基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的校車智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

引 言

校車是用于運(yùn)送學(xué)生往返學(xué)校的交通工具。但近年來(lái)， 國(guó)內(nèi)校車的安全事故頻發(fā)，如幼兒園校車重大交通事故、校車墜江重大事故、幼兒遺忘在校車被悶死事故等，校車安全事故造成的學(xué)生重大傷亡事件給家庭和社會(huì)帶來(lái)了巨大的不良影響。校車事故的頻繁發(fā)生正向社會(huì)敲響了生命的警鐘，也引發(fā)了社會(huì)各界對(duì)“校車安全”的廣泛關(guān)注。如何有效的對(duì)學(xué)校的校車進(jìn)行安全管理，規(guī)范校車的使用和操作，減少校車安全事故已經(jīng)成為當(dāng)前社會(huì)迫切需要解決的問(wèn)題。政府近來(lái)為保障校車運(yùn)行安全而出臺(tái)了一系列政策法規(guī)。但總體來(lái)看，政府部門從制度和政策層面探討的比較多，規(guī)則制度屬于“軟約束”，在執(zhí)行時(shí)容易違背。在科技飛速發(fā)展的今天，我們應(yīng)采用先進(jìn)的技術(shù)手段等“硬約束”為校車的安全管理提供強(qiáng)有力的保障。

物聯(lián)網(wǎng)是指將物體通過(guò)RFID、GPS 及各種傳感器等現(xiàn)代通信技術(shù)，按照約定的通信協(xié)議及接口，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的全面互聯(lián)，從而實(shí)現(xiàn)智能識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)。因此利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中的RFID 技術(shù)、GPS 或北斗定位系統(tǒng)、地理信息系統(tǒng)、先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)有運(yùn)行校車的機(jī)械性能、電氣性能，行駛路線、乘車學(xué)生信息等實(shí)施實(shí)時(shí)監(jiān)控， 從而為校車的安全管理提供及時(shí)準(zhǔn)確的基礎(chǔ)信息。為校車的緊急救援、安全預(yù)警、及時(shí)調(diào)度提供可靠的技術(shù)保障。因此可以有效減少和避免校車事故的發(fā)生，保證乘車學(xué)生的安全。

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析

從上世紀(jì) 70 年代初開(kāi)始，一些發(fā)達(dá)國(guó)家就開(kāi)始研究穩(wěn)定可靠的校車監(jiān)控系統(tǒng)。隨著技術(shù)的發(fā)展，特別是計(jì)算機(jī)技術(shù)、全球定位系統(tǒng)、現(xiàn)代通信技術(shù)的快速發(fā)展，校車監(jiān)控系統(tǒng)近年來(lái)取得了極大的進(jìn)步，尤其是當(dāng)GPS 和嵌入式微型芯片應(yīng)用到車輛監(jiān)控系統(tǒng)時(shí)，使車輛監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了前所未有的變化。比較有代表性的包括美國(guó) Wi-Sys 通信公司的WS8161 監(jiān)控系統(tǒng)，這套監(jiān)控系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)開(kāi)啟緊急警報(bào)、自動(dòng)生成校車運(yùn)行狀態(tài)報(bào)告、實(shí)時(shí)監(jiān)控校車中學(xué)生的各種狀態(tài)、實(shí)時(shí)記錄校車的各種狀態(tài)等功能。

我國(guó)校車監(jiān)控系統(tǒng)的研究起步比較晚，但近年來(lái)，我國(guó)校車監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)展迅速。里唯、海格、大華等企業(yè)開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的校車監(jiān)控系統(tǒng)。這些校車監(jiān)控系統(tǒng)大概可以分為以下幾類：

(1) 利用 GSM和GPS技術(shù)的車載監(jiān)控系統(tǒng)；

(2) 利用GPRS技術(shù)的監(jiān)控系統(tǒng)解決方案；

(3) 開(kāi)發(fā)基于 3G/4G通信網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控系統(tǒng)。

這些監(jiān)控方案主要以視頻監(jiān)控和車輛定位為主，缺少很多保證校車安全的信息收集，并不能對(duì)校車的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行較全面的監(jiān)控。相比較而言，本系統(tǒng)以校車車載信息監(jiān)控與服務(wù)為切入點(diǎn)，利用現(xiàn)有的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將校車與后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)連接，因此實(shí)現(xiàn)了在監(jiān)控平臺(tái)對(duì)校車各種電氣機(jī)械信息以及車內(nèi)靜、動(dòng)態(tài)信息的實(shí)時(shí)提取和充分利用。依靠現(xiàn)有的GPS 或者北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的定位功能，監(jiān)控管理系統(tǒng)可在地圖上隨時(shí)獲知車輛所在位置和車輛的行車路線 ；通過(guò) 3G、WiFi 網(wǎng)絡(luò)，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控等遠(yuǎn)程管理 ；通過(guò)監(jiān)控系統(tǒng)，能夠?qū)崟r(shí)掌握校車運(yùn)行的地理位置信息、運(yùn)行狀態(tài)信息，給學(xué)生提供更安全更優(yōu)質(zhì)的服務(wù)，有效杜絕了校車運(yùn)行中存在的安全隱患，強(qiáng)化了校車的監(jiān)管。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

