基于云平臺的車聯網安全傳輸系統設計

摘 要：為了在家長因疏忽把兒童遺忘在車內時實現遠程傳輸安全報警信息并實時監控汽車內部環境，設計了一種基于云平臺的車聯網安全傳輸系統。系統采用STM32單片機作為核心控制器，實現環境參數檢測及遠程數據傳輸和安全報警。當紅外模塊檢測到車廂存在兒童，且車內環境可能會威脅兒童正常生命活動時，系統通過蜂鳴器發出蜂鳴，并采用ATK-SIM800C通信模塊發短信通知車主，同時把車內數據遠程傳輸到Android客戶端，實時監控數據變化。系統的長時間運行結果表明：該系統運行穩定可靠，能夠實現遠程傳輸安全報警信息和遠程監控車內環境參數的功能。

關鍵詞：云平臺；車聯網；環境參數檢測；遠程傳輸；ATK-SIM800C；Android客戶端

中圖分類號：TP27；TN92 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2024）11-00-04

0 引 言

汽車在給人們帶來便捷的同時，也存在著一些安全隱患。例如，因家長的疏忽把缺乏自主能力的兒童遺忘在車內，在生命受到威脅時，兒童無法獨自解除危險[1]。因此車聯網安全信息傳輸系統的設計尤其必要。

雖然國內對車聯網安全信息傳輸系統的研究很多。但在監控數據多樣性、實時性方面仍有不足[2-4]。本文設計的車聯網安全傳輸系統結合了阿里云技術、4G移動通信技術[5-6]，可檢測車廂溫度、CO體積分數、CO2體積分數及是否有兒童存在[4]，并實時遠程傳輸安全信息至云平臺，同時發送至手機客戶端實時顯示當前車廂的環境數據。該系統主要分為監測系統、安全信息遠程傳輸系統2部分，解決了汽車護童系統檢測的車廂環境數據單一、響應不及時以及無法實時遠程監控的問題。

1 系統總體方案

車聯網安全傳輸系統結構如圖1所示，系統由感知層、網絡層和應用層構成。感知層即為車載終端，由環境參數檢測模塊、GPS模塊等組成；網絡層通過4G移動網絡、Internet網絡進行安全數據遠程傳輸；應用層由監控中心、數據庫、Web服務器組成，部署于OneNET云服務器[5-6]。車主即為管理員，可以通過移動智能終端設備對車輛進行遠程監控。

2 車載終端

2.1 硬件設計

本系統以STM32F103系列單片機為控制核心，系統終端結構如圖2所示，分別通過CO檢測模塊、CO2檢測模塊、溫度檢測模塊檢測車廂的CO體積分數、CO2體積分數、溫度，液晶顯示模塊實時顯示車廂環境的最新數據[7-8]。當數據達到設定值時，兒童檢測模塊檢測車廂內是否有兒童存在，當車廂內存在兒童時，蜂鳴器工作，GSM通信模塊通過打電話、語音通信及將數據實時遠程傳輸到手機客戶端進行報警。GSM通信模塊采用ATK-SIM800C，其外圍電路主要包括電源電路、串口通信電路、SIM卡接口電路與GSM天線接口電路等多個子電路，如圖3所示。

2.2 程序設計

本系統的軟件設計包括數據采集、數據遠程傳輸2大部分。數據采集實現對車廂內存在的威脅兒童生命活動的數據進行采集；數據遠程傳輸實現在車廂數據采集完成后，將數據傳送到手機客戶端實時顯示。

2.2.1 主控程序設計

圖4為STM32主控程序設計流程，功能為匯總分析車廂內各模塊獲取的數據。存在危險數據時，以蜂鳴器蜂鳴、發短信及語音通話形式報警；同時，在獲取車廂完整的環境數據后，以TCP/IP協議的方式，將數據上傳至云平臺。

2.2.2 遠程通信程序設計

本系統設計中ATK-SIM800C GSM模塊主要實現的功能為語音通話、發短信及數據遠傳。GSM通過串行口方式通信，在通信前需要綁定用戶號碼才能實現語音通話與發短信功能。為實現數據實時遠傳，還需綁定指定服務器的IP。

