據值，另一方面通過車輛聲光報警系統及時通知車主或車輛周圍人員施救.

車載平臺控制層收到數據后，當需要對返回的結果顯示時，便通過系統設定顯示方式進行參數顯示，顯示結果如圖4所示.

圖4 車載平臺顯示數據

由此可見，只要之前根據需要安裝了相應傳感器，便可通過對應的圖表顯示相應數據，如圖例顯示了車內當前溫度為17 ℃、氧濃度為21.37%等，方便人們直觀地看到監測結果，判斷車輛內是否有不安全的危險因素存在.

檢測的數據還可通過無線通信方式經OneNET云平臺提供數據到移動端App 進行遠程監測，查詢數據顯示結果如圖5 所示.圖中主要觀察了車輛的溫度、濕度和含氧濃度，如果有指標超出了設定范圍，就可及時判斷車輛所處的不利環境，以進行危險消除.

圖5 App監測數據

5 結語

本文設計的車輛監測系統平臺融入了當前比較盛行的物聯網技術，結合車載裝置、第三方OneNET云平和移動端App建立了多層次的車輛內部環境監測報警系統，通過對車輛內部環境的監測監測，能夠最大限度地提供車輛內在有人員的情況下各項數據的準確檢測，使檢測的的數據更全面，克服了傳統車載報警的一些不足，保證了人員在車輛內停留的安全.同時，該平臺還兼具擴展功能，可根據需要隨時增添監測參數，并通過WebServer 服務器專門管理數據，提供一些更加具有針對性的個性化服務.