陳曉琴

CHEN Xiao-qin

（江蘇海事職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣工程系，南京 211170 ）

0 引言

隨著電子信息技術(shù)的飛速發(fā)展，傳感器技術(shù)、車載網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)通訊、計(jì)算機(jī)處理技術(shù)和智能控制技術(shù)等被廣泛應(yīng)用于汽車防盜技術(shù)，汽車防盜產(chǎn)品向高度智能化、功能多樣化方向發(fā)展。目前市場(chǎng)上的主流汽車防盜設(shè)備按其結(jié)構(gòu)與功能可分機(jī)械式防盜器、電子式防盜器、芯片式防盜器和網(wǎng)絡(luò)式防盜器四大類。然而這些汽車防盜技術(shù)都存在一定的缺點(diǎn)，主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是報(bào)警器誤報(bào)率居高不下，而大多數(shù)的報(bào)警器都是語音報(bào)警，這樣就造成了報(bào)警聲成為環(huán)境噪聲；二是報(bào)警距離有限，在報(bào)警以后對(duì)被盜車輛缺乏有效控制。本文針對(duì)以上兩個(gè)缺點(diǎn)，結(jié)合電子式防盜器和網(wǎng)絡(luò)防盜的特點(diǎn)，運(yùn)用多傳感器替代使用單一傳感器，充分利用多種傳感器在性能上的差異性和互補(bǔ)性，對(duì)采集的傳感器信息通過有效的數(shù)據(jù)融合再加以判決警情，以降低報(bào)警器的誤報(bào)率，加強(qiáng)防盜系統(tǒng)的可靠性。在報(bào)警響應(yīng)上，引人GSM模塊，依靠無線通信網(wǎng)絡(luò)使防盜器不在受距離的限制。在判定汽車處于警情中時(shí)，防盜系統(tǒng)的中央處理單元將通過GSM網(wǎng)直接把車況信息發(fā)給車主，再進(jìn)一步通過阻斷汽車的點(diǎn)火系統(tǒng)或油路來達(dá)到防盜的目的。

1 多傳感器信息融合技術(shù)

多傳感器信息融合是指協(xié)同使用多種傳感器，如不同位置的多個(gè)同類或不同類的傳感器，并將這些傳感器所提供的局部環(huán)境的不完整信息加以綜合，消除傳感器之間的冗余和矛盾信息，形成與系統(tǒng)環(huán)境一致性的完整描述。與單一傳感器相比，多傳感器信息融合可以改善數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)能力，減少模糊或不確定性；具有信息的互補(bǔ)性、冗余性、實(shí)時(shí)性和低成本性；同時(shí)，多傳感器系統(tǒng)的可并行運(yùn)行性，增大時(shí)間和空間的覆蓋，提高信息獲取的速度和空間分辨率。提高了決策、規(guī)劃和反應(yīng)的快速性，降低決策風(fēng)險(xiǎn)。

1.1 多傳感器信息融合的功能模型

目前，已經(jīng)有許多學(xué)者從不同角度提出了幾種融合系統(tǒng)的一般功能模型，其中最具代表性的是美國(guó)軍事實(shí)驗(yàn)室理事聯(lián)合會(huì)數(shù)據(jù)融合工作組提出的JDL模型。如圖1所示。

圖1 信息融合JDL模型

JDL模型是一個(gè)有效的、跨越多個(gè)運(yùn)用領(lǐng)域的模型，它確定了適用于信息融合的過程、功能、技術(shù)種類和特定技術(shù)，包括對(duì)象評(píng)估、態(tài)勢(shì)評(píng)估、威脅評(píng)估和過程評(píng)估四級(jí)。

對(duì)于具體的融合系統(tǒng)而言，信息可分為數(shù)據(jù)層信息、特征層信息和決策層信息三個(gè)層次。多傳感器信息融合可以發(fā)生信息的某一層上，也可以發(fā)生在多個(gè)層上。整個(gè)信息融合的過程是由數(shù)據(jù)層開始從下往上地在同一層次上融合，融合后的結(jié)果參與下一層的信息融合，最后匯聚到數(shù)據(jù)庫(kù)或決策中心。在這個(gè)有反饋的融合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，數(shù)據(jù)信息不是單向的，高層次的信息融合結(jié)果可以對(duì)低層次的融合數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整和影響。

1.2 多傳感器信息融合算法

在眾多的多傳感器信息融合算法中，本系統(tǒng)選擇了D-S證據(jù)理論作為融合中心算法。D-S證據(jù)理論起源于1967年Dempster提出的由多值映射導(dǎo)出的上概率和下概率，之后Shdcr進(jìn)一步將其完善，建立了命題和集合之間的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，把命題的不確定性問題轉(zhuǎn)化為集合的不確定性問題，滿足比概率論弱的情況，形成了一套關(guān)于證據(jù)推理的數(shù)學(xué)理論。在不確定性推理方面，其使用更便捷、靈活，推理機(jī)制更簡(jiǎn)潔，在人工智能、檢測(cè)診斷等方面具有廣泛的應(yīng)用，尤其是在多傳感器數(shù)據(jù)融合中，已成為一種基本的、重要的融合算法。

