基于物联网的校车安全监控系统
2021-11-22张继保郑争兵
路 康，张继保，郑争兵
（陕西理工大学 物理与电信工程学院，陕西 汉中 723000）
0 引 言
近年来，幼儿园以及小学校车在我国许多地区投入运行，这些校车的投入极大地方便了学生上学。但随着大量校车的投入，它的危险系数相对于其他的出行方式要高出许多[1-2]。从近些年校车的安全数据统计结果中就可以看到，校车的交通事故时有发生，并且会引起伤亡。无论是家长还是学校都要对校车的安全系统引起足够的重视，故利用物联网技术设计一种有效的校车安全监控系统是非常有必要的。
目前市面上主流的一些校车安全监控系统功能太过局限，基本上都是一些车载定位系统和网络监控系统[3-4]。这些系统主要都是以采集车辆的位置信息为主，缺少对乘车人员信息的采集和分析。为了弥补现存缺陷，本文采用RFID技术解决了人员信息采集的问题，并通过GSM模块进行实时短信通知，让家长随时随地清楚孩子的动向，同时采用OneNET云平台技术解决了校车位置信息的远程监控问题。
1 系统的硬件设计
本设计采用了两个STM32主控、2.8寸触摸显示屏、RFID、SIM900A通信、WiFi、OneNET云平台、GPS和电源等模块。该系统的主要功能是在学生上下车刷卡的时候，通过RFID读写模块将学生IC卡的信息进行解读分析；再经过控制模块分析处理之后，判断对应学生的信息；然后通过GSM模块将实时信息发送给对应学生的家长；同时，控制模块二通过GPS定位解析出对应学生的地理位置并通过红外温度模块采集学生的体温信息，使用WiFi模块将数据打包发送给OneNET云平台。本系统的硬件设计框图如图1所示。
图1 系统硬件设计框图
1.1 SIM900A模块
如图2所示，本设计采用SIM900A模块来实现中文短信的发送功能。该模块不仅具备短信收发的功能，同时还拥有语音测试功能和GPRS无线传输数据的功能[5-6]。SIM900A是一款基于移动的2G GSM短消息收发平台和GPRS数据业务平台，同样它也支持一些3G/4G手机卡的使用。该模块在本系统中与控制模块一通过串口三相连接，判断完成后控制模块一使用串口三向GSM模块发送AT控制指令完成整个操作。SIM900A模块与单片机连接电路如图3所示。
图2 SIM900A模块实物图
图3 SIM900A与STM32硬件连接图
1.2 WiFi模块
本设计中采用的WiFi模块是ESP8266，该模块集成了完整的TCP/IP协议栈、MCU，并增加了一些外围电路、串口等。这是一款超低功耗的UART-WiFi透传模块，且成本低、使用方便[7-8]，在业内具有很强的竞争力，是专门为物联网和移动设备应用而设计的。ESP8266模块有多种工作模式，即Station模式、AP模式、Station+AP模式（混合模式）。在Station+AP模式下，ESP8266模块可以在与其他路由设备连接的同时作为路由器发出热点，即可以通过互联网控制实现无缝切换[4]。
WiFi模块可以让硬件联网，即使用串口配置，将串口的波特率和WiFi模块的波特率配置一样后，通过串口发送AT指令配置WiFi模块即可。WiFi模块连接电路如图4所示。
图4 WiFi模块连接电路图
1.3 RFID读写模块
本设计中RFID读写模块选择的是13.56 MHz高频读写模块，它本身带有CPU控制，不需要二次编程，即用串口将读到的数据（IC卡的物理地址）发送到控制模块一中并进行处理，处理后再做出对应的响应。该模块实物图如图5所示。控制模块一与RFID读写模块的连接关系如图6所示。
图5 RFID模块实物图
图6 RFID模块和STM32连接图
1.4 GPS定位模块
本系统中的ATK-S1216F8-BD GPS定位模块兼容性很好，3.3 V/5 V的电平皆可驱动GPS模块，方便使用并且模块本身具有天线接口。在使用时，先将模块预留的IPX天线接口与天线连接好，模块可以放在室内操作，天线放在户外，以避免信号的影响，这样就完成了室内定位[9-10]。该模块功能丰富，不仅能解析出当前的经纬度信息，还可以解析出海拔信息、速度信息以及卫星信息。其模块的实物图如图7所示。
图7 GPS模块实物图
该ATK-S1216F8-BD GPS定位模块预留的对外接口是USRAT串口，这样方便其与任何单片机连接。此模块在本设计中的连接关系如图8所示。
图8 GPS与STM32连接图
2 系统软件的设计
本系统使用了两个控制模块，故系统程序设计分为两个模块。
控制模块一负责身份辨别以及短信发送。该部分将RFID读写器和GSM短信发送模块相结合。首先通过RFID读写模块将学生上下车刷卡时的信息数据读取出来，然后控制模块一再将读取到的信息从对应的缓存区中拿出来进行相应的对比辨别，判断出是哪位同学的信息，随即将短信发送给相应同学的家长。具体程序的设计流程如图9所示。
图9 控制模块一程序流程
控制模块二负责GPS定位、WiFi连接以及OneNET云平台程序设计。该部分的程序设计主要针对的是车辆定位、温度采集以及上传信息至OneNET云平台供远程监控。首先控制模块二将GPS北斗定位模块的信息进行分析，得到所需要的经纬度信息；然后再通过WiFi模块发送AT指令使其与OneNET云平台实现远程对接；最后利用EDP协议将要上传的信息进行打包处理并发送到云平台供远程监控使用。具体程序的设计流程如图10所示。
图10 控制模块二程序流程
3 系统的调试及测试
系统调试主要测试系统中的模块是否能够正常工作、是否出现问题或者错误的数据、系统所要求的功能是否都能按要求稳定地实现。由于本系统的设计主要由两部分组成，因此系统整体调试的过程主要分两部分完成。
第一部分测试：测试RFID的读取是否成功，能否实现刷卡人数的统计。测试结果如图11所示。
图11 RFID读取统计人数功能测试
第二部分测试：
（1）测试GPS模块的经纬度信息解析是否正确、WiFi是否可以连接到OneNET云平台。通过串口打印测试来判断经纬度信息是否正确、WiFi模块的配置过程是否成功接入OneNET云平台。经过测试，该部分功能运行正常。
（2）测试远程监控时学生人数信息以及学生的体温是否能够上传到OneNET云平台。OneNET云平台远程监控应用界面显示如图12所示。由图12可以看出，OneNET云平台界面可以实现远程监控校车位置信息的功能；并且在学生刷卡时，学生的人数信息和学生体温信息能够实时上传。经过以上测试，该部分功能运行正常。
图12 OneNET云平台远程监控测试图
4 结 语
本文设计了一款基于物联网的校车安全监控系统。利用物联网技术和嵌入式技术，通过RFID模块读取上车学生的IC卡信息，经过控制模块一分析比对后将中文短信发送到对应学生家长的手机上。在刷卡成功和短信发送成功后将自动统计刷卡人数。控制模块二通过红外测温模块对乘车人员的体温进行无接触式测量以确认乘车人员的健康，符合当前疫情防控需要。通过GPS模块对校车的运行位置轨迹以及车速进行监控；同时使用WiFi模块连接OneNET云平台，通过EDP协议打包发送数据，实现用户以及管理人员通过云平台远程实时监控校车信息的功能。本系统满足了校车人员信息采集以及车辆运行状态监控的要求，结构简单、成本较低，具有一定的应用参考价值。
