基于3G網(wǎng)絡(luò)的校車安全信息綜合系統(tǒng)

李 丹，孟 磊，羅 杰

(1.武漢理工大學(xué)自動化學(xué)院，湖北 武漢 430070;2.武漢理工大學(xué)信息工程學(xué)院，湖北 武漢 430070)

由于車輛質(zhì)量、超載、超速和缺乏有效監(jiān)管手段等原因造成的校車安全問題已成為社會廣泛關(guān)注的熱點。近日，國務(wù)院頒布了《校車安全管理條例》和《校車安全技術(shù)條件》國家標(biāo)準(zhǔn)，從校車的硬件配置、車體結(jié)構(gòu)與強(qiáng)度、電氣性能、駕駛?cè)撕头?wù)管理等角度提出了明確的要求，規(guī)定了校車應(yīng)按核定線路行駛，配備衛(wèi)星定位裝置，嚴(yán)禁超速超載，對校車的行駛安全管理提出了更高的要求。

車輛的主動、被動安全性能和駕駛員行為是影響校車安全的主要因素[1－2]。通過采集校車運行過程中的故障信息、信號裝置等安全附件系統(tǒng)的工作狀態(tài)、車速、載重、行駛里程、駕駛習(xí)慣[3－4]和地理位置等車輛安全信息，并輔助相應(yīng)的監(jiān)管手段，可以提高校車安全運營的水平。

筆者根據(jù)《校車安全管理條例》和《校車安全技術(shù)條件》研究校車行駛安全信息的采集、傳輸和管理問題，對運營校車的安全進(jìn)行監(jiān)控。

1 系統(tǒng)的組成與結(jié)構(gòu)

汽車行駛安全管理包括駕駛員對車輛運行參數(shù)的實時掌控及遠(yuǎn)程監(jiān)管人員對駕駛員駕駛行為的監(jiān)控。為了有效監(jiān)控校車工作狀態(tài)和駕駛行為，需要將校車安全參數(shù)信息及時安全可靠地傳送到監(jiān)控中心，利用服務(wù)器容量大、速度快的優(yōu)點管理區(qū)域內(nèi)的校車，保障行車安全。一種校車安全信息綜合系統(tǒng)總體框架示意圖如圖1所示，利用GPS實現(xiàn)校車位置定位，通過車載信息采集模塊實現(xiàn)校車行駛信息采集并通過3G網(wǎng)絡(luò)傳送到監(jiān)控室。

圖1 系統(tǒng)總體框架示意圖

2 車載信息采集模塊設(shè)計

2.1 車載信息采集模塊電路設(shè)計

系統(tǒng)以STM32處理器為核心，通過車載故障診斷總線讀取主被動安全系統(tǒng)的故障信息，采集車輛的位置、機(jī)艙溫度、車廂煙霧、車速、車內(nèi)圖像、載客人數(shù)、輪胎氣壓和停車信號裝置的通斷等校車安全信息，將這些信息實時存入大容量SD卡后通過LCD屏幕顯示，并利用3G模塊與遠(yuǎn)程安全信息管理系統(tǒng)通信，車載信息采集模塊結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。同時在設(shè)計和制作電路時要提高其穩(wěn)定性和抗干擾性，以應(yīng)對汽車高溫度、高振動、強(qiáng)電磁干擾、大電壓大電流沖擊等復(fù)雜的工作環(huán)境。

圖2 車載信息采集模塊結(jié)構(gòu)圖

2.2 故障信息檢測的實現(xiàn)

根據(jù)國家環(huán)保總局頒布的HJ 437－2008標(biāo)準(zhǔn)，客車需要配備車載診斷系統(tǒng)(OBD)，具有標(biāo)準(zhǔn)故障診斷接口[5]。車輛ECU通過車輛故障診斷總線與電控系統(tǒng)實現(xiàn)通信，并且根據(jù)各類傳感器的實時數(shù)據(jù)實現(xiàn)車輛的故障診斷。設(shè)計電平轉(zhuǎn)換電路實現(xiàn)K線、CAN線以及J1850總線電平到TTL電平的轉(zhuǎn)換，利用TL718協(xié)議轉(zhuǎn)換芯片與車輛故障診斷總線相連，將數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)解析成串口數(shù)據(jù)供控制器讀取 ABS、ASR、ESP、EPS、安全氣囊等安全系統(tǒng)和車輛的運行參數(shù)與故障信息。同時通過故障診斷接口讀取車輛唯一的VIN編號，作為系統(tǒng)中校車的身份認(rèn)證。

