校车乘车人员安全辅助系统的设计与实现

高潇宇 何松庭 刘天成 吴凡 刘朋 杨巍

（天津理工大学中环信息学院 天津 300380）

1 系统选题背景

近年来，随着教育资源格局的优化，校车成为学生上下学重要的交通工具，校车被大量使用的同时，安全问题也处于相对高发的态势。此类问题已长时间成为社会关注的热点，牵动着社会多方面的神经。

校车安全事故频发的原因，一是对校车自身状态、运行轨迹等缺乏有效的监管，导致超员超载、随意变更行车路线情况频繁发生；二是缺乏有效的技术手段对校车车内状态进行监管，导致学生被遗忘在车内的事件时有发生。现有的校车安全解决方案中能够实现车辆行驶路线的追踪和车内情况的实时监控功能，但是多种功能间缺乏联动机制，且缺乏统一的数据呈现和有效反馈，如车内人员情况发生变化时，系统缺乏实时动态的反馈机制。理想状态下的校车乘车人员安全辅助系统应实现对校车的全面跟踪、监控、预警和提醒，为家长、学校乃至各级各类主管部门提供一体化、多渠道、全方位的数字化服务。软硬件的系统集成、联合开发、联试联调已成为校车乘车人员安全辅助系统开发的主流趋势[1]。

2 系统实现采用的关键技术

（1）RFID的应用。RFID技术是一种无线通信技术，在无需建立机械或者光学接触的前提下，可通过无线电信号识别特定目标，并读取相关数据。系统应用RFID读写器对标记有乘车人信息的标签进行识别。

（2）人脸识别的应用。人脸识别技术是一种基于人的面部特征信息进行身份识别的一种生物识别技术，用摄像头采集人脸的图像，并在图像中检测跟踪人脸。在系统应用中作为RFID标签识别的有益补充。

（3）GPS定位的应用。GPS定位技术是一种以卫星为基础的无线电导航定位系统，在系统应用中用于追踪校车的地理位置、车行速度等信息。

（4）移动4G的应用。4G移动通信技术可以在多个不同的网路系统、平台与无线通信介面之间找到快速与效率的通信路径，以进行最即时的传输、接收与定位等动作。在系统应用中与GPS相结合，进一步提升系统定位的可靠性和准确性。

（5）车载工控机系统集成。车载工控机配有触摸屏、Intel J1900 CPU、4GB运行内存，128GB储存硬盘以及支持多种接口的主板，操作系统为Windows 7。

（6）软件开发技术的应用。以Android SDK为软件开发工具包，以Java和PHP为主要开发语言，进行APP软件的开发；以QT为编程框架，以C++为主要编程语言编写车载工控机与RFID读写器的接口程序；以Spring boot技术开发系统软件接口，处理工控机上传的高并发数据[2]。

3 系统解决的主要问题

通过与其他系统的对比，确定学生家长、学校教师、校车司机为系统用户，以学生乘坐校车行为活动的安全保障体系为研究对象，开展需求分析。

（1）学生家长需要了解：孩子上下车的具体时间和地点；孩子在上下学过程中具体乘坐了哪辆校车等信息；遇突发情况不能搭乘校车，及时向学校教师进行请假。

（2）学校教师需要了解：自己班上的哪位学生乘坐了哪部校车；学生具体上下车的时间和地点；是否有学生请假。

（3）校车司机需要了解：上下学途中需要接送的学生信息，如接送地点、应接送人数、实际接送人数、学生姓名、学生家长以及学校教师的联系方式；车内人员的实时情况；给学生家长、学校教师一键拨号功能；校车故障一键报修功能。

（4）学生家长、学校教师、校车司机三端实时数据的一致性[3]。

系统软硬件模块如图1所示。系统软硬件各模块间数据流程图，如图2所示。

4 软硬件系统实现的难点

（1）如何精确感知乘车人员的状态

问题描述：RFID读写器能感知标签的存在,但是当标签离开RFID读写器感知范围时，它并不能提供该标签离开的时刻，因此需要设计一个算法，记录标签离开时的大概时间。

解决方案：在数据库中分别设置time字段（用于记录上下车时间）以及statu字段（用于表示上下车状态）。当statu字段为1时表示上车状态，硬件控制模块周期性对记录时间进行更新，并且用当前系统时间减去最近一次硬件模块记录的时间，看该时间差是否大于预设的阀值（设置阀值的目的是为了避免出现标签携带者只是临时下车的情况），超过阀值，表明该标签已经离开读写器检测范围，即已下车[4]。

（2）不同进程对同一记录进行操作时的并发处理问题

问题描述：对数据库中同一个记录的不同字段进行操作时，可能会出现并发问题，进而影响数据的一致性。

解决方案：MYSQL自带并发锁，可以保证数据操作的一致性。

（3）RFID读写器扫描间隔的确定

问题描述：RFID扫描间隔会影响RFID标签的读取数据的准确性。如设置太快，不但影响工控机的性能，而且可能导致同一个标签被读取多次，进而影响程序执行的准确性；如设置太慢，当携带该标签的乘车人离开感应范围时，实时性就会变差，甚至可能导致数据遗漏的情况发生。

解决方案：在系统调试的过程中，通过多次尝试的方法，确定合理的扫描时间间隔。

（4）如何确保GPS实时信息不会丢失

问题描述：GPS的位置信息是实时传输的，在进入信号较弱地段时会出现校车定位丢失现象。

解决方案：通过编程的方法预置GPS存储类、处理类和转发类，在信号不好时调用上述类，并将GPS所采集到的实时数据写入存储类在车载工控机所创建的文本中，待信号恢复后将校车所行驶过得路线发送至服务器[5]。

5 系统功能模块测试

针对系统的主要功能模块开展测试，具体测试用例参见表1。

表1 测试用例