GMS模塊的工作方式分為報警和數據遠傳2部分。如圖5所示，GSM模塊初始化后進入等待狀態；當車廂數據達到設定值時，單片機將數據打包并以短信形式通過GSM模塊發送給用戶進行警示；同時定時計數器開始計數，當定時器計數達到一定值時，改發短信警示為語音通話報警。當車廂內所有模塊完成一次數據采集后，單片機會通過GSM模塊將數據打包發給指定的服務器，安卓客戶端通過訂閱主題監聽主題內數據，進而獲取車廂內最新數據。

3 OneNET云端物聯網平臺

OneNET云平臺擁有強大的云計算、數據存儲和轉發的能力，可以在云平臺直接設計實現上位機軟件的監控界面，為開發人員提供了極大的便利。這是目前國內其他的物聯網云計算平臺所沒有的優勢[9-10]。

3.1 數據監控界面設計

當SIM800C GSM模塊通過TCP/IP協議與云平臺連接成功后，根據各模塊數據對應的云平臺設備號，將數據上傳到云平臺。OneNET云平臺接收到數據后，在設備應用管理界面通過OneNET應用編輯器實現OneNET中設備數據的可視化。

在監控界面設計區，通過儀表盤顯示溫度、CO體積分數、CO2體積分數的數據流，以折線圖的方式顯示車廂內是否存在兒童。各模塊的測量范圍不同，可通過屬性與樣式調節表盤與折線圖的數值范圍和數據格式。車聯網安全傳輸系統的UI監控界面設計如圖6所示。

3.2 安卓客戶端設計

APP Inventor軟件支持使用圖形化編程語言來開發Android應用程序，并含有多功能的手機仿真模塊。開發Android應用程序需要2個主要模塊：APP Inventor Designer編程模塊、APP Inventor Blocks Editor編程邏輯模塊。利用APP Inventor設計的車聯網安全信息傳輸系統客戶端如圖7所示。

4 測 試

4.1 車載終端數據采集測試

設計制作的車載終端如圖8所示。將車載終端放在封閉的車廂里，打開系統的電源，當氣體數據穩定后，開始進行數據記錄。共記錄了16組有效數據，見表1。取前10組數據的算數平均值作為標準值，見表2。將后6組數據與標準值進行比較。

設計過程中需要注意的是：國家標準規定CO體積分數的測量誤差不應大于真實值的5%，CO2體積分數的測量誤差為±0.1%。

4.2 安卓客戶端與OneNET云平臺數據測試

本系統中APP獲取車廂數據是通過訂閱云平臺下對應設備的ID實現的，即當車廂內數據上傳平臺后，APP訂閱的各數據流也會隨之改變。為方便測試APP訂閱的數據流是否與云平臺數據實時同步，在云平臺上搭建各種數據對應的應用，如圖9所示，這些應用會在每次車廂數據上傳到云平臺時對其進行顯示。

5 結 語

本文設計的車聯網安全傳輸系統，能夠有效避免兒童獨處于車內時發生窒息、CO中毒等事故。系統不僅能夠實現蜂鳴器、短信和語音通話報警，還能通過安卓客戶端APP對車廂數據進行遠程實時監控，方便用戶實時查看車廂情況，也能檢測系統是否正常工作。通過將APP數據與實際數據對比，檢測所有模塊是否都處于正常工作狀態。該系統監測范圍廣、精度高、使用壽命長、安裝及使用便捷，使用價格便宜、功能擴展性較好的傳感器，能較好地彌補現有車聯網安全信息傳輸系統的不足。

參考文獻

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[3]周文海，李光輝，楊琳.滯留車內兒童報警裝置控制系統設計[J].柳州職業技術學院學報，2015，15（2）：72-74.

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[8]張郭健.車載終端安全監控系統的設計與研究[D].成都：電子科技大學，2022.

[9]邢恩輝.基于互聯網和智能終端的車聯網服務平臺研發[D]. 煙臺：煙臺大學，2021.

[10]劉彤彤.基于嵌入式Linux的車載智能終端的軟件設計與開發[D].西安：長安大學，2020.

作者簡介：王晴晴（1986—），女，江蘇徐州人，碩士，副教授，主要研究方向為車聯網、無線通信。

收稿日期：2023-11-13 修回日期：2023-12-15

基金項目：2020年度貴州省科學技術基金基礎研究項目（黔科合基礎【2020】1Y258）；貴州省教育廳自然科學研究項目（黔教技〔2022〕029號）；貴州省教育廳自然科學研究項目（黔教合KY字[2021]022）；貴州省省級重點學科“計算機科學與技術”（ZDXK[2018]007號）