基于物联网的报警系统设计

闫海英, 靳 勇, 王晓喃

(常熟理工学院 计算机科学与工程学院，江苏 常熟 215500)

·实验室环境与安全·

基于物联网的报警系统设计

闫海英, 靳 勇, 王晓喃

(常熟理工学院 计算机科学与工程学院，江苏 常熟 215500)

针对校车安全问题多发现象，在分析其原因的基础上，指出了目前校车安全系统的不足，设计了一种基于物联网的校车安全报警系统。该系统主要由传感器、协调器、报警主机、声光报警、屏幕显示、控制设备、短信服务器及数据库服务器8个组成部分构成，并通过ZigBee无线传感网络进行数据采集，利用RS-232总线将数据上传报警主机处理，利用GPRS无线通信技术将数据上传数据库服务器储存及进行短信报警。通过实验测试，该系统安装维护简单、扩展性强、成本低，能为校车的安全运行提供良好的保障。

物联网； 校车； 报警； ZigBee； GPRS

0 引 言

随着我国城镇化程度越来越高，学生乘坐校车上下学越来越普遍，校车的安全问题也日益凸显出来。近年来，虽然国家制定出台了一系列的相关措施用来保障它的安全运行，但校车的安全事故还是屡屡发生。

物联网技术是继计算机、互联网与移动通信网之后的又一次信息产业的革命,在很多领域都得到了广泛的应用[1-6]，并取得了良好的应用效果。利用物联网技术保障校车安全运行也是可行的，并且具有重要的社会价值。

1 目前校车安全存在的问题分析

通过对历年来校车的事故原因进行分析后发现，导致校车事故的原因主要表现在以下4个方面[7]：

(1) 校车自身故障。比如汽车制动无效、侧滑、制动距离长、方向跑偏等；

(2) 校车违规使用。比如超载、超速、违规行驶等；

(3) 校车驾驶员因素。比如疲劳驾驶、饮酒后驾驶、驾驶过程中突发疾病等；

(4) 学生因素。比如学生私自离开座位、未系安全带等。

为了保障校车安全运行，一些学者和专家都做了很多相关的研究，并取得了一定的有益成果。如：在车内安装摄像头监控车厢内部情况，安装定位系统识别校车运行位置，利用射频标签技术统计学生人数等[8-10]。这些研究成果具有重要的应用价值和实际意义，但这些成果还存在一些不足之处，主要有：①监控的参数比较单一，不能较全面地辅助校车安全行驶；②监控的目的主要是为事故发生后调查原因提供信息的被动报警上，并不能根据校车的实际运行情况进行实时的主动报警；③该系统采用的基本都是有线组网方式，布线复杂、扩展性差、成本高等。

2 系统总体方案

结合校车安全运行存在的问题及监测需求，提出一种利用物理网技术实时监测校车多项参数，比如：行驶速度、运输载重、驾驶员连续驾车时间、驾驶员是否饮酒、是否有学生离开座位、学生是否未系安全带等，并通过将实时监测的数据与预先设定的阈值进行比较从而进行实时报警的方案。该方案主要包括8个组成部分，分别是传感器、协调器、报警主机、声光报警、屏幕显示、控制设备、短信服务器及数据库服务器。

系统通过安装在校车上的各类传感器实时采集校车、驾驶员及学生的状态数据，经无线传感网络，汇总到协调器，协调器将各个传感器节点的数据汇集上传给报警主机，报警主机对接收到的数据进行处理，若检测到有超过预先设定的阈值的数据则执行蜂鸣器和指示灯报警，然后在监控屏幕上显示故障信息，提醒驾驶员进行故障处理，并启动控制设备发送控制命令采取措施处理故障，利用短信服务器发送报警短信到校车管理中心人员、学校管理人员及学生家长的手机上，同时将故障数据通过网络上传到远程校车管理中心的数据库服务器上储存。系统总体设计结构见图1所示。

3 系统设计

无线传感网络(WSN)是物联网的重要组成部分，主要负责监测采集实时数据，目前能应用于WSN的通信技术主要有5种[11]，分别是: UWB技术、NFC技术、WiFi技术、Bluetooth技术以及ZigBee技术。其中ZigBee技术具备功耗低、成本低、速率低、距离近、时延短、安全性高、容量高、免执照频段等特点。另外本系统的监测区域主要是校车内部，按照国家相关法规规定，校车车身长度范围一般限制在5～12 m范围内。所以在本系统的开发过程中，数据采集部分选择使用ZigBee无线传感网络来实现。

图1 系统总体设计结构图

GPRS是通用分组无线技术的简称，它是基于全球移动通信系统(GSM)基础上发展起来的，是移动业务与分组业务相结合的产品，具备使用费用低、数据传输速率高、接入延时短等特点，同时它还能提供端到端的、广域的无线IP连接[12]。所以在本系统中，数据上传远程数据库服务器及短信报警部分选择使用GPRS网络来实现。

3.1 硬件设计

在本系统中，协调器节点的功能主要是利用ZigBee无线传感网络接收终端节点采集的数据，利用RS-232总线与报警主机相连，将终端节点采集的数据上传给报警主机处理。

