基于ZigBee和WiFi的智能校車

樊志文 胡華偉 李杰

【摘 要】在現(xiàn)有的校車的模式上，利用分布在車內(nèi)的三個(gè)ZigBee終端節(jié)點(diǎn)控制傳感器定時(shí)采樣車內(nèi)的環(huán)境參數(shù)，通過ZigBee協(xié)議傳輸?shù)街行墓?jié)點(diǎn)，并與GPS模塊測(cè)得的經(jīng)緯度信息一并發(fā)至車載上位機(jī)軟件。上位機(jī)軟件將接收到的數(shù)據(jù)和監(jiān)控?cái)z像頭實(shí)時(shí)畫面發(fā)至遠(yuǎn)程服務(wù)器進(jìn)行統(tǒng)一管理，從而提高校車管理效率，簡(jiǎn)化校車系統(tǒng)的管理，提高校車的安全性。

【關(guān)鍵詞】物聯(lián)網(wǎng) 校車 安全性 遠(yuǎn)程管理

1 現(xiàn)有智能校車現(xiàn)狀及存在的問題

現(xiàn)今我國(guó)對(duì)校車的管理還不夠全面，并且由于一些突發(fā)事件可能會(huì)導(dǎo)致校車發(fā)生危險(xiǎn)，從而危及到車內(nèi)學(xué)生的安全?，F(xiàn)今安裝車載WiFi是現(xiàn)在比較流行的一種技術(shù)，故我們希望在現(xiàn)有校車的模式上添加各類傳感器，GPS，監(jiān)控?cái)z像頭采集車內(nèi)信息，并利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)和Internet設(shè)計(jì)了一套基于ZigBee和GPS的校車監(jiān)控系統(tǒng)。在硬件方面主要有煙霧傳感器、一氧化碳傳感器，酒精濃度傳感器等傳感器和ZigBee節(jié)點(diǎn)，單片機(jī)，攝像頭，無線路由器和GPS組成。硬件可以定時(shí)采樣數(shù)據(jù)并發(fā)送至車載客戶端。軟件方面主要有車載客戶端、遠(yuǎn)程服務(wù)器和網(wǎng)站組成。每位司機(jī)都有一個(gè)ID號(hào)，并可以通過車載客戶端查看車載的傳感器設(shè)備所測(cè)得的參數(shù)，并通過車載WiFi將數(shù)據(jù)傳送到遠(yuǎn)程服務(wù)器。校車系統(tǒng)管理人員還可以登錄網(wǎng)站控制中心實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控和系統(tǒng)的管理。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 ZigBee通信協(xié)議

Zigbee是一種新興的短距離、低速率的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，主要用于近距離無線連接。本次設(shè)計(jì)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)洳捎眯切徒Y(jié)構(gòu)，其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易于連接電路。根據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)的功能不同，無線傳感器節(jié)點(diǎn)分為終端節(jié)點(diǎn)、路由器節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)3種類型。終端節(jié)點(diǎn)的主要功能是完成數(shù)據(jù)的采集，路由器節(jié)點(diǎn)除了具備數(shù)據(jù)采集的功能外還具備路由的功能；協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)主要完成傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)匯聚功能。系統(tǒng)工作時(shí)，終端節(jié)點(diǎn)完成數(shù)據(jù)采集并傳遞給路由節(jié)點(diǎn)，由路由節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并沿動(dòng)態(tài)路由將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，最終協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)通過串口將數(shù)據(jù)匯總并發(fā)送到上位機(jī)。在節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)中，通過調(diào)用ZigBee協(xié)議棧提供的API函數(shù)完成網(wǎng)絡(luò)管理層的設(shè)備初始化、配置網(wǎng)絡(luò)、初始網(wǎng)絡(luò)、實(shí)現(xiàn)分布在校車中的傳感器節(jié)點(diǎn)的自組網(wǎng)絡(luò)。

