在我国，由于缺乏有效的监管，校车事故仍时有发生，造成了大量的财产损失和严重的人身伤害。因为校车的特殊性，校车车载监控技术仍是一个热门的研究方向。当前，人们已经在完善车载监控系统方面做了许多有益的工作：基于红外传感器的人数检测^{[1, 2]}，这种方法虽然简单可行，但对学生并排、拥挤的情况处理能力差；基于视频图像的人数检测已经做了很大的改进，然而对复杂情况的适应能力一般，且需要处理大量的数据^[3]。而且这些研究缺乏对校车司机酒驾的监管，埋下了严重的安全隐患。

Zigbee技术作为一种短距离通讯技术，因功耗低、性能稳定而被广泛应用于温室控制^[4]、智能家居^[5]，但应用在校车上的研究还很少。

本文设计了一种新型的车载安全系统，使用射频技术检测学生人数，更加稳定有效；同时加入了对司机酒驾监控的模块，从源头上杜绝酒驾行为；并且引入无线网络布局内部传感器和控制器，克服了有线布局的缺点，降低了成本并提高了实用性。

控制系统的结构如图 1所示。微控制单元 (microcontroller unit，MCU)采用的是STM32单片机。STM32目前已被广泛地应用于工业控制和消费电子等领域，其性能和内部资源不仅能满足我们的要求，还方便用于日后的产品升级。STM32在本系统主要起数据处理和决策的作用：1)对学生人数进行比对、做出酒驾判断；2)接受用户命令、控制液晶显示。使用Zigbee技术构建校车内部无线网络：采用星型结构，1个中心节点，2个检测节点，2个控制节点。中心节点负责网络组建、信息收发以及与MCU的通信；检测节点采集学生信息和驾驶室区域的酒精浓度；控制节点执行控制指令。为实现人数的精准检测，采用RFID-MF RC522射频技术，将学生的信息固化到学生卡中，在上下车过程中通过刷卡进行身份识别，从而确定车内人数。使用MQ-3气体传感器进行酒精浓度检测，该传感器对乙醇蒸汽有很高的灵敏度和良好的选择性，并且寿命长、稳定可靠。报警装置是LED，当危险情况发生时，可以发出报警信号。执行装置以继电器作为实现途径，最终驱动大型设备。

图 1 控制系统结构

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协调器是网络组织的管理者，在网络中起着重要的作用。它负责发起网络、设定参数、管理信息及功能维护。协调器将各个检测节点采集到的信息汇总后，经串口透明地传输给MCU；同时又将从MCU接收到的指令信息广播给各节点。经方案比较后，选择市场上以CC2530单片机为主控芯片的Zigbee开发模块，其中单片机和天线均已集成好，增加了稳定性和可靠性；CC2530单片机可以直接和MCU连接通信；以交流电转3.3 V为其提供恒定电源。硬件结构如图 2。

图 2 协调器硬件结构

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检测节点和控制节点使用同样的Zigbee模块，仅需电池供电即可满足要求。它们负责加入协调器组建的网络，并初始化检测、控制设备。检测节点对来自检测设备的数据进行初步处理，并以协议化形式发送给协调器。CC2530通过串行外设接口 (serial peripheral interface；SPI)与MF RC522通信，初始化并控制MF RC522的运行；MQ3数据经AD转换芯片送给CC2530主控芯片。控制节点接收来自协调器的控制指令，对室内状况调节；控制器和CC2530通过普通I/O口连接，I/O口的高低电平控制LED、继电器的动作。硬件结构如图 3。

图 3 硬件结构

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MF RC522是应用于13.56 MHz非接触式通信中高集成度的非接触式读写卡芯片。其利用了先进的调制和解调概念，完全集成了在13.56 MHz下所有类型的被动非接触式通信方式和协议。MF RC522与主机间通信采用SPI模式，有利于减少连线，缩小印制电路板 (printed circuit board，PCB)体积，降低成本。我们将MF RC522用于读卡器，安装在校车车门处，并与主控芯片CC2530通过SPI进行通信。而学生配备学生卡(标准S50卡)，卡中已经固化学生学号信息并设定乘车次数数据区。数据区数据根据刷卡次数相应增减，为统计车内人数提供数据支持。人数信息通过无线网络发送给协调器，作进一步处理。硬件结构如图 4。

