物聯網技術在車輛內環境監測報警系統中的應用

陳啟鋒， 崔清雅

（張家口煤礦機械制造高級技工學校， 河北 張家口 075000）

引言

車內環境是與普通民眾相接觸的最親密環境，由于車內環境變化而帶來的安全隱患問題越來越多，包括氧氣不足、溫度升高、濕度升高，都會對身體素質較差的人群產生影響。因而構建車輛內環境的安全監測系統，由多種傳感器硬件進行數據搜集、傳輸，可以實現車輛內環境的及時監測、報警與功能拓展。

1 目前汽車車輛內部環境存在的安全問題

車輛內部環境的安全問題由來已久，20世紀90年代，國外部分中高端車輛制造商，就已經開始重視車內環境安全問題的檢測、報警，并嘗試設計、安裝檢測報警硬件。當前大多數品牌汽車內部，都安裝有針對移動物體的安全檢測器、報警器。當車輛停車、車窗或車門關閉后，系統會自動監測車內存在的可移動物體，然后通過發聲系統提示、車身閃燈等方式，提醒車主對車內的安全隱患、危險狀況進行處理。但這一報警系統仍舊存在著不足之處，也就是一旦車主離開汽車的距離較遠，則無法接收到車輛報警系統傳達的信號，也就難以根據指令作出后續的系統控制動作。所以在車輛報警、施救系統發展形勢下，引入多層次的車載物聯網內部環境監測系統，可以通過GPRS/5G 無線通信網絡，對車輛內部、外部環境作出全面監測，由車載終端經過CAN 總線，實時獲取到整車的內部控制數據。但也需要注意，應在車輛環境監測、報警系統建設過程中，加強多元物聯網設備之間的聯動控制，并聯機進行監測結果的測試、驗證，以保證最終車輛監測報警系統達到預期的效果。

2 物聯網技術的基本組成內容

物聯網構架主要包括RFID 射頻識別、傳感器和智能信息處理系統等應用架構，不同網絡模塊分別負責不同數據信息的處理。

1）RFID 射頻識別技術。RFID 無線射頻啟動識別，可以根據各種移動、非移動物體的特性，通過相關請求口令，進行多種數據信息的智能識別，自動轉換成符合用戶需求的數據。但對于不同數據信息的計算、存儲和處理能力，存在著較大區別，只能經由WSN 網絡進行物聯網連接、數據傳輸，提高物聯網數據資源的應用效益[1-2]。

2）傳感器及傳感網絡應用。在物聯網傳感網絡中，包括溫度傳感器、濕度傳感器、光線傳感器等硬件，以及無線傳輸網絡、人體傳感網絡。為避免無線傳感器，對數據信息搜集的波動問題，需要在WSN 網絡支持下，建立自我調節的傳感網絡環境、傳感器工作方式，進行不同網絡節點的海量數據傳輸、儲存。

3 物聯網車輛內環境監測報警系統的總體架構設計

3.1 系統框架組成結構

車輛內環境監測報警系統包括車載傳感器模塊、移動OneNET 云平臺、WebServer 網絡服務器（WebServer）、移動控制終端等組成結構，其中不同模塊分別負責特定功能的實現，具體如下頁圖1 所示。

1）車載傳感模塊是物聯網環境監測的基礎模塊，負責使用溫度、濕度、含氧量等各類傳感器，對車輛內的數據信息進行采集。而且車輛內置有GPRS定位、環境監控攝像的傳感裝置，主要通過利用GPRS/5G 無線通信網絡，經由網絡節點進行數據的無線發射、傳輸，加強車內安全隱患、危險情況的監控與報警，幫助用戶迅速找到車輛的危險問題，并予以解決。

2）OneNET 云平臺為數據傳輸、存儲控制的模塊，可以通過API 接口，將監測到的海量數據信息，傳輸至送到WebServer 服務器。之后由WebServer 服務器模塊，對現有的無線網絡數據進行配置、存儲，也便于根據已經存在的數據安全風險，快速啟動報警裝置、提供個性化服務[3]。

最后，移動控制終端為監測報警系統的控制設備，依托OneNET 物聯網開放云平臺，接入多種智能化硬件設備。然后通過WebServer 服務器模塊，進行多種個性化功能服務的嵌入開發，提供在不同空間環境下的監控方式，如使用智能手機、平板電腦或PC 等，完成車輛內部環境的監控預警。

3.2 系統硬件設計

車輛內環境監測報警系統包括傳統報警裝置、協助報警裝置等響應設備，因此其所需的硬件模塊主要有：Arduino Uno 微控制器、R3 開發芯片；溫度傳感器AD590、濕度傳感器DHT11 和電荷藕合器CCD，以及氣體檢測裝置Grove-Gas Sensor（O2）、人體動態監測裝置HC-SR501；車輛環境監測顯示面板LCD1602、PCF8574IIC/I2C 數據通信模塊，以及GPRS 無線模塊SIM900A 卡等[4-5]。

3.3 系統軟件的初始化設計

物聯網車輛內環境監測報警系統中，有關軟件程序的初始化設置，通常分為數據采集軟件初始化、數據通信協議初始化、數據顯示模塊初始化等。在完成車輛內環境的溫度、濕度、氧氣濃度等數據采集后，要利用主控開發芯片Arduino Uno，對GPRS/5G無線通信網絡、I/O 接口作出初始化設置，包括通信協議棧、通信參數初始化，另外也要對LCD 1602 顯示模塊完成初始化設置。

