基于3G网络的校车安全信息综合系统

李 丹，孟 磊，罗 杰

(1.武汉理工大学自动化学院，湖北 武汉 430070;2.武汉理工大学信息工程学院，湖北 武汉 430070)

由于车辆质量、超载、超速和缺乏有效监管手段等原因造成的校车安全问题已成为社会广泛关注的热点。近日，国务院颁布了《校车安全管理条例》和《校车安全技术条件》国家标准，从校车的硬件配置、车体结构与强度、电气性能、驾驶人和服务管理等角度提出了明确的要求，规定了校车应按核定线路行驶，配备卫星定位装置，严禁超速超载，对校车的行驶安全管理提出了更高的要求。

车辆的主动、被动安全性能和驾驶员行为是影响校车安全的主要因素[1－2]。通过采集校车运行过程中的故障信息、信号装置等安全附件系统的工作状态、车速、载重、行驶里程、驾驶习惯[3－4]和地理位置等车辆安全信息，并辅助相应的监管手段，可以提高校车安全运营的水平。

笔者根据《校车安全管理条例》和《校车安全技术条件》研究校车行驶安全信息的采集、传输和管理问题，对运营校车的安全进行监控。

1 系统的组成与结构

汽车行驶安全管理包括驾驶员对车辆运行参数的实时掌控及远程监管人员对驾驶员驾驶行为的监控。为了有效监控校车工作状态和驾驶行为，需要将校车安全参数信息及时安全可靠地传送到监控中心，利用服务器容量大、速度快的优点管理区域内的校车，保障行车安全。一种校车安全信息综合系统总体框架示意图如图1所示，利用GPS实现校车位置定位，通过车载信息采集模块实现校车行驶信息采集并通过3G网络传送到监控室。

图1 系统总体框架示意图

2 车载信息采集模块设计

2.1 车载信息采集模块电路设计

系统以STM32处理器为核心，通过车载故障诊断总线读取主被动安全系统的故障信息，采集车辆的位置、机舱温度、车厢烟雾、车速、车内图像、载客人数、轮胎气压和停车信号装置的通断等校车安全信息，将这些信息实时存入大容量SD卡后通过LCD屏幕显示，并利用3G模块与远程安全信息管理系统通信，车载信息采集模块结构图如图2所示。同时在设计和制作电路时要提高其稳定性和抗干扰性，以应对汽车高温度、高振动、强电磁干扰、大电压大电流冲击等复杂的工作环境。

图2 车载信息采集模块结构图

2.2 故障信息检测的实现

根据国家环保总局颁布的HJ 437－2008标准，客车需要配备车载诊断系统(OBD)，具有标准故障诊断接口[5]。车辆ECU通过车辆故障诊断总线与电控系统实现通信，并且根据各类传感器的实时数据实现车辆的故障诊断。设计电平转换电路实现K线、CAN线以及J1850总线电平到TTL电平的转换，利用TL718协议转换芯片与车辆故障诊断总线相连，将数据链路层、网络层数据解析成串口数据供控制器读取 ABS、ASR、ESP、EPS、安全气囊等安全系统和车辆的运行参数与故障信息。同时通过故障诊断接口读取车辆唯一的VIN编号，作为系统中校车的身份认证。

检测信号灯与信号臂的开关信号、胎压检测模块的报警信号、温度和烟雾传感器电路的输出电压，可以发现停车信号装置的故障、轮胎气压不足和火灾的发生。

2.3 GPS模块设计

GPS模块在搜索到4颗以上卫星的时候就可以通过算法计算出所在地的高度、纬度、经度信息。选用遵循NMEA－0183协议的模块，上电后会通过 USART串口向外循环发送 $GPGGA、$GPGSA、$GPGSV、$GPRMC、$GPVTG等格式的字符串信息，字符串以格式名称开始。考虑到只需要位置信息，选用最小数据格式$GPRMC完成数据的解析。

2.4 载客人数检测模块设计

对于客车载人数量的统计一直以来都没有找到很好的解决办法。采用电阻应变式、电容式、光纤光栅等多种传感器实现整车质量的动态、静态检测[6]，需要固定的检测基站，且准确度较差。在车轴上安装载重传感器需要改装车辆，且无法解决车辆在起伏颠簸状态引入的误差，没有得到广泛的应用。车载直接载人数统计更适用于短途乘客频繁上下车的情况，单独使用图像模式识别、红外、压力检测的方法实时记录在乘人数，但都存在检测精度低、误差大的问题。因此设计了压力传感器、红外光电传感器组成结构冗余的测量电路统计人数，当载客人数达到系统设定的上限时，启动摄像头拍摄车内图像，供监管人员辅助判断是否超载。

