基于物聯網的校車安全監控系統

路 康，張繼保，鄭爭兵

（陜西理工大學 物理與電信工程學院，陜西 漢中 723000）

0 引 言

近年來，幼兒園以及小學校車在我國許多地區投入運行，這些校車的投入極大地方便了學生上學。但隨著大量校車的投入，它的危險系數相對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據統計結果中就可以看到，校車的交通事故時有發生，并且會引起傷亡。無論是家長還是學校都要對校車的安全系統引起足夠的重視，故利用物聯網技術設計一種有效的校車安全監控系統是非常有必要的。

目前市面上主流的一些校車安全監控系統功能太過局限，基本上都是一些車載定位系統和網絡監控系統[3-4]。這些系統主要都是以采集車輛的位置信息為主，缺少對乘車人員信息的采集和分析。為了彌補現存缺陷，本文采用RFID技術解決了人員信息采集的問題，并通過GSM模塊進行實時短信通知，讓家長隨時隨地清楚孩子的動向，同時采用OneNET云平臺技術解決了校車位置信息的遠程監控問題。

1 系統的硬件設計

本設計采用了兩個STM32主控、2.8寸觸摸顯示屏、RFID、SIM900A通信、WiFi、OneNET云平臺、GPS和電源等模塊。該系統的主要功能是在學生上下車刷卡的時候，通過RFID讀寫模塊將學生IC卡的信息進行解讀分析；再經過控制模塊分析處理之后，判斷對應學生的信息；然后通過GSM模塊將實時信息發送給對應學生的家長；同時，控制模塊二通過GPS定位解析出對應學生的地理位置并通過紅外溫度模塊采集學生的體溫信息，使用WiFi模塊將數據打包發送給OneNET云平臺。本系統的硬件設計框圖如圖1所示。

圖1 系統硬件設計框圖

1.1 SIM900A模塊

如圖2所示，本設計采用SIM900A模塊來實現中文短信的發送功能。該模塊不僅具備短信收發的功能，同時還擁有語音測試功能和GPRS無線傳輸數據的功能[5-6]。SIM900A是一款基于移動的2G GSM短消息收發平臺和GPRS數據業務平臺，同樣它也支持一些3G/4G手機卡的使用。該模塊在本系統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模塊發送AT控制指令完成整個操作。SIM900A模塊與單片機連接電路如圖3所示。

圖2 SIM900A模塊實物圖

圖3 SIM900A與STM32硬件連接圖

1.2 WiFi模塊

本設計中采用的WiFi模塊是ESP8266，該模塊集成了完整的TCP/IP協議棧、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透傳模塊，且成本低、使用方便[7-8]，在業內具有很強的競爭力，是專門為物聯網和移動設備應用而設計的。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備連接的同時作為路由器發出熱點，即可以通過互聯網控制實現無縫切換[4]。

WiFi模塊可以讓硬件聯網，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

本設計中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據（IC卡的物理地址）發送到控制模塊一中并進行處理，處理后再做出對應的響應。該模塊實物圖如圖5所示。控制模塊一與RFID讀寫模塊的連接關系如圖6所示。

圖5 RFID模塊實物圖

圖6 RFID模塊和STM32連接圖

1.4 GPS定位模塊

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

圖7 GPS模塊實物圖

該ATK-S1216F8-BD GPS定位模塊預留的對外接口是USRAT串口，這樣方便其與任何單片機連接。此模塊在本設計中的連接關系如圖8所示。

圖8 GPS與STM32連接圖

2 系統軟件的設計

本系統使用了兩個控制模塊，故系統程序設計分為兩個模塊。

控制模塊一負責身份辨別以及短信發送。該部分將RFID讀寫器和GSM短信發送模塊相結合。首先通過RFID讀寫模塊將學生上下車刷卡時的信息數據讀取出來，然后控制模塊一再將讀取到的信息從對應的緩存區中拿出來進行相應的對比辨別，判斷出是哪位同學的信息，隨即將短信發送給相應同學的家長。具體程序的設計流程如圖9所示。

圖9 控制模塊一程序流程

控制模塊二負責GPS定位、WiFi連接以及OneNET云平臺程序設計。該部分的程序設計主要針對的是車輛定位、溫度采集以及上傳信息至OneNET云平臺供遠程監控。首先控制模塊二將GPS北斗定位模塊的信息進行分析，得到所需要的經緯度信息；然后再通過WiFi模塊發送AT指令使其與OneNET云平臺實現遠程對接；最后利用EDP協議將要上傳的信息進行打包處理并發送到云平臺供遠程監控使用。具體程序的設計流程如圖10所示。

圖10 控制模塊二程序流程

3 系統的調試及測試

系統調試主要測試系統中的模塊是否能夠正常工作、是否出現問題或者錯誤的數據、系統所要求的功能是否都能按要求穩定地實現。由于本系統的設計主要由兩部分組成，因此系統整體調試的過程主要分兩部分完成。

第一部分測試：測試RFID的讀取是否成功，能否實現刷卡人數的統計。測試結果如圖11所示。

圖11 RFID讀取統計人數功能測試

第二部分測試：

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

（2）測試遠程監控時學生人數信息以及學生的體溫是否能夠上傳到OneNET云平臺。OneNET云平臺遠程監控應用界面顯示如圖12所示。由圖12可以看出，OneNET云平臺界面可以實現遠程監控校車位置信息的功能；并且在學生刷卡時，學生的人數信息和學生體溫信息能夠實時上傳。經過以上測試，該部分功能運行正常。

圖12 OneNET云平臺遠程監控測試圖

4 結 語

本文設計了一款基于物聯網的校車安全監控系統。利用物聯網技術和嵌入式技術，通過RFID模塊讀取上車學生的IC卡信息，經過控制模塊一分析比對后將中文短信發送到對應學生家長的手機上。在刷卡成功和短信發送成功后將自動統計刷卡人數。控制模塊二通過紅外測溫模塊對乘車人員的體溫進行無接觸式測量以確認乘車人員的健康，符合當前疫情防控需要。通過GPS模塊對校車的運行位置軌跡以及車速進行監控；同時使用WiFi模塊連接OneNET云平臺，通過EDP協議打包發送數據，實現用戶以及管理人員通過云平臺遠程實時監控校車信息的功能。本系統滿足了校車人員信息采集以及車輛運行狀態監控的要求，結構簡單、成本較低，具有一定的應用參考價值。