隨后設置移動端控制App 界面，采取底部為導航窗格、上部為控制信息顯示的布局形式，進行傳統聊天軟件界面的設計，包括功能服務、詳情展示、數據參數等欄目組成的設置，方便車主或其他用戶，查詢車輛內溫度、濕度、含氧量等參數信息。

整個系統數據信息采集的過程中，主要由熱釋電紅外傳感器HC-SR501，監測車輛內可移動人員、其他物體的情況，若有人則使用高電平“1”表示。而其他傳感器負責溫度、濕度、氣體濃度的采集，監測車內環境要素是否超出安全閾值，若超出則以聲光方式進行報警，并在LCD 屏幕上顯示車輛狀態。

4 車輛內環境監測報警系統的數據通信、功能服務實現

4.1 系統云平臺、功能服務的數據通信連接設計

以上系統數據信息采集完畢后，需要構建OneNET云平臺、車載裝置之間的數據通信。在溫度、濕度、氣體濃度監測的功能需求下，使用http POST 通信方式、Rest-Ful AlI 接口，建立其溫度、濕度、含氧量等車輛內部環境參數監測的通信協議。統一采用JSON 數據格式、JavaS-cript 數據交換格式，進行多個數據子集的函數調用、通信傳輸，數據格式標準為：sprintf（blank，“{“datastreams”：[{“id”：“%s”，“datapoints”：[{“value”：%s}]}]}”，data_name，data_value）;其中：data_ name 為溫度、濕度傳感器數據采集的監測參數名稱；data value 為傳感器溫度、濕度、含氧量監測得到的實測值。然后編寫http POST 請求報文，向WebServer 網絡服務器提交需被處理數據，實現發送主體數據的上傳、返回響應。在以上JSON 數據通信格式、http POST 請求報文構建完成后，可以通過系統云平臺對相關指令的編譯、功能調試，完成經由GPRS/5G 無線通信網絡的數據傳輸、功能控制的通信連接。

4.2 車輛內環境監測報警系統的應用實現

本文在車輛內環境監測報警系統模型建構、功能實現過程中，主要使用AHP 層次分析法，綜合各項監測報警指標，進行系統最優方案的選取與設計。

假設車輛內環境監測報警方案，分別為傳統報警P1，傳統報警+自搭建平臺報警P2，傳統報警+第三方平臺報警P3。將多種溫度、濕度、含氧量數據指標進行整合，兩兩比較不同因素的重要量化值，其中同等重要量化值為1、稍微重要量化值為3、較強重要量化值為5、非常重要量化值為7，相鄰判斷的中間值為2，4，6。那么可將系統選取最優方案的評判矩陣設為A：

利用AHP 層次分析法，對評判矩陣A 的列進行歸一化處理、行進行均值處理，得到數據搜集、分析與存儲的權向量為w=（0.63 0.26 0.11）T。根據評判矩陣A 最大特征值的計算方法，可以得到其最大特征值為：

為使系統普通層、平臺層級移動層等的數據指標保持一致，主要根據溫度、濕度、含氧量的評判指標，計算得出矩陣一致性指標ACI：

根據一致性比率計算原理，對系統各層次數據指標的一致度滿足可變范圍進行設計，即一致性比率計算公式為ACR=ACI/ARI= 0.7＜0.1，則三個監測層次的數據指標評判矩陣為A1，A2，A3：

根據AHP 層次分析計算原理，計算得出以上三個矩陣的權值矩陣如下所示，則不同層次總的評判權值矩陣為W =wthree×w=（0.22 0.36 0.42）T。因此可以得出，以上3 個方案中“傳統報警+第三方平臺報警P3”，所具有的權值最大，且有效性、實用性和可擴展性更高。依據最優方案3 組建的多層次車輛內環境監測報警系統，具體結構如圖2 所示。

其中第一層為傳統報警結構的普通層，包括傳統報警系統、傳感器模塊、LED 顯示、蜂鳴報警等裝置，通過LCD 顯示、報警燈閃爍或蜂鳴器提示的方案，對車輛內部環境發生的危險情況，向用戶主體作出及時反饋。之后第二層為OneNET 監測云平臺，是利用API 接口、WebServer 服務器模塊，根據不同用戶的個性化需求，進行數據信息管理、監測報警服務等的提供。即使即使用戶數量、監測數據指標不斷增加，也可以通過數據庫WebServer 服務器模塊，進行系統功能服務的擴展。最后，第三層為移動控制終端設備層，包括車內環境監測、數據無線傳輸、嵌入式APP 等模塊。在車輛內部發生安全隱患、危險情況時，可以通過GPRS/5G 等移動無線通信網絡，將溫度、濕度、含氧量等車輛數據信息，傳輸至車主的移動端控制APP 界面，實時顯示車輛的情況，能夠滿足AHP 多層次監測報警的需求。

5 結語

隨著我國汽車行業、汽車保有量的快速發展，如何保證車輛駕駛、車輛乘坐的安全性，成為交通部門、公安部門關注的重要問題。因此，利用物聯網架構中的多種多樣的數據通信模塊，對于一系列繁雜信息進行分類、處理，建立多層次的車輛監測報警系統，完成移動端數據信息的監控、查詢和處理，可以解決物聯網智慧化系統通信、連接與傳輸的問題。