2.2 S2SH網(wǎng)站框架

S2SH在J2EE項(xiàng)目中表示了3種框架，即Struts2+ Spring +Hibernate。 Struts2對(duì)Model，View和Controller都提供了對(duì)應(yīng)的組件。Spring是一個(gè)輕量級(jí)的控制反轉(zhuǎn)（IoC）和面向切面（AOP）的容器框架，它由Rod Johnson創(chuàng)建。它是為了解決企業(yè)應(yīng)用開發(fā)的復(fù)雜性而創(chuàng)建的。Spring使用基本的JavaBean來完成以前只可能由EJB完成的事情。 Hibernate是一個(gè)開放源代碼的對(duì)象關(guān)系映射框架，它對(duì)JDBC進(jìn)行了非常輕量級(jí)的對(duì)象封裝，可以應(yīng)用在任何使用JDBC的場(chǎng)合，可以在Servlet/JSP的Web應(yīng)用中使用，也可以在應(yīng)用EJB的J2EE架構(gòu)中取代CMP，完成數(shù)據(jù)持久化的重任。

3 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

針對(duì)系統(tǒng)控制的需求，考慮到系統(tǒng)內(nèi)人員流動(dòng)信號(hào)干擾等，綜合考慮校車動(dòng)態(tài)信息的采集處理與傳輸以及通信的可靠性，實(shí)現(xiàn)環(huán)境參數(shù)無死角、無盲采集和傳送，實(shí)現(xiàn)對(duì)控制對(duì)象的精確無誤的調(diào)節(jié)控制，并針對(duì)用戶群體設(shè)計(jì)一個(gè)易操作、簡(jiǎn)單明了的應(yīng)用服務(wù)端。本系統(tǒng)由三個(gè)終端節(jié)點(diǎn)，一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中心協(xié)調(diào)器，客戶端主機(jī)以及網(wǎng)站這四部分組成。

3.2無線傳感器節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

ZigBee終端節(jié)點(diǎn)是校車智能化系統(tǒng)硬件的基本單元，需要具備環(huán)境因子采集、數(shù)據(jù)處理、無線通信等功能。在具體應(yīng)用下，此次設(shè)計(jì)的無線終端節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)重點(diǎn)考慮了低成本、低功耗、穩(wěn)定、可靠等因素。三個(gè)終端節(jié)點(diǎn)分別安置在車頭，車尾和車門后內(nèi)，用于定時(shí)啟動(dòng)傳感器采集環(huán)境因子并將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)動(dòng)至網(wǎng)絡(luò)中心協(xié)調(diào)器，網(wǎng)絡(luò)中心協(xié)調(diào)器收集到三個(gè)終端節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)之后通過串口將三組數(shù)據(jù)逐一發(fā)送至協(xié)調(diào)器， 三個(gè)ZigBee終端節(jié)點(diǎn)與協(xié)調(diào)器之間遵從ZigBee協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸；而協(xié)調(diào)器通過有線串口通信方式將數(shù)據(jù)打包發(fā)送至客戶端主機(jī)。

3.3本地客戶端設(shè)計(jì)

客戶端主機(jī)作為監(jiān)控的中心，將協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)接收到的數(shù)據(jù)通過有線串口發(fā)送到本地主機(jī)并將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到本地主機(jī)的后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)中和客戶端上顯示； 通過上位機(jī)軟件可以查看校車現(xiàn)在在地圖上的位置，并進(jìn)行動(dòng)態(tài)刷新，還將各個(gè)節(jié)點(diǎn)采集到的環(huán)境因子收集到上位機(jī)，并存入數(shù)據(jù)庫(kù)中。每次傳來一組數(shù)據(jù)調(diào)用相應(yīng)函數(shù)，通過無線WiFi將數(shù)據(jù)發(fā)送至遠(yuǎn)程服務(wù)器。本地存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)和發(fā)送至遠(yuǎn)程服務(wù)器的數(shù)據(jù)包括此時(shí)車內(nèi)二氧化碳濃度，車內(nèi)一氧化碳濃度，車內(nèi)煙霧濃度和司機(jī)口中的酒精濃度。將獲取的數(shù)據(jù)通過Http協(xié)議發(fā)送至服務(wù)器，通過定時(shí)發(fā)送Http請(qǐng)求獲取服務(wù)器端的命令。