乘客上车过程传感器信号时序图如图3所示。在车门踏板下级、上级台阶面铺设压电传感器a、b，当有重力作用在压电传感器上时，根据压电效应产生的电荷信号经电荷放大器放大整形后形成开关脉冲。在车门两侧a、b的投影范围内由外向内安装3组红外对射式光电传感器c、d、e组成检测阵列，当被检测物从发射器与接收器之间经过且阻断光线时，光电传感器就会产生一个开关脉冲信号。如图3所示，对传感器信号进行时序分析，可以得到乘客上下车的移动方向。图3中高电平为传感器检测到乘客动作信号，3个时间点的信号逻辑关系如下:

图3 乘客上车过程传感器信号时序图

在t1时刻有人踩踏板并且进入信号检测区域，此时检测c、d、e的信号状态，若d、e的信号滞后于c，则表明乘客的移动方向为上车，若c、d的信号滞后于e，则乘客的移动方向为下车;到t2时刻，所有的传感器检测到乘客，此时系统根据乘客移动方向修改载客数量;t3时刻乘客移出检测区域，结束此次人数计数，等待下一人次的触发信号。

2.5 车载信息采集模块软件设计

控制器循环采集校车安全信息并通过车载LCD显示，控制3G模块实时接入因特网，每分钟产生定时中断向远程服务器报送一次车辆位置信息，并将所有信息存入大容量SD卡。若检测到超速、超载、火灾、故障信息或者接收到远程管理软件的数据访问请求时，立即上报车辆所有安全信息，车载监控节点控制器软件流程如图4所示。

图4 车载监控节点控制器软件流程图

3 信息通信协议设计

3G网络目前有 TD－SCDMA、CDMA2000、WCDMA这3种网络制式，其中WCDMA网络技术最成熟，通信速率最快，网络带宽最大。选用的华为MU509 WCDMA通信模块采用LGA封装形式，具有接口稳定、体积小、质量轻的优点，非常适用于汽车上的工作环境。在WCDMA PS模式下可以达到最快384 kb/s的上传和下载速度，在HSDPA(high speed downlink packet access)高速下载模式下可以达到3.6 Mb/s的下载速度，模块与控制器通过串口连接的波特率为115 200 b/s。

模块与服务器通信采用UDP协议，通过发送ASCII码编码的数据帧实现信息的传输，该信息分为安全信息数据、图像信息、远程控制信息3种，其帧格式如表1所示。字段之间通过“，”隔开，若无故障则用字符“0”表示。车辆正常行驶时仅发送位置信息，每一帧信息长度为40个字节，数据的发送可以实时完成;采集的车内图像分辨率为320×240的8位灰度图像，每幅图像的像素信息为75 kB，可以在5 s内完成发送;服务器可以发送远程控制命令，随时查询车辆的全部安全信息，并且下发警告通知。

4 校车安全管理软件设计

校车安全信息综合系统利用数据库、GIS技术对校车、驾驶员和校车营运路线进行建档管理，利用SOCKET通信接口自动侦听网络[7]，接收车载信息采集模块发回的信息，通过对Google MAP网络地图进行二次开发实现校车运营路线登记、位置显示[8－9]，校车安全信息综合系统软件功能如图5所示。系统利用车辆VIN编码作为校车在系统中的唯一身份认证，将接收的报文解析后，监控驾驶员的驾驶行为，对超范围行驶、超速的校车进行违规数据登记，由监管员根据车内图像辅助判断是否超载，对故障和发生温度烟雾报警的校车预警显示。可以通过数据库统计每辆校车和驾驶员的历史记录，定期提供车辆维护与保养建议，并将结果下发到车载信息采集终端LCD显示屏，警示驾驶员。

表1 车载信息采集终端与服务器通信帧格式

图5 校车安全信息综合系统软件功能图

服务器软件系统采用基于Web的B/S网络结构，具备更灵活的网络适用环境、较低的开发维护成本、一致的用户界面等优点[10]。用户可以在任何一台电脑上通过浏览器登录系统。服务软件按照3层架构由上往下划分为数据访问层(DAL)、业务逻辑层(BLL)、表现层(UI)，各层之间逻辑完全独立。数据访问层主要完成与数据库的通信与操作，业务逻辑层实现对校车安全信息的接收与监控;表示层提供人机对话界面。

5 结论

针对日益严峻的校车安全问题，提出了一种基于3G网络的校车安全信息综合系统，设计了车载信息采集模块和远程服务系统，利用数据库、GIS技术对运营的校车安全信息和驾驶员行为进行管理。可以减少因车辆故障、超速、超载、不按规定路线行驶和缺乏车辆维护保养而导致的校车安全事故，保障少年儿童的乘车安全。

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