基于ZigBee和WiFi的智能校车

樊志文 胡华伟 李杰

【摘 要】在现有的校车的模式上，利用分布在车内的三个ZigBee终端节点控制传感器定时采样车内的环境参数，通过ZigBee协议传输到中心节点，并与GPS模块测得的经纬度信息一并发至车载上位机软件。上位机软件将接收到的数据和监控摄像头实时画面发至远程服务器进行统一管理，从而提高校车管理效率，简化校车系统的管理，提高校车的安全性。

【关键词】物联网 校车 安全性 远程管理

1 现有智能校车现状及存在的问题

现今我国对校车的管理还不够全面，并且由于一些突发事件可能会导致校车发生危险，从而危及到车内学生的安全。现今安装车载WiFi是现在比较流行的一种技术，故我们希望在现有校车的模式上添加各类传感器，GPS，监控摄像头采集车内信息，并利用物联网技术、数据库技术和Internet设计了一套基于ZigBee和GPS的校车监控系统。在硬件方面主要有烟雾传感器、一氧化碳传感器，酒精浓度传感器等传感器和ZigBee节点，单片机，摄像头，无线路由器和GPS组成。硬件可以定时采样数据并发送至车载客户端。软件方面主要有车载客户端、远程服务器和网站组成。每位司机都有一个ID号，并可以通过车载客户端查看车载的传感器设备所测得的参数，并通过车载WiFi将数据传送到远程服务器。校车系统管理人员还可以登录网站控制中心实现实时监控和系统的管理。

2 关键技术

2.1 ZigBee通信协议

Zigbee是一种新兴的短距离、低速率的无线网络技术，主要用于近距离无线连接。本次设计的无线传感网络的拓扑采用星型结构，其优点是结构简单易于连接电路。根据在网络中实现的功能不同，无线传感器节点分为终端节点、路由器节点、协调器节点3种类型。终端节点的主要功能是完成数据的采集，路由器节点除了具备数据采集的功能外还具备路由的功能；协调器节点主要完成传感器网络的数据汇聚功能。系统工作时，终端节点完成数据采集并传递给路由节点，由路由节点进行数据处理并沿动态路由将数据转发到协调器节点，最终协调器节点通过串口将数据汇总并发送到上位机。在节点软件设计中，通过调用ZigBee协议栈提供的API函数完成网络管理层的设备初始化、配置网络、初始网络、实现分布在校车中的传感器节点的自组网络。

2.2 S2SH网站框架

S2SH在J2EE项目中表示了3种框架，即Struts2+ Spring +Hibernate。 Struts2对Model，View和Controller都提供了对应的组件。Spring是一个轻量级的控制反转（IoC）和面向切面（AOP）的容器框架，它由Rod Johnson创建。它是为了解决企业应用开发的复杂性而创建的。Spring使用基本的JavaBean来完成以前只可能由EJB完成的事情。 Hibernate是一个开放源代码的对象关系映射框架，它对JDBC进行了非常轻量级的对象封装，可以应用在任何使用JDBC的场合，可以在Servlet/JSP的Web应用中使用，也可以在应用EJB的J2EE架构中取代CMP，完成数据持久化的重任。

3 系统总体设计

3.1 系统设计思路

针对系统控制的需求，考虑到系统内人员流动信号干扰等，综合考虑校车动态信息的采集处理与传输以及通信的可靠性，实现环境参数无死角、无盲采集和传送，实现对控制对象的精确无误的调节控制，并针对用户群体设计一个易操作、简单明了的应用服务端。本系统由三个终端节点，一个网络中心协调器，客户端主机以及网站这四部分组成。

3.2无线传感器节点硬件设计

ZigBee终端节点是校车智能化系统硬件的基本单元，需要具备环境因子采集、数据处理、无线通信等功能。在具体应用下，此次设计的无线终端节点硬件设计重点考虑了低成本、低功耗、稳定、可靠等因素。三个终端节点分别安置在车头，车尾和车门后内，用于定时启动传感器采集环境因子并将采集到的数据发动至网络中心协调器，网络中心协调器收集到三个终端节点采集的数据之后通过串口将三组数据逐一发送至协调器， 三个ZigBee终端节点与协调器之间遵从ZigBee协议进行数据的传输；而协调器通过有线串口通信方式将数据打包发送至客户端主机。

3.3本地客户端设计

客户端主机作为监控的中心，将协调器节点接收到的数据通过有线串口发送到本地主机并将数据存储到本地主机的后台数据库中和客户端上显示； 通过上位机软件可以查看校车现在在地图上的位置，并进行动态刷新，还将各个节点采集到的环境因子收集到上位机，并存入数据库中。每次传来一组数据调用相应函数，通过无线WiFi将数据发送至远程服务器。本地存储的数据和发送至远程服务器的数据包括此时车内二氧化碳浓度，车内一氧化碳浓度，车内烟雾浓度和司机口中的酒精浓度。将获取的数据通过Http协议发送至服务器，通过定时发送Http请求获取服务器端的命令。

3.4网站设计

本系统的网站子系统，后台运用Java语言开发，采用SSH框架，实现用户和专家的交互。具体功能有接收车载上位机数据、管理员对数据的查询、通过车载摄像头进行监控等功能。

车载上位机联网登陆后，在每次接收数据时，不仅将数据存入本地数据库，还自动将数据发往远程服务器，存入服务器数据库；管理员可以分司机ID按时间查询所有校车的数据。

4 系统性能测试

4.1 无线传感网络性能测试

系统上电后，中心节点的ZigBee模块作为协调器建立网络，采集节点的ZigBee模块作为终端节点搜索并加入网络；网络建立后，中心节点启动一个定时器，轮流向各个采集节点发送指令，采集节点接收到指令后利用携带的传感器采集数据并发送给中心节点，其余时刻采集节点处于休眠状态。中心节点收到所有采集节点发送的数据后，将这些数据通过有线串口发送至车在上位机。

4.2本地客户端性能测试

启动运行上位机软件后即进入等待接收数据状态，每来一组数据则调用相应事件接收数据，将数据存入本地数据库以便农户进行查询并通过Http请求发送到远程服务器端。通过调用软件的WebBrouser可以调用服务器端的网页并且在上位机软件上显示，从而使司机观察到校车当前所在的位置。

4.3 网站性能测试

首先将网站部署到服务器上，再进行登陆操作测试，确定能够正常登陆，网站管理员输入错误的密码和验证码无法登陆。

由管理员登录之后，首先显示的是自己所管辖校车列表，并可以查看指定的校车内的参数，并进行视频监控。

5 结语

本项目将GPS系统、传感器和车载上位机与车载WiFi进行融合，首次实现每接收到一组传感器与GPS测得的数据，便通过车载WiFi发送至远程服务器。并且在远程服务器配置相应的数据库和网站系统对所有的校车进行有序的管理。搭建了低成本，无距离限制的智能校车系统。