檢測信號燈與信號臂的開關(guān)信號、胎壓檢測模塊的報警信號、溫度和煙霧傳感器電路的輸出電壓，可以發(fā)現(xiàn)停車信號裝置的故障、輪胎氣壓不足和火災(zāi)的發(fā)生。

2.3 GPS模塊設(shè)計

GPS模塊在搜索到4顆以上衛(wèi)星的時候就可以通過算法計算出所在地的高度、緯度、經(jīng)度信息。選用遵循NMEA－0183協(xié)議的模塊，上電后會通過 USART串口向外循環(huán)發(fā)送 $GPGGA、$GPGSA、$GPGSV、$GPRMC、$GPVTG等格式的字符串信息，字符串以格式名稱開始?？紤]到只需要位置信息，選用最小數(shù)據(jù)格式$GPRMC完成數(shù)據(jù)的解析。

2.4 載客人數(shù)檢測模塊設(shè)計

對于客車載人數(shù)量的統(tǒng)計一直以來都沒有找到很好的解決辦法。采用電阻應(yīng)變式、電容式、光纖光柵等多種傳感器實現(xiàn)整車質(zhì)量的動態(tài)、靜態(tài)檢測[6]，需要固定的檢測基站，且準(zhǔn)確度較差。在車軸上安裝載重傳感器需要改裝車輛，且無法解決車輛在起伏顛簸狀態(tài)引入的誤差，沒有得到廣泛的應(yīng)用。車載直接載人數(shù)統(tǒng)計更適用于短途乘客頻繁上下車的情況，單獨使用圖像模式識別、紅外、壓力檢測的方法實時記錄在乘人數(shù)，但都存在檢測精度低、誤差大的問題。因此設(shè)計了壓力傳感器、紅外光電傳感器組成結(jié)構(gòu)冗余的測量電路統(tǒng)計人數(shù)，當(dāng)載客人數(shù)達(dá)到系統(tǒng)設(shè)定的上限時，啟動攝像頭拍攝車內(nèi)圖像，供監(jiān)管人員輔助判斷是否超載。

乘客上車過程傳感器信號時序圖如圖3所示。在車門踏板下級、上級臺階面鋪設(shè)壓電傳感器a、b，當(dāng)有重力作用在壓電傳感器上時，根據(jù)壓電效應(yīng)產(chǎn)生的電荷信號經(jīng)電荷放大器放大整形后形成開關(guān)脈沖。在車門兩側(cè)a、b的投影范圍內(nèi)由外向內(nèi)安裝3組紅外對射式光電傳感器c、d、e組成檢測陣列，當(dāng)被檢測物從發(fā)射器與接收器之間經(jīng)過且阻斷光線時，光電傳感器就會產(chǎn)生一個開關(guān)脈沖信號。如圖3所示，對傳感器信號進(jìn)行時序分析，可以得到乘客上下車的移動方向。圖3中高電平為傳感器檢測到乘客動作信號，3個時間點的信號邏輯關(guān)系如下:

圖3 乘客上車過程傳感器信號時序圖

在t1時刻有人踩踏板并且進(jìn)入信號檢測區(qū)域，此時檢測c、d、e的信號狀態(tài)，若d、e的信號滯后于c，則表明乘客的移動方向為上車，若c、d的信號滯后于e，則乘客的移動方向為下車;到t2時刻，所有的傳感器檢測到乘客，此時系統(tǒng)根據(jù)乘客移動方向修改載客數(shù)量;t3時刻乘客移出檢測區(qū)域，結(jié)束此次人數(shù)計數(shù)，等待下一人次的觸發(fā)信號。

2.5 車載信息采集模塊軟件設(shè)計

控制器循環(huán)采集校車安全信息并通過車載LCD顯示，控制3G模塊實時接入因特網(wǎng)，每分鐘產(chǎn)生定時中斷向遠(yuǎn)程服務(wù)器報送一次車輛位置信息，并將所有信息存入大容量SD卡。若檢測到超速、超載、火災(zāi)、故障信息或者接收到遠(yuǎn)程管理軟件的數(shù)據(jù)訪問請求時，立即上報車輛所有安全信息，車載監(jiān)控節(jié)點控制器軟件流程如圖4所示。

