物联网技术在车辆内环境监测报警系统中的应用

陈启锋， 崔清雅

（张家口煤矿机械制造高级技工学校， 河北 张家口 075000）

引言

车内环境是与普通民众相接触的最亲密环境，由于车内环境变化而带来的安全隐患问题越来越多，包括氧气不足、温度升高、湿度升高，都会对身体素质较差的人群产生影响。因而构建车辆内环境的安全监测系统，由多种传感器硬件进行数据搜集、传输，可以实现车辆内环境的及时监测、报警与功能拓展。

1 目前汽车车辆内部环境存在的安全问题

车辆内部环境的安全问题由来已久，20世纪90年代，国外部分中高端车辆制造商，就已经开始重视车内环境安全问题的检测、报警，并尝试设计、安装检测报警硬件。当前大多数品牌汽车内部，都安装有针对移动物体的安全检测器、报警器。当车辆停车、车窗或车门关闭后，系统会自动监测车内存在的可移动物体，然后通过发声系统提示、车身闪灯等方式，提醒车主对车内的安全隐患、危险状况进行处理。但这一报警系统仍旧存在着不足之处，也就是一旦车主离开汽车的距离较远，则无法接收到车辆报警系统传达的信号，也就难以根据指令作出后续的系统控制动作。所以在车辆报警、施救系统发展形势下，引入多层次的车载物联网内部环境监测系统，可以通过GPRS/5G 无线通信网络，对车辆内部、外部环境作出全面监测，由车载终端经过CAN 总线，实时获取到整车的内部控制数据。但也需要注意，应在车辆环境监测、报警系统建设过程中，加强多元物联网设备之间的联动控制，并联机进行监测结果的测试、验证，以保证最终车辆监测报警系统达到预期的效果。

2 物联网技术的基本组成内容

物联网构架主要包括RFID 射频识别、传感器和智能信息处理系统等应用架构，不同网络模块分别负责不同数据信息的处理。

1）RFID 射频识别技术。RFID 无线射频启动识别，可以根据各种移动、非移动物体的特性，通过相关请求口令，进行多种数据信息的智能识别，自动转换成符合用户需求的数据。但对于不同数据信息的计算、存储和处理能力，存在着较大区别，只能经由WSN 网络进行物联网连接、数据传输，提高物联网数据资源的应用效益[1-2]。

2）传感器及传感网络应用。在物联网传感网络中，包括温度传感器、湿度传感器、光线传感器等硬件，以及无线传输网络、人体传感网络。为避免无线传感器，对数据信息搜集的波动问题，需要在WSN 网络支持下，建立自我调节的传感网络环境、传感器工作方式，进行不同网络节点的海量数据传输、储存。

3 物联网车辆内环境监测报警系统的总体架构设计

3.1 系统框架组成结构

车辆内环境监测报警系统包括车载传感器模块、移动OneNET 云平台、WebServer 网络服务器（WebServer）、移动控制终端等组成结构，其中不同模块分别负责特定功能的实现，具体如下页图1 所示。

1）车载传感模块是物联网环境监测的基础模块，负责使用温度、湿度、含氧量等各类传感器，对车辆内的数据信息进行采集。而且车辆内置有GPRS定位、环境监控摄像的传感装置，主要通过利用GPRS/5G 无线通信网络，经由网络节点进行数据的无线发射、传输，加强车内安全隐患、危险情况的监控与报警，帮助用户迅速找到车辆的危险问题，并予以解决。

2）OneNET 云平台为数据传输、存储控制的模块，可以通过API 接口，将监测到的海量数据信息，传输至送到WebServer 服务器。之后由WebServer 服务器模块，对现有的无线网络数据进行配置、存储，也便于根据已经存在的数据安全风险，快速启动报警装置、提供个性化服务[3]。

最后，移动控制终端为监测报警系统的控制设备，依托OneNET 物联网开放云平台，接入多种智能化硬件设备。然后通过WebServer 服务器模块，进行多种个性化功能服务的嵌入开发，提供在不同空间环境下的监控方式，如使用智能手机、平板电脑或PC 等，完成车辆内部环境的监控预警。

3.2 系统硬件设计

车辆内环境监测报警系统包括传统报警装置、协助报警装置等响应设备，因此其所需的硬件模块主要有：Arduino Uno 微控制器、R3 开发芯片；温度传感器AD590、湿度传感器DHT11 和电荷藕合器CCD，以及气体检测装置Grove-Gas Sensor（O2）、人体动态监测装置HC-SR501；车辆环境监测显示面板LCD1602、PCF8574IIC/I2C 数据通信模块，以及GPRS 无线模块SIM900A 卡等[4-5]。

3.3 系统软件的初始化设计

物联网车辆内环境监测报警系统中，有关软件程序的初始化设置，通常分为数据采集软件初始化、数据通信协议初始化、数据显示模块初始化等。在完成车辆内环境的温度、湿度、氧气浓度等数据采集后，要利用主控开发芯片Arduino Uno，对GPRS/5G无线通信网络、I/O 接口作出初始化设置，包括通信协议栈、通信参数初始化，另外也要对LCD 1602 显示模块完成初始化设置。

