基于物聯(lián)網(wǎng)的校車安全監(jiān)控系統(tǒng)

路 康，張繼保，鄭爭(zhēng)兵

（陜西理工大學(xué) 物理與電信工程學(xué)院，陜西 漢中 723000）

0 引 言

近年來，幼兒園以及小學(xué)校車在我國(guó)許多地區(qū)投入運(yùn)行，這些校車的投入極大地方便了學(xué)生上學(xué)。但隨著大量校車的投入，它的危險(xiǎn)系數(shù)相對(duì)于其他的出行方式要高出許多[1-2]。從近些年校車的安全數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果中就可以看到，校車的交通事故時(shí)有發(fā)生，并且會(huì)引起傷亡。無論是家長(zhǎng)還是學(xué)校都要對(duì)校車的安全系統(tǒng)引起足夠的重視，故利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計(jì)一種有效的校車安全監(jiān)控系統(tǒng)是非常有必要的。

目前市面上主流的一些校車安全監(jiān)控系統(tǒng)功能太過局限，基本上都是一些車載定位系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)[3-4]。這些系統(tǒng)主要都是以采集車輛的位置信息為主，缺少對(duì)乘車人員信息的采集和分析。為了彌補(bǔ)現(xiàn)存缺陷，本文采用RFID技術(shù)解決了人員信息采集的問題，并通過GSM模塊進(jìn)行實(shí)時(shí)短信通知，讓家長(zhǎng)隨時(shí)隨地清楚孩子的動(dòng)向，同時(shí)采用OneNET云平臺(tái)技術(shù)解決了校車位置信息的遠(yuǎn)程監(jiān)控問題。

1 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用了兩個(gè)STM32主控、2.8寸觸摸顯示屏、RFID、SIM900A通信、WiFi、OneNET云平臺(tái)、GPS和電源等模塊。該系統(tǒng)的主要功能是在學(xué)生上下車刷卡的時(shí)候，通過RFID讀寫模塊將學(xué)生IC卡的信息進(jìn)行解讀分析；再經(jīng)過控制模塊分析處理之后，判斷對(duì)應(yīng)學(xué)生的信息；然后通過GSM模塊將實(shí)時(shí)信息發(fā)送給對(duì)應(yīng)學(xué)生的家長(zhǎng)；同時(shí)，控制模塊二通過GPS定位解析出對(duì)應(yīng)學(xué)生的地理位置并通過紅外溫度模塊采集學(xué)生的體溫信息，使用WiFi模塊將數(shù)據(jù)打包發(fā)送給OneNET云平臺(tái)。本系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)框圖

1.1 SIM900A模塊

如圖2所示，本設(shè)計(jì)采用SIM900A模塊來實(shí)現(xiàn)中文短信的發(fā)送功能。該模塊不僅具備短信收發(fā)的功能，同時(shí)還擁有語音測(cè)試功能和GPRS無線傳輸數(shù)據(jù)的功能[5-6]。SIM900A是一款基于移動(dòng)的2G GSM短消息收發(fā)平臺(tái)和GPRS數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)平臺(tái)，同樣它也支持一些3G/4G手機(jī)卡的使用。該模塊在本系統(tǒng)中與控制模塊一通過串口三相連接，判斷完成后控制模塊一使用串口三向GSM模塊發(fā)送AT控制指令完成整個(gè)操作。SIM900A模塊與單片機(jī)連接電路如圖3所示。

圖2 SIM900A模塊實(shí)物圖

圖3 SIM900A與STM32硬件連接圖

1.2 WiFi模塊

本設(shè)計(jì)中采用的WiFi模塊是ESP8266，該模塊集成了完整的TCP/IP協(xié)議棧、MCU，并增加了一些外圍電路、串口等。這是一款超低功耗的UART-WiFi透?jìng)髂K，且成本低、使用方便[7-8]，在業(yè)內(nèi)具有很強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力，是專門為物聯(lián)網(wǎng)和移動(dòng)設(shè)備應(yīng)用而設(shè)計(jì)的。ESP8266模塊有多種工作模式，即Station模式、AP模式、Station+AP模式（混合模式）。在Station+AP模式下，ESP8266模塊可以在與其他路由設(shè)備連接的同時(shí)作為路由器發(fā)出熱點(diǎn)，即可以通過互聯(lián)網(wǎng)控制實(shí)現(xiàn)無縫切換[4]。

WiFi模塊可以讓硬件聯(lián)網(wǎng)，即使用串口配置，將串口的波特率和WiFi模塊的波特率配置一樣后，通過串口發(fā)送AT指令配置WiFi模塊即可。WiFi模塊連接電路如圖4所示。

圖4 WiFi模塊連接電路圖

1.3 RFID讀寫模塊

本設(shè)計(jì)中RFID讀寫模塊選擇的是13.56 MHz高頻讀寫模塊，它本身帶有CPU控制，不需要二次編程，即用串口將讀到的數(shù)據(jù)（IC卡的物理地址）發(fā)送到控制模塊一中并進(jìn)行處理，處理后再做出對(duì)應(yīng)的響應(yīng)。該模塊實(shí)物圖如圖5所示?？刂颇K一與RFID讀寫模塊的連接關(guān)系如圖6所示。