3.4網(wǎng)站設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的網(wǎng)站子系統(tǒng)，后臺(tái)運(yùn)用Java語(yǔ)言開發(fā)，采用SSH框架，實(shí)現(xiàn)用戶和專家的交互。具體功能有接收車載上位機(jī)數(shù)據(jù)、管理員對(duì)數(shù)據(jù)的查詢、通過車載攝像頭進(jìn)行監(jiān)控等功能。

車載上位機(jī)聯(lián)網(wǎng)登陸后，在每次接收數(shù)據(jù)時(shí)，不僅將數(shù)據(jù)存入本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)，還自動(dòng)將數(shù)據(jù)發(fā)往遠(yuǎn)程服務(wù)器，存入服務(wù)器數(shù)據(jù)庫(kù)；管理員可以分司機(jī)ID按時(shí)間查詢所有校車的數(shù)據(jù)。

4 系統(tǒng)性能測(cè)試

4.1 無線傳感網(wǎng)絡(luò)性能測(cè)試

系統(tǒng)上電后，中心節(jié)點(diǎn)的ZigBee模塊作為協(xié)調(diào)器建立網(wǎng)絡(luò)，采集節(jié)點(diǎn)的ZigBee模塊作為終端節(jié)點(diǎn)搜索并加入網(wǎng)絡(luò)；網(wǎng)絡(luò)建立后，中心節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)一個(gè)定時(shí)器，輪流向各個(gè)采集節(jié)點(diǎn)發(fā)送指令，采集節(jié)點(diǎn)接收到指令后利用攜帶的傳感器采集數(shù)據(jù)并發(fā)送給中心節(jié)點(diǎn)，其余時(shí)刻采集節(jié)點(diǎn)處于休眠狀態(tài)。中心節(jié)點(diǎn)收到所有采集節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)后，將這些數(shù)據(jù)通過有線串口發(fā)送至車在上位機(jī)。

4.2本地客戶端性能測(cè)試

啟動(dòng)運(yùn)行上位機(jī)軟件后即進(jìn)入等待接收數(shù)據(jù)狀態(tài)，每來一組數(shù)據(jù)則調(diào)用相應(yīng)事件接收數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)存入本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)以便農(nóng)戶進(jìn)行查詢并通過Http請(qǐng)求發(fā)送到遠(yuǎn)程服務(wù)器端。通過調(diào)用軟件的WebBrouser可以調(diào)用服務(wù)器端的網(wǎng)頁(yè)并且在上位機(jī)軟件上顯示，從而使司機(jī)觀察到校車當(dāng)前所在的位置。

4.3 網(wǎng)站性能測(cè)試

首先將網(wǎng)站部署到服務(wù)器上，再進(jìn)行登陸操作測(cè)試，確定能夠正常登陸，網(wǎng)站管理員輸入錯(cuò)誤的密碼和驗(yàn)證碼無法登陸。

由管理員登錄之后，首先顯示的是自己所管轄校車列表，并可以查看指定的校車內(nèi)的參數(shù)，并進(jìn)行視頻監(jiān)控。

5 結(jié)語(yǔ)

本項(xiàng)目將GPS系統(tǒng)、傳感器和車載上位機(jī)與車載WiFi進(jìn)行融合，首次實(shí)現(xiàn)每接收到一組傳感器與GPS測(cè)得的數(shù)據(jù)，便通過車載WiFi發(fā)送至遠(yuǎn)程服務(wù)器。并且在遠(yuǎn)程服務(wù)器配置相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)和網(wǎng)站系統(tǒng)對(duì)所有的校車進(jìn)行有序的管理。搭建了低成本，無距離限制的智能校車系統(tǒng)。