圖4 車載監(jiān)控節(jié)點控制器軟件流程圖

3 信息通信協(xié)議設(shè)計

3G網(wǎng)絡(luò)目前有 TD－SCDMA、CDMA2000、WCDMA這3種網(wǎng)絡(luò)制式，其中WCDMA網(wǎng)絡(luò)技術(shù)最成熟，通信速率最快，網(wǎng)絡(luò)帶寬最大。選用的華為MU509 WCDMA通信模塊采用LGA封裝形式，具有接口穩(wěn)定、體積小、質(zhì)量輕的優(yōu)點，非常適用于汽車上的工作環(huán)境。在WCDMA PS模式下可以達(dá)到最快384 kb/s的上傳和下載速度，在HSDPA(high speed downlink packet access)高速下載模式下可以達(dá)到3.6 Mb/s的下載速度，模塊與控制器通過串口連接的波特率為115 200 b/s。

模塊與服務(wù)器通信采用UDP協(xié)議，通過發(fā)送ASCII碼編碼的數(shù)據(jù)幀實現(xiàn)信息的傳輸，該信息分為安全信息數(shù)據(jù)、圖像信息、遠(yuǎn)程控制信息3種，其幀格式如表1所示。字段之間通過“，”隔開，若無故障則用字符“0”表示。車輛正常行駛時僅發(fā)送位置信息，每一幀信息長度為40個字節(jié)，數(shù)據(jù)的發(fā)送可以實時完成;采集的車內(nèi)圖像分辨率為320×240的8位灰度圖像，每幅圖像的像素信息為75 kB，可以在5 s內(nèi)完成發(fā)送;服務(wù)器可以發(fā)送遠(yuǎn)程控制命令，隨時查詢車輛的全部安全信息，并且下發(fā)警告通知。

4 校車安全管理軟件設(shè)計

校車安全信息綜合系統(tǒng)利用數(shù)據(jù)庫、GIS技術(shù)對校車、駕駛員和校車營運路線進(jìn)行建檔管理，利用SOCKET通信接口自動偵聽網(wǎng)絡(luò)[7]，接收車載信息采集模塊發(fā)回的信息，通過對Google MAP網(wǎng)絡(luò)地圖進(jìn)行二次開發(fā)實現(xiàn)校車運營路線登記、位置顯示[8－9]，校車安全信息綜合系統(tǒng)軟件功能如圖5所示。系統(tǒng)利用車輛VIN編碼作為校車在系統(tǒng)中的唯一身份認(rèn)證，將接收的報文解析后，監(jiān)控駕駛員的駕駛行為，對超范圍行駛、超速的校車進(jìn)行違規(guī)數(shù)據(jù)登記，由監(jiān)管員根據(jù)車內(nèi)圖像輔助判斷是否超載，對故障和發(fā)生溫度煙霧報警的校車預(yù)警顯示?？梢酝ㄟ^數(shù)據(jù)庫統(tǒng)計每輛校車和駕駛員的歷史記錄，定期提供車輛維護(hù)與保養(yǎng)建議，并將結(jié)果下發(fā)到車載信息采集終端LCD顯示屏，警示駕駛員。

表1 車載信息采集終端與服務(wù)器通信幀格式

圖5 校車安全信息綜合系統(tǒng)軟件功能圖

服務(wù)器軟件系統(tǒng)采用基于Web的B/S網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，具備更靈活的網(wǎng)絡(luò)適用環(huán)境、較低的開發(fā)維護(hù)成本、一致的用戶界面等優(yōu)點[10]。用戶可以在任何一臺電腦上通過瀏覽器登錄系統(tǒng)。服務(wù)軟件按照3層架構(gòu)由上往下劃分為數(shù)據(jù)訪問層(DAL)、業(yè)務(wù)邏輯層(BLL)、表現(xiàn)層(UI)，各層之間邏輯完全獨立。數(shù)據(jù)訪問層主要完成與數(shù)據(jù)庫的通信與操作，業(yè)務(wù)邏輯層實現(xiàn)對校車安全信息的接收與監(jiān)控;表示層提供人機(jī)對話界面。

5 結(jié)論

針對日益嚴(yán)峻的校車安全問題，提出了一種基于3G網(wǎng)絡(luò)的校車安全信息綜合系統(tǒng)，設(shè)計了車載信息采集模塊和遠(yuǎn)程服務(wù)系統(tǒng)，利用數(shù)據(jù)庫、GIS技術(shù)對運營的校車安全信息和駕駛員行為進(jìn)行管理?？梢詼p少因車輛故障、超速、超載、不按規(guī)定路線行駛和缺乏車輛維護(hù)保養(yǎng)而導(dǎo)致的校車安全事故，保障少年兒童的乘車安全。

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