基于物联网技术的校车智能监控系统设计

引 言

校车是用于运送学生往返学校的交通工具。但近年来， 国内校车的安全事故频发，如幼儿园校车重大交通事故、校车坠江重大事故、幼儿遗忘在校车被闷死事故等，校车安全事故造成的学生重大伤亡事件给家庭和社会带来了巨大的不良影响。校车事故的频繁发生正向社会敲响了生命的警钟，也引发了社会各界对“校车安全”的广泛关注。如何有效的对学校的校车进行安全管理，规范校车的使用和操作，减少校车安全事故已经成为当前社会迫切需要解决的问题。政府近来为保障校车运行安全而出台了一系列政策法规。但总体来看，政府部门从制度和政策层面探讨的比较多，规则制度属于“软约束”，在执行时容易违背。在科技飞速发展的今天，我们应采用先进的技术手段等“硬约束”为校车的安全管理提供强有力的保障。

物联网是指将物体通过RFID、GPS 及各种传感器等现代通信技术，按照约定的通信协议及接口，实现设备的全面互联，从而实现智能识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。因此利用物联网技术中的RFID 技术、GPS 或北斗定位系统、地理信息系统、先进的网络技术，可实现对现有运行校车的机械性能、电气性能，行驶路线、乘车学生信息等实施实时监控， 从而为校车的安全管理提供及时准确的基础信息。为校车的紧急救援、安全预警、及时调度提供可靠的技术保障。因此可以有效减少和避免校车事故的发生，保证乘车学生的安全。

1 国内外研究现状分析

从上世纪 70 年代初开始，一些发达国家就开始研究稳定可靠的校车监控系统。随着技术的发展，特别是计算机技术、全球定位系统、现代通信技术的快速发展，校车监控系统近年来取得了极大的进步，尤其是当GPS 和嵌入式微型芯片应用到车辆监控系统时，使车辆监控系统实现了前所未有的变化。比较有代表性的包括美国 Wi-Sys 通信公司的WS8161 监控系统，这套监控系统可以实现自动开启紧急警报、自动生成校车运行状态报告、实时监控校车中学生的各种状态、实时记录校车的各种状态等功能。

我国校车监控系统的研究起步比较晚，但近年来，我国校车监控系统发展迅速。里唯、海格、大华等企业开发了相应的校车监控系统。这些校车监控系统大概可以分为以下几类：

(1) 利用 GSM和GPS技术的车载监控系统；

(2) 利用GPRS技术的监控系统解决方案；

(3) 开发基于 3G/4G通信网络的监控系统。

这些监控方案主要以视频监控和车辆定位为主，缺少很多保证校车安全的信息收集，并不能对校车的运行状态进行较全面的监控。相比较而言，本系统以校车车载信息监控与服务为切入点，利用现有的物联网技术将校车与后台监控系统进行实时连接，因此实现了在监控平台对校车各种电气机械信息以及车内静、动态信息的实时提取和充分利用。依靠现有的GPS 或者北斗导航系统的定位功能，监控管理系统可在地图上随时获知车辆所在位置和车辆的行车路线 ；通过 3G、WiFi 网络，可实现远程监控等远程管理 ；通过监控系统，能够实时掌握校车运行的地理位置信息、运行状态信息，给学生提供更安全更优质的服务，有效杜绝了校车运行中存在的安全隐患，强化了校车的监管。

2 系统总体设计

校车安全智能监控系统是由车载终端子系统、校车安全监控管理终端子系统两部分组成。系统设计方案如图 1 所示。

校车安全管理系统各平台内部以及平台间的主要数据有：

(1) 车辆的 GPS数据，在此基础上可算出车速、运行轨迹；

(2) 乘车人员的RFID信息，通过RFID信息管理可以实时了解校车内的乘车人数，掌握每个乘车人员的基本信息；

(3) 校车运行时的各种机械及电气信息，通过将这些数据和正常时的车辆参数进行对比，来判别校车的运行状况， 并对异常情况及时提醒；

(4) 校车内的视频信息，主要包括车内的人员状态情况， 驾驶人员及校车上工作人员的工作信息，学生在各站点的上下车信息以及家长接送小孩的信息等；

(5) 地理信息、交通状况、文本信息、监管指令等。

3 车载终端的硬件架构设计

根据当前国内外车载终端的现状及不足，研究基于 CAN 网络、GPS 定位模块、2G/3G 通信模块、RFID 无线射频模块、USB 视频模块、基于ARM 的高性能处理器的车载网络信息终端，并在此基础上开发校车安全智能监控终端系统硬件整体架构，车载终端硬件架构如图 2 所示。

