基于ZigBee和WiFi的智能校車

樊志文 胡華偉 李杰

(山東農業大學,山東泰安 271000)

基于ZigBee和WiFi的智能校車

樊志文 胡華偉 李杰

(山東農業大學,山東泰安 271000)

在現有的校車的模式上,利用分布在車內的三個ZigBee終端節點控制傳感器定時采樣車內的環境參數,通過ZigBee協議傳輸到中心節點,并與GPS模塊測得的經緯度信息一并發至車載上位機軟件。上位機軟件將接收到的數據和監控攝像頭實時畫面發至遠程服務器進行統一管理,從而提高校車管理效率,簡化校車系統的管理,提高校車的安全性。

物聯網 校車 安全性 遠程管理

1 現有智能校車現狀及存在的問題

現今我國對校車的管理還不夠全面，并且由于一些突發事件可能會導致校車發生危險，從而危及到車內學生的安全。現今安裝車載WiFi是現在比較流行的一種技術，故我們希望在現有校車的模式上添加各類傳感器，GPS，監控攝像頭采集車內信息，并利用物聯網技術、數據庫技術和Internet設計了一套基于ZigBee和GPS的校車監控系統。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節點，單片機，攝像頭，無線路由器和GPS組成。硬件可以定時采樣數據并發送至車載客戶端。軟件方面主要有車載客戶端、遠程服務器和網站組成。每位司機都有一個ID號，并可以通過車載客戶端查看車載的傳感器設備所測得的參數，并通過車載WiFi將數據傳送到遠程服務器。校車系統管理人員還可以登錄網站控制中心實現實時監控和系統的管理。

2 關鍵技術

2.1 ZigBee通信協議

Zigbee是一種新興的短距離、低速率的無線網絡技術，主要用于近距離無線連接。本次設計的無線傳感網絡的拓撲采用星型結構，其優點是結構簡單易于連接電路。根據在網絡中實現的功能不同，無線傳感器節點分為終端節點、路由器節點、協調器節點3種類型。終端節點的主要功能是完成數據的采集，路由器節點除了具備數據采集的功能外還具備路由的功能；協調器節點主要完成傳感器網絡的數據匯聚功能。系統工作時，終端節點完成數據采集并傳遞給路由節點，由路由節點進行數據處理并沿動態路由將數據轉發到協調器節點，最終協調器節點通過串口將數據匯總并發送到上位機。在節點軟件設計中，通過調用ZigBee協議棧提供的API函數完成網絡管理層的設備初始化、配置網絡、初始網絡、實現分布在校車中的傳感器節點的自組網絡。

2.2 S2SH網站框架

S2SH在J2EE項目中表示了3種框架，即Struts2+Spring +Hibernate。Struts2對Model，View和Controller都提供了對應的組件。Spring是一個輕量級的控制反轉(IoC)和面向切面(AOP)的容器框架，它由Rod Johnson創建。它是為了解決企業應用開發的復雜性而創建的。Spring使用基本的JavaBean來完成以前只可能由EJB完成的事情。Hibernate是一個開放源代碼的對象關系映射框架，它對JDBC進行了非常輕量級的對象封裝，可以應用在任何使用JDBC的場合，可以在Servlet/JSP的Web應用中使用，也可以在應用EJB 的J2EE架構中取代CMP，完成數據持久化的重任。

3 系統總體設計

3.1 系統設計思路

針對系統控制的需求，考慮到系統內人員流動信號干擾等，綜合考慮校車動態信息的采集處理與傳輸以及通信的可靠性，實現環境參數無死角、無盲采集和傳送，實現對控制對象的精確無誤的調節控制，并針對用戶群體設計一個易操作、簡單明了的應用服務端。本系統由三個終端節點，一個網絡中心協調器，客戶端主機以及網站這四部分組成。

3.2 無線傳感器節點硬件設計

ZigBee終端節點是校車智能化系統硬件的基本單元，需要具備環境因子采集、數據處理、無線通信等功能。在具體應用下，此次設計的無線終端節點硬件設計重點考慮了低成本、低功耗、穩定、可靠等因素。三個終端節點分別安置在車頭，車尾和車門后內，用于定時啟動傳感器采集環境因子并將采集到的數據發動至網絡中心協調器，網絡中心協調器收集到三個終端節點采集的數據之后通過串口將三組數據逐一發送至協調器，三個ZigBee終端節點與協調器之間遵從ZigBee協議進行數據的傳輸；而協調器通過有線串口通信方式將數據打包發送至客戶端主機。

3.3 本地客戶端設計

客戶端主機作為監控的中心，將協調器節點接收到的數據通過有線串口發送到本地主機并將數據存儲到本地主機的后臺數據庫中和客戶端上顯示； 通過上位機軟件可以查看校車現在在地圖上的位置，并進行動態刷新，還將各個節點采集到的環境因子收集到上位機，并存入數據庫中。每次傳來一組數據調用相應函數，通過無線WiFi將數據發送至遠程服務器。本地存儲的數據和發送至遠程服務器的數據包括此時車內二氧化碳濃度，車內一氧化碳濃度，車內煙霧濃度和司機口中的酒精濃度。將獲取的數據通過Http協議發送至服務器，通過定時發送Http請求獲取服務器端的命令。

3.4 網站設計

本系統的網站子系統，后臺運用Java語言開發，采用SSH框架，實現用戶和專家的交互。具體功能有接收車載上位機數據、管理員對數據的查詢、通過車載攝像頭進行監控等功能。

車載上位機聯網登陸后，在每次接收數據時，不僅將數據存入本地數據庫，還自動將數據發往遠程服務器，存入服務器數據庫；管理員可以分司機ID按時間查詢所有校車的數據。

4 系統性能測試

4.1 無線傳感網絡性能測試

系統上電后，中心節點的ZigBee模塊作為協調器建立網絡，采集節點的ZigBee模塊作為終端節點搜索并加入網絡；網絡建立后，中心節點啟動一個定時器，輪流向各個采集節點發送指令，采集節點接收到指令后利用攜帶的傳感器采集數據并發送給中心節點，其余時刻采集節點處于休眠狀態。中心節點收到所有采集節點發送的數據后，將這些數據通過有線串口發送至車在上位機。

4.2 本地客戶端性能測試

啟動運行上位機軟件后即進入等待接收數據狀態，每來一組數據則調用相應事件接收數據，將數據存入本地數據庫以便農戶進行查詢并通過H t t p請求發送到遠程服務器端。通過調用軟件的WebBrouser可以調用服務器端的網頁并且在上位機軟件上顯示，從而使司機觀察到校車當前所在的位置。

4.3 網站性能測試

首先將網站部署到服務器上，再進行登陸操作測試，確定能夠正常登陸，網站管理員輸入錯誤的密碼和驗證碼無法登陸。

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的參數，并進行視頻監控。

5 結語

本項目將GPS系統、傳感器和車載上位機與車載WiFi進行融合，首次實現每接收到一組傳感器與GPS測得的數據，便通過車載WiFi發送至遠程服務器。并且在遠程服務器配置相應的數據庫和網站系統對所有的校車進行有序的管理。搭建了低成本，無距離限制的智能校車系統。