校車安全智能監(jiān)控系統(tǒng)是由車載終端子系統(tǒng)、校車安全監(jiān)控管理終端子系統(tǒng)兩部分組成。系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案如圖 1 所示。

校車安全管理系統(tǒng)各平臺(tái)內(nèi)部以及平臺(tái)間的主要數(shù)據(jù)有：

(1) 車輛的 GPS數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上可算出車速、運(yùn)行軌跡；

(2) 乘車人員的RFID信息，通過(guò)RFID信息管理可以實(shí)時(shí)了解校車內(nèi)的乘車人數(shù)，掌握每個(gè)乘車人員的基本信息；

(3) 校車運(yùn)行時(shí)的各種機(jī)械及電氣信息，通過(guò)將這些數(shù)據(jù)和正常時(shí)的車輛參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，來(lái)判別校車的運(yùn)行狀況， 并對(duì)異常情況及時(shí)提醒；

(4) 校車內(nèi)的視頻信息，主要包括車內(nèi)的人員狀態(tài)情況， 駕駛?cè)藛T及校車上工作人員的工作信息，學(xué)生在各站點(diǎn)的上下車信息以及家長(zhǎng)接送小孩的信息等；

(5) 地理信息、交通狀況、文本信息、監(jiān)管指令等。

3 車載終端的硬件架構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)當(dāng)前國(guó)內(nèi)外車載終端的現(xiàn)狀及不足，研究基于 CAN 網(wǎng)絡(luò)、GPS 定位模塊、2G/3G 通信模塊、RFID 無(wú)線射頻模塊、USB 視頻模塊、基于ARM 的高性能處理器的車載網(wǎng)絡(luò)信息終端，并在此基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)校車安全智能監(jiān)控終端系統(tǒng)硬件整體架構(gòu)，車載終端硬件架構(gòu)如圖 2 所示。

4 校車車載終端子系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)

校車車載終端子系統(tǒng)主要包括 GPS 定位模塊設(shè)計(jì)、RFID 無(wú)線射頻識(shí)別模塊設(shè)計(jì)、音視頻模塊接口模塊設(shè)計(jì)、CAN 總線接口模塊、3G 無(wú)線傳輸接口模塊設(shè)計(jì)、存儲(chǔ)模塊設(shè)計(jì)、提醒及報(bào)警模塊設(shè)計(jì)、電源模塊設(shè)計(jì)以及基于 ARM9 的控制平臺(tái)等。本設(shè)計(jì)采用實(shí)時(shí)性高的ARM9 處理器芯片作為控制器的核心，可以滿足車載終端各個(gè)基本功能的需求。車載終端子系統(tǒng)是校車安全運(yùn)行管理系統(tǒng)中的最基本部分，車載終端子系統(tǒng)既能傳輸重要的實(shí)時(shí)監(jiān)控信息，還可以實(shí)時(shí)接受后臺(tái)管理系統(tǒng)的控制。從而保障車載終端系統(tǒng)的可靠運(yùn)行， 為了操作方便，將車載終端子系統(tǒng)集成為一個(gè)整體可操控平臺(tái)。車載平臺(tái)主要集成的設(shè)備如圖 3 所示。

(1) RFID無(wú)線射頻模塊 ：車載 RFID讀取器通過(guò)學(xué)生攜帶的身份識(shí)別卡自動(dòng)獲得準(zhǔn)確的上下車人數(shù) ；讀取駕駛員和校車工作人員的身份信息 ；家長(zhǎng)在上學(xué)放學(xué)接送小孩時(shí)，系統(tǒng)可以遠(yuǎn)距離讀取家長(zhǎng)持有的RFID卡上的身份信息，通過(guò)該系統(tǒng)語(yǔ)音提示的方式讓駕駛員、工作人員獲得學(xué)生家長(zhǎng)的基本信息，從而避免誤接誤送。校車內(nèi)的學(xué)生數(shù)量在顯示屏上進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。

(2) GPS模塊 ：該模塊可以提供校車運(yùn)行時(shí)的實(shí)時(shí)位置信息和路徑信息，并且可以實(shí)時(shí)傳送給后臺(tái)管理系統(tǒng)。

(3) 音視頻監(jiān)控模塊 ：該模塊利用裝在校車內(nèi)的多個(gè)高清攝像頭和拾音器進(jìn)行視頻采集、存儲(chǔ)，采集的音視頻信息可以通過(guò)現(xiàn)代通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到后臺(tái)管理中心。