圖5 RFID模塊實(shí)物圖

圖6 RFID模塊和STM32連接圖

1.4 GPS定位模塊

本系統(tǒng)中的ATK-S1216F8-BD GPS定位模塊兼容性很好，3.3 V/5 V的電平皆可驅(qū)動(dòng)GPS模塊，方便使用并且模塊本身具有天線接口。在使用時(shí)，先將模塊預(yù)留的IPX天線接口與天線連接好，模塊可以放在室內(nèi)操作，天線放在戶外，以避免信號(hào)的影響，這樣就完成了室內(nèi)定位[9-10]。該模塊功能豐富，不僅能解析出當(dāng)前的經(jīng)緯度信息，還可以解析出海拔信息、速度信息以及衛(wèi)星信息。其模塊的實(shí)物圖如圖7所示。

圖7 GPS模塊實(shí)物圖

該ATK-S1216F8-BD GPS定位模塊預(yù)留的對(duì)外接口是USRAT串口，這樣方便其與任何單片機(jī)連接。此模塊在本設(shè)計(jì)中的連接關(guān)系如圖8所示。

圖8 GPS與STM32連接圖

2 系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)使用了兩個(gè)控制模塊，故系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)分為兩個(gè)模塊。

控制模塊一負(fù)責(zé)身份辨別以及短信發(fā)送。該部分將RFID讀寫器和GSM短信發(fā)送模塊相結(jié)合。首先通過RFID讀寫模塊將學(xué)生上下車刷卡時(shí)的信息數(shù)據(jù)讀取出來，然后控制模塊一再將讀取到的信息從對(duì)應(yīng)的緩存區(qū)中拿出來進(jìn)行相應(yīng)的對(duì)比辨別，判斷出是哪位同學(xué)的信息，隨即將短信發(fā)送給相應(yīng)同學(xué)的家長(zhǎng)。具體程序的設(shè)計(jì)流程如圖9所示。

圖9 控制模塊一程序流程

控制模塊二負(fù)責(zé)GPS定位、WiFi連接以及OneNET云平臺(tái)程序設(shè)計(jì)。該部分的程序設(shè)計(jì)主要針對(duì)的是車輛定位、溫度采集以及上傳信息至OneNET云平臺(tái)供遠(yuǎn)程監(jiān)控。首先控制模塊二將GPS北斗定位模塊的信息進(jìn)行分析，得到所需要的經(jīng)緯度信息；然后再通過WiFi模塊發(fā)送AT指令使其與OneNET云平臺(tái)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程對(duì)接；最后利用EDP協(xié)議將要上傳的信息進(jìn)行打包處理并發(fā)送到云平臺(tái)供遠(yuǎn)程監(jiān)控使用。具體程序的設(shè)計(jì)流程如圖10所示。

圖10 控制模塊二程序流程

3 系統(tǒng)的調(diào)試及測(cè)試

系統(tǒng)調(diào)試主要測(cè)試系統(tǒng)中的模塊是否能夠正常工作、是否出現(xiàn)問題或者錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)、系統(tǒng)所要求的功能是否都能按要求穩(wěn)定地實(shí)現(xiàn)。由于本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要由兩部分組成，因此系統(tǒng)整體調(diào)試的過程主要分兩部分完成。

第一部分測(cè)試：測(cè)試RFID的讀取是否成功，能否實(shí)現(xiàn)刷卡人數(shù)的統(tǒng)計(jì)。測(cè)試結(jié)果如圖11所示。

圖11 RFID讀取統(tǒng)計(jì)人數(shù)功能測(cè)試

第二部分測(cè)試：

（1）測(cè)試GPS模塊的經(jīng)緯度信息解析是否正確、WiFi是否可以連接到OneNET云平臺(tái)。通過串口打印測(cè)試來判斷經(jīng)緯度信息是否正確、WiFi模塊的配置過程是否成功接入OneNET云平臺(tái)。經(jīng)過測(cè)試，該部分功能運(yùn)行正常。

（2）測(cè)試遠(yuǎn)程監(jiān)控時(shí)學(xué)生人數(shù)信息以及學(xué)生的體溫是否能夠上傳到OneNET云平臺(tái)。OneNET云平臺(tái)遠(yuǎn)程監(jiān)控應(yīng)用界面顯示如圖12所示。由圖12可以看出，OneNET云平臺(tái)界面可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控校車位置信息的功能；并且在學(xué)生刷卡時(shí)，學(xué)生的人數(shù)信息和學(xué)生體溫信息能夠?qū)崟r(shí)上傳。經(jīng)過以上測(cè)試，該部分功能運(yùn)行正常。

圖12 OneNET云平臺(tái)遠(yuǎn)程監(jiān)控測(cè)試圖

4 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)了一款基于物聯(lián)網(wǎng)的校車安全監(jiān)控系統(tǒng)。利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和嵌入式技術(shù)，通過RFID模塊讀取上車學(xué)生的IC卡信息，經(jīng)過控制模塊一分析比對(duì)后將中文短信發(fā)送到對(duì)應(yīng)學(xué)生家長(zhǎng)的手機(jī)上。在刷卡成功和短信發(fā)送成功后將自動(dòng)統(tǒng)計(jì)刷卡人數(shù)?？刂颇K二通過紅外測(cè)溫模塊對(duì)乘車人員的體溫進(jìn)行無接觸式測(cè)量以確認(rèn)乘車人員的健康，符合當(dāng)前疫情防控需要。通過GPS模塊對(duì)校車的運(yùn)行位置軌跡以及車速進(jìn)行監(jiān)控；同時(shí)使用WiFi模塊連接OneNET云平臺(tái)，通過EDP協(xié)議打包發(fā)送數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)用戶以及管理人員通過云平臺(tái)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控校車信息的功能。本系統(tǒng)滿足了校車人員信息采集以及車輛運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控的要求，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低，具有一定的應(yīng)用參考價(jià)值。