4 校车车载终端子系统的软硬件设计

校车车载终端子系统主要包括 GPS 定位模块设计、RFID 无线射频识别模块设计、音视频模块接口模块设计、CAN 总线接口模块、3G 无线传输接口模块设计、存储模块设计、提醒及报警模块设计、电源模块设计以及基于 ARM9 的控制平台等。本设计采用实时性高的ARM9 处理器芯片作为控制器的核心，可以满足车载终端各个基本功能的需求。车载终端子系统是校车安全运行管理系统中的最基本部分，车载终端子系统既能传输重要的实时监控信息，还可以实时接受后台管理系统的控制。从而保障车载终端系统的可靠运行， 为了操作方便，将车载终端子系统集成为一个整体可操控平台。车载平台主要集成的设备如图 3 所示。

(1) RFID无线射频模块 ：车载 RFID读取器通过学生携带的身份识别卡自动获得准确的上下车人数 ；读取驾驶员和校车工作人员的身份信息 ；家长在上学放学接送小孩时，系统可以远距离读取家长持有的RFID卡上的身份信息，通过该系统语音提示的方式让驾驶员、工作人员获得学生家长的基本信息，从而避免误接误送。校车内的学生数量在显示屏上进行实时显示。

(2) GPS模块 ：该模块可以提供校车运行时的实时位置信息和路径信息，并且可以实时传送给后台管理系统。

(3) 音视频监控模块 ：该模块利用装在校车内的多个高清摄像头和拾音器进行视频采集、存储，采集的音视频信息可以通过现代通信网络发送到后台管理中心。

(4) 报警系统 ：当校车存在各种机械故障、电气故障时可以实时自动提醒 ；遇特殊情况如发生火灾时自动报警 ；报警系统中设置有手动报警模块，工作人员也可以通过手动报警模块发送报警信息。

(5) 车辆机械电气信息读取设备 ：通过读取车辆机械电气信息，监控系统可以掌握校车的实时运行状况，并预警校车的机械电气故障，保障校车的安全运行。

(6) 无线通信装置 ：利用现有的高速通信网络，保证校车内终端系统采集的各种信息的传递，及终端与后台管理系统的信息传递。

(7) 存储设备，校车监控信息等将会存储在存储设备中保持一段时间，以供随时调取拷贝到监控服务器中。

5 后台监控管理系统的软件设计

后台监控管理系统包括车载终端单元所上传数据的接收、分析、存储，人机交互与操作界面的设计，系统数据库的构建，电子地图（GIS）等。后台监控系统能实现行驶汽车的定位、行驶状态显示、车内状况的视频和音频监控、报警、调度、历史轨迹查询和回放、人数统计等功能。

校车监控管理平台主要完成对校车的日常管理工作并将校车运行数据实时上传给监控管理平台。通过后台管理监控系统，监管人员可以方便地掌握所监控校车的实时乘车学生数、车内视频信息、驾驶车速等信息 ；同时后台监控管理系统利用GIS 电子地图、可以准确掌握校车的行驶线路。学校管理平台的主要功能有：

(1) 车辆 GPS定位跟踪

接收车载 GPS 发送来的地理坐标信息定位、跟踪校车。通过系统内的GIS 地理信息系统，可以将校车的运行轨迹信息在子地图中显示出来。后台监管人员能够通过该功能掌握校车的运行位置、运行速度及行驶路线等。可以确保校车按照预先设定的行驶路线运行，从而避免校车超速运行、驾驶员私自改变运行线路等情况的发生。

(2) 文本信息收发

该功能可以在校车和后台管理系统之间传输文本信息， 在需要提醒驾驶员时通过发送警告信息，交通信息来提醒驾驶员超速，也能够传输一些临时消息、通知等消息，比如天气情况、路况情况及其他异常情况等。

(3) RFID信息管理

包括各种RFID 卡的发放、数据录入、更新等情况。此功能是该校车安全管理系统中最重要的功能之一，能够很好地体现物联网技术在校车安全管理中的应用。此功能模块还具有一个非常重要的功能就是能够获取校车上的实际人数， 防止超载。同时还可以利用这些RFID 信息实现各种管理服务功能。

(4) 系统维护

系统维护部分主要实现基本信息录入、用户权限管理、数据统计、分析等功能。

6 结 语

该系统将物联网技术应用在校车监控系统中，由于有效利用了物联网技术及智能技术，本校车安全智能监控系统可以在校车、运营学校、监管部门、学生家长之间进行可靠、稳定、实时的信息采集和数据传递，进而实现校车的实时监控、管理和预警。