从缩减系统的成本、降低功耗角度出发，本系统中协调器节点的无线通信模块采用了CC2430。CC2430是Chipcon公司推出的用来实现嵌入式ZigBee应用的单片射频收发器，它仅需极少的外围元件即可构成ZigBee传感器节点，具备集成度高、成本低、功耗低等特点，符合系统的需求[13-14]。

另外，在系统中，协调器节点是通过RS-232[15]串口与上位机相连，所以需要再增加一个MAX232转换芯片，来实现RS-232标准电平和TTL电平的相互转换。

在协调器节点中，由于CC2430一直处于工作状态，为了确保ZigBee网络运行正常，所以其最好有持续电源供电，本系统设计利用外接直流电源持续为其供电。协调器的硬件结构图见图2。

3.2 软件设计

协调器节点上电后，首先进行初始化组建ZigBee网络，然后从终端传感器节点接收数据，并通过串口将数据上传给报警主机处理。协调器节点的软件流程图见图3。

图2 协调器的硬件结构图

图3 协调器节点软件流程图

4 系统测试

为了测试系统性能，我们以测试驾驶员是否酒驾为例进行功能验证。根据国家道路交通安全法规定：驾驶员血液中酒精浓度每100 mL若≥80 mg，则属于醉酒驾驶；若<80 mg≥20 mg，则属于酒驾范畴。

在测试过程中，我们使用MQ-3作为酒精浓度探测传感器，分别利用本系统和警用酒精检测仪两种方式进行酒精浓度对比测试。选取10个人进行测试，在测试前分别让他们饮用了不同浓度的酒制品，如黄酒、红酒、啤酒或白酒，每个人在饮酒后20、30、40、50、60 min时利用两种不同的方式进行酒精检测各1次。根据上述测试方式，得到系统检测酒驾的成功率见图4。

通过以上测试可知，基于物联网的校车安全报警系统性能稳定，可靠性较高，达到了保障校车安全运行的需求。

5 结 语

利用CC2430芯片、ZigBee无线传感网络及GPRS无线通信技术设计了基于物联网的校车安全报警系统。该系统能实时监测校车的运行状态、驾驶员的驾驶状态、学生的乘车状态，如果监测参数的实时数据超过了预先设置的阈值范围，系统则及时采取相应控制措施，并进行声光报警、屏幕显示报警信息、发送短信报警等。该系统具备成本低、安装维护方便、容易扩展、灵活性强等优点，满足了校车安全运行的监控需求，具有良好的市场应用和推广价值。

图4 系统测试结果图

[1] 许玉枝,姜莉莉,张 胜.物联网技术平台在车间作业调度中的应用[J].计算机测量与控制,2012,20(6):1686-1688.

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[3] 卢书海,刘 帅,李建军,等.物联网关键技术及其在林业中的应用[J].中南林业科技大学学报,2012,32(11):181-185.

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[5] 冯巧娟,王春丽.危重病人的物联网智能监护系统设计与实现[J].计算机测量与控制,2014,22(2):431-445.

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[11] 高守伟,吴灿阳.ZigBee技术实践教程[M].北京:北京航空航天大学出版社,2009:20-22.

[12] 百度百科.GPRS[EB/OL].http://baike.baidu.com.

[13] 郭渊博,杨奎武,赵 俭,等.ZigBee技术与应用-CC2430设计、开发与实践[M].北京:国防工业出版社,2010:207-209.

[14] 李伟跃.基于CC2430的无线传感网络中协调器的设计[J].电子设计工程,2011,19(20):133-135.

[15] 习海旭,张 杰,时国龙，等.基于GPRS的嵌入式无线控制自动检测系统[J].实验室研究与探索,2012,31(7):105-108.

Design of Alarm System Based on the Internet of Things

YANHai-ying,JINYong,WANGXiao-nan

(School of Computer Science and Technology, Changshu Institute of Technology, Changshu 215500, Jiangsu, China)

According to the multiple phenomenon of school bus safety problem, based on the analysis of its causes, the paper points out the deficiency of current school bus safety system, and designs a school bus safety alarm system based on the Internet of Things. The system mainly consists of eight components, i.e., sensors, coordinator, alarm host, sound and light alarm, screen display, control equipment, short message server and database server, and collects data through the ZigBee wireless sensor network, uploads data to alarm host by using RS-232 bus, uploads data to database server for saving and sends SMS alarm by using GPRS wireless communication technology. Through the experimental test, the system has the advantages of simple installation and maintenance, strong expansibility, low cost, can provide a good guarantee for the safety operation of the school bus.

internet of things； school buses； alarm； ZigBee； GPRS

2016-04-15

国家自然科学基金(61202440)；常熟市科技局科技支撑计划(社会发展部分)项目(cs201413)；江苏省大学生创新项目(201510333034Y)

闫海英(1978-)，女，江苏连云港人，硕士，讲师，主要研究方向为物联网技术、计算机应用。

Tel.：18913665887；E-mail：yhyingok@163.com

TP 393

A

1006-7167(2017)01-0280-03