(4) 報(bào)警系統(tǒng) ：當(dāng)校車存在各種機(jī)械故障、電氣故障時(shí)可以實(shí)時(shí)自動(dòng)提醒 ；遇特殊情況如發(fā)生火災(zāi)時(shí)自動(dòng)報(bào)警 ；報(bào)警系統(tǒng)中設(shè)置有手動(dòng)報(bào)警模塊，工作人員也可以通過(guò)手動(dòng)報(bào)警模塊發(fā)送報(bào)警信息。

(5) 車輛機(jī)械電氣信息讀取設(shè)備 ：通過(guò)讀取車輛機(jī)械電氣信息，監(jiān)控系統(tǒng)可以掌握校車的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀況，并預(yù)警校車的機(jī)械電氣故障，保障校車的安全運(yùn)行。

(6) 無(wú)線通信裝置 ：利用現(xiàn)有的高速通信網(wǎng)絡(luò)，保證校車內(nèi)終端系統(tǒng)采集的各種信息的傳遞，及終端與后臺(tái)管理系統(tǒng)的信息傳遞。

(7) 存儲(chǔ)設(shè)備，校車監(jiān)控信息等將會(huì)存儲(chǔ)在存儲(chǔ)設(shè)備中保持一段時(shí)間，以供隨時(shí)調(diào)取拷貝到監(jiān)控服務(wù)器中。

5 后臺(tái)監(jiān)控管理系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

后臺(tái)監(jiān)控管理系統(tǒng)包括車載終端單元所上傳數(shù)據(jù)的接收、分析、存儲(chǔ)，人機(jī)交互與操作界面的設(shè)計(jì)，系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)的構(gòu)建，電子地圖（GIS）等。后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)行駛汽車的定位、行駛狀態(tài)顯示、車內(nèi)狀況的視頻和音頻監(jiān)控、報(bào)警、調(diào)度、歷史軌跡查詢和回放、人數(shù)統(tǒng)計(jì)等功能。

校車監(jiān)控管理平臺(tái)主要完成對(duì)校車的日常管理工作并將校車運(yùn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳給監(jiān)控管理平臺(tái)。通過(guò)后臺(tái)管理監(jiān)控系統(tǒng)，監(jiān)管人員可以方便地掌握所監(jiān)控校車的實(shí)時(shí)乘車學(xué)生數(shù)、車內(nèi)視頻信息、駕駛車速等信息 ；同時(shí)后臺(tái)監(jiān)控管理系統(tǒng)利用GIS 電子地圖、可以準(zhǔn)確掌握校車的行駛線路。學(xué)校管理平臺(tái)的主要功能有：

(1) 車輛 GPS定位跟蹤

接收車載 GPS 發(fā)送來(lái)的地理坐標(biāo)信息定位、跟蹤校車。通過(guò)系統(tǒng)內(nèi)的GIS 地理信息系統(tǒng)，可以將校車的運(yùn)行軌跡信息在子地圖中顯示出來(lái)。后臺(tái)監(jiān)管人員能夠通過(guò)該功能掌握校車的運(yùn)行位置、運(yùn)行速度及行駛路線等。可以確保校車按照預(yù)先設(shè)定的行駛路線運(yùn)行，從而避免校車超速運(yùn)行、駕駛員私自改變運(yùn)行線路等情況的發(fā)生。

(2) 文本信息收發(fā)

該功能可以在校車和后臺(tái)管理系統(tǒng)之間傳輸文本信息， 在需要提醒駕駛員時(shí)通過(guò)發(fā)送警告信息，交通信息來(lái)提醒駕駛員超速，也能夠傳輸一些臨時(shí)消息、通知等消息，比如天氣情況、路況情況及其他異常情況等。

(3) RFID信息管理

包括各種RFID 卡的發(fā)放、數(shù)據(jù)錄入、更新等情況。此功能是該校車安全管理系統(tǒng)中最重要的功能之一，能夠很好地體現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在校車安全管理中的應(yīng)用。此功能模塊還具有一個(gè)非常重要的功能就是能夠獲取校車上的實(shí)際人數(shù)， 防止超載。同時(shí)還可以利用這些RFID 信息實(shí)現(xiàn)各種管理服務(wù)功能。

(4) 系統(tǒng)維護(hù)

系統(tǒng)維護(hù)部分主要實(shí)現(xiàn)基本信息錄入、用戶權(quán)限管理、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、分析等功能。

6 結(jié) 語(yǔ)

該系統(tǒng)將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用在校車監(jiān)控系統(tǒng)中，由于有效利用了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及智能技術(shù)，本校車安全智能監(jiān)控系統(tǒng)可以在校車、運(yùn)營(yíng)學(xué)校、監(jiān)管部門、學(xué)生家長(zhǎng)之間進(jìn)行可靠、穩(wěn)定、實(shí)時(shí)的信息采集和數(shù)據(jù)傳遞，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)校車的實(shí)時(shí)監(jiān)控、管理和預(yù)警。