随后设置移动端控制App 界面，采取底部为导航窗格、上部为控制信息显示的布局形式，进行传统聊天软件界面的设计，包括功能服务、详情展示、数据参数等栏目组成的设置，方便车主或其他用户，查询车辆内温度、湿度、含氧量等参数信息。

整个系统数据信息采集的过程中，主要由热释电红外传感器HC-SR501，监测车辆内可移动人员、其他物体的情况，若有人则使用高电平“1”表示。而其他传感器负责温度、湿度、气体浓度的采集，监测车内环境要素是否超出安全阈值，若超出则以声光方式进行报警，并在LCD 屏幕上显示车辆状态。

4 车辆内环境监测报警系统的数据通信、功能服务实现

4.1 系统云平台、功能服务的数据通信连接设计

以上系统数据信息采集完毕后，需要构建OneNET云平台、车载装置之间的数据通信。在温度、湿度、气体浓度监测的功能需求下，使用http POST 通信方式、Rest-Ful AlI 接口，建立其温度、湿度、含氧量等车辆内部环境参数监测的通信协议。统一采用JSON 数据格式、JavaS-cript 数据交换格式，进行多个数据子集的函数调用、通信传输，数据格式标准为：sprintf（blank，“{“datastreams”：[{“id”：“%s”，“datapoints”：[{“value”：%s}]}]}”，data_name，data_value）;其中：data_ name 为温度、湿度传感器数据采集的监测参数名称；data value 为传感器温度、湿度、含氧量监测得到的实测值。然后编写http POST 请求报文，向WebServer 网络服务器提交需被处理数据，实现发送主体数据的上传、返回响应。在以上JSON 数据通信格式、http POST 请求报文构建完成后，可以通过系统云平台对相关指令的编译、功能调试，完成经由GPRS/5G 无线通信网络的数据传输、功能控制的通信连接。

4.2 车辆内环境监测报警系统的应用实现

本文在车辆内环境监测报警系统模型建构、功能实现过程中，主要使用AHP 层次分析法，综合各项监测报警指标，进行系统最优方案的选取与设计。

假设车辆内环境监测报警方案，分别为传统报警P1，传统报警+自搭建平台报警P2，传统报警+第三方平台报警P3。将多种温度、湿度、含氧量数据指标进行整合，两两比较不同因素的重要量化值，其中同等重要量化值为1、稍微重要量化值为3、较强重要量化值为5、非常重要量化值为7，相邻判断的中间值为2，4，6。那么可将系统选取最优方案的评判矩阵设为A：

利用AHP 层次分析法，对评判矩阵A 的列进行归一化处理、行进行均值处理，得到数据搜集、分析与存储的权向量为w=（0.63 0.26 0.11）T。根据评判矩阵A 最大特征值的计算方法，可以得到其最大特征值为：

为使系统普通层、平台层级移动层等的数据指标保持一致，主要根据温度、湿度、含氧量的评判指标，计算得出矩阵一致性指标ACI：

根据一致性比率计算原理，对系统各层次数据指标的一致度满足可变范围进行设计，即一致性比率计算公式为ACR=ACI/ARI= 0.7＜0.1，则三个监测层次的数据指标评判矩阵为A1，A2，A3：

根据AHP 层次分析计算原理，计算得出以上三个矩阵的权值矩阵如下所示，则不同层次总的评判权值矩阵为W =wthree×w=（0.22 0.36 0.42）T。因此可以得出，以上3 个方案中“传统报警+第三方平台报警P3”，所具有的权值最大，且有效性、实用性和可扩展性更高。依据最优方案3 组建的多层次车辆内环境监测报警系统，具体结构如图2 所示。

其中第一层为传统报警结构的普通层，包括传统报警系统、传感器模块、LED 显示、蜂鸣报警等装置，通过LCD 显示、报警灯闪烁或蜂鸣器提示的方案，对车辆内部环境发生的危险情况，向用户主体作出及时反馈。之后第二层为OneNET 监测云平台，是利用API 接口、WebServer 服务器模块，根据不同用户的个性化需求，进行数据信息管理、监测报警服务等的提供。即使即使用户数量、监测数据指标不断增加，也可以通过数据库WebServer 服务器模块，进行系统功能服务的扩展。最后，第三层为移动控制终端设备层，包括车内环境监测、数据无线传输、嵌入式APP 等模块。在车辆内部发生安全隐患、危险情况时，可以通过GPRS/5G 等移动无线通信网络，将温度、湿度、含氧量等车辆数据信息，传输至车主的移动端控制APP 界面，实时显示车辆的情况，能够满足AHP 多层次监测报警的需求。

5 结语

随着我国汽车行业、汽车保有量的快速发展，如何保证车辆驾驶、车辆乘坐的安全性，成为交通部门、公安部门关注的重要问题。因此，利用物联网架构中的多种多样的数据通信模块，对于一系列繁杂信息进行分类、处理，建立多层次的车辆监测报警系统，完成移动端数据信息的监控、查询和处理，可以解决物联网智慧化系统通信、连接与传输的问题。