图 4 MF RC522 SPI连接

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MQ-3适用于酒精蒸汽浓度检测，具有灵敏度可调、快速的响应恢复特性，模拟输出电压随检测环境中气体浓度的升高而增大。采用8位逐次逼近式A/D模数转换器ADC0809，将MQ-3采集到的模拟量转化为数字量，经由双向电平转换器送给检测终端主控芯片CC2530处理。硬件结构如图 5。

图 5 MQ-3检测模块

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LED起到信息指示的作用。1)当有学生滞留在车内时，红色LED在控制节点控制下不断闪烁，滞留时间越长，闪烁频率约高。2)当有酒驾违法行为发生时，黄色LED亮起，警示该危险情况；同时，通过继电器切断校车打火线路。LCD液晶由STM32初始化，显示信息包括车载人数，车门锁闭情况，以及酒驾情况。

协调器、终端利用TI公司提供的著名的Z-Stack协议栈搭建软件运行环境。Z-stack采用任务调度机制进行事件处理，可以方便地添加自己的任务和调整优先级。本系统采用星形拓扑网络实现通信，网络配置一个网络协调器和多个终端节点，协调器首先进行信道扫描，采用一个空闲的信道，规定相应的网络参数。协调器启动后，时刻监听空中无线信号。终端节点申请加入网络时，发出申请加入信号，并提供正确的认证信息，即可加入网络。协调器接收传感信息并广播控制信息。终端加入网络后，即初始化受控设备：检测节点采集传感器信息并周期发送给协调器；控制节点接收协调器控制信息，控制报警、驱动装置的行为。软件流程如图 6。

图 6 协调器/终端程序流程

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学生卡(射频卡)的通讯协议和通讯波特率是定义好的，当有卡片进入MF RC522读卡器的操作范围时，读卡器以特定的协议与它通讯，从而确定该卡是否为射频卡，即验证卡片的卡型。然后完成防冲突检测、验证及对扇区数据的读写。程序流程如图 7。

图 7 RC522射频卡通信

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这是意法半导体(ST)新推出的32位微控制器系列产品，采用ARM公司高性能(1．25 Dhrystone MIPS/MHz)、低成本、低功耗嵌入式应用专门设计ARM Cortex M3内核；基本型时钟频率为36 MHz，增强型时钟频率达72 MHz;内置32 KB至128 KB闪存，时钟频率为72 MHz时，从闪存执行代码，STM32功耗仅36 mA(所有外设处于工作状态),是32位市场上功耗最低的产品，以16位产品的价格得到比16位产品大幅提升的性能。STM32主要任务是：1)进行数据处理和制定决策。由人数检测节点上传的信息得到学生人数，当车门锁闭时，若人数大于设定阈值，即判定为人员滞留，发出人员滞留警示指令；由酒精检测节点上传的信息得到驾驶室内酒精浓度，若大于设定的酒精浓度阈值，即判定为酒驾，发出酒驾警示指令。2)检测控制按键。用户通过按键控制车内空调等设施的运行。3)负责液晶显示，将车内实时信息通过液晶输出。程序基本流程如图 8所示。

图 8 STM32程序流程

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最后，对设计的校车安全监控系统制作了实物。通过液晶显示屏的输出信息(图 9)可以直观获取系统的运行状态：显示车内学生的人数；显示车内温度(STM32内部传感器测得)；显示司机是否酒驾；同时显示车门是否锁闭。

图 9 LCD显示车内实时信息

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本系统以Zigbee技术为核心，结合传感技术和自动控制技术，可实现司机酒驾、学生滞留等危险情况的检测，并及时发出警报并自主控制，为校车安全监控的构建提供了保障。使用Zigbee技术布局校车传感网络，不仅提高了传感器布局的灵活性，而且功耗低、价格低廉；实时性和稳定性均得到保障。RFID-MF RC522射频技术应用在校车管理中，实现了对学生一人一卡的信息确认，避免漏检错检，提高了人数检测的准确性。酒驾检测利用了MQ3灵敏的特性，是对司机的直接监控，也完善了整个系统的内容。该系统作为对现有校车安全系统的改进，在深度和广度上还有待进一步研究，实现性能的提升和应用范围的扩大。我们还将把视频监控中的人脸识别与步态识别技术[17, 18, 19]加入到校车安全监控系统中。