多傳感器目標(biāo)識(shí)別是將各傳感器關(guān)于目標(biāo)屬性的不精確、不完全的信息進(jìn)行融合，產(chǎn)生較單一傳感器更精確的屬性估計(jì)。在本系統(tǒng)中將識(shí)別目標(biāo)對(duì)象分為人和機(jī)械兩種，因?yàn)楸I車案例中主要是人為的，當(dāng)然在盜車案例中也不乏有人間接使用機(jī)器拖吊整車的，這時(shí)我們的識(shí)別目標(biāo)變成了微波傳感器能探測(cè)到的物體。進(jìn)而將識(shí)別框架定為有危險(xiǎn)的人、無危險(xiǎn)的人、有危險(xiǎn)的物體、無危險(xiǎn)的物體。微波傳感器對(duì)汽車周圍的移動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別、測(cè)速，并判斷出目標(biāo)物體是遠(yuǎn)離汽車還是靠近汽車，通過對(duì)微波傳感器的采樣，計(jì)算出辨識(shí)框架里的基本概率分配函數(shù)以供決策層融合使用；紅外傳感器通過貼上一個(gè)濾光片可以識(shí)別靠近汽車的目標(biāo)人物，通過不同時(shí)刻的采樣判斷出目標(biāo)任務(wù)的停留時(shí)間，進(jìn)而把數(shù)據(jù)送預(yù)處理單元計(jì)算出基本概率分配函數(shù)以供融合使用；雙軸加速度傳感器對(duì)車體進(jìn)行檢測(cè)，通過對(duì)其不同的特征提取，計(jì)算出相應(yīng)的振動(dòng)和傾角，再送預(yù)處理單元計(jì)算出基本概率分配函數(shù)以供融合使用；霍爾開關(guān)器件則對(duì)4個(gè)車門進(jìn)行監(jiān)控，每個(gè)霍爾開關(guān)在有個(gè)門打開的情況下即輸出高電平，4個(gè)霍爾器件的輸出經(jīng)過一個(gè)或門，連到MCU單元的一個(gè)中斷端口，在預(yù)處理單元計(jì)算出相應(yīng)的基本概率分配函數(shù)。融合中心對(duì)4個(gè)傳感器的證據(jù)體用D-S證據(jù)理論進(jìn)行融合，最后根據(jù)判定規(guī)則判定目標(biāo)類型。

2 汽車防盜系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)硬件框圖如圖2所示。其中，傳感器組模塊由四種傳感器構(gòu)成，它們協(xié)同工作來完成對(duì)車輛的實(shí)時(shí)環(huán)境的監(jiān)控；電源模塊則由車載蓄電池降壓提供電能；警報(bào)響應(yīng)模塊負(fù)責(zé)對(duì)中央處理單元判決警情后的相關(guān)處理，聲光報(bào)警、發(fā)送SMS短消息和將汽車點(diǎn)火系統(tǒng)或油路鎖死等操作；中央處理模塊則對(duì)傳感器組所采集的信息進(jìn)行處理和判決，如果判決為警情，中央處理單元將通知警報(bào)響應(yīng)模塊，告知相關(guān)執(zhí)行動(dòng)作。

圖2 硬件圖

2.1 電源模塊

本汽車防盜系統(tǒng)是利用車載蓄電池（14V）作為供電來源，提供5V和3.3V 的直流電源為系統(tǒng)中相關(guān)器件供電。14V直流電源經(jīng)過LM2576S5.0轉(zhuǎn)變成5V直流電源，5V直流電源再經(jīng)過AMS1117-3.3轉(zhuǎn)變成3.3V直流電源。

2.2 傳感器組模塊

傳感器組模塊由小型微波運(yùn)動(dòng)傳感器HB-100、加速度傳感器ADXL202E、被動(dòng)式雙靈敏元熱釋電紅外傳感器RE200B和霍爾傳感器A3210E組成，負(fù)責(zé)對(duì)汽車實(shí)時(shí)環(huán)境狀態(tài)信息的收集和初步處理。

2.3 警情響應(yīng)模塊

2.3.1 報(bào)警執(zhí)行模塊的語音（閃光）報(bào)警

汽車防盜系統(tǒng)在進(jìn)行短信息報(bào)警、語音報(bào)警的同時(shí)車燈也不斷閃爍，表示汽車出現(xiàn)異常情況。在系統(tǒng)確定汽車處于遇警情況的狀態(tài)下，微處理器可以進(jìn)行汽車自鎖操作，即CPU直接阻斷汽車的點(diǎn)火電路，使竊賊即便進(jìn)入車內(nèi)也無法將車開走。

閃光報(bào)警及汽車自鎖系統(tǒng)利用微處理器的I/O接口控制達(dá)林頓陣列ULN2003A，當(dāng)“IN”腳輸入高電平，對(duì)應(yīng)“OUT”腳將功率繼電器的引腳電平拉低，功率繼電器線圈導(dǎo)通；當(dāng)“IN”腳輸入低電平，對(duì)應(yīng)“OUT”引腳輸出電平與芯片供電電平相同，即與繼電器輸入電壓相同，繼電器線圈阻斷。由于繼電器觸點(diǎn)的吸合（常開觸點(diǎn)）、斷開（常閉觸點(diǎn)）的隨微處理器的I/O口的信號(hào)而改變，使得微處理器可以控制汽車車燈電路和發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火線路的開閉，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)汽車防盜的閃光報(bào)警和自鎖操作。

報(bào)警執(zhí)行模塊在利用GSM網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行報(bào)警的同時(shí)，還能夠使用傳統(tǒng)的語音模式進(jìn)行報(bào)警。本系統(tǒng)選用HOLTEK公司的HT8120D0型數(shù)字脈沖編碼調(diào)制語音合成系列芯片，該系列芯片是將聲音的模擬信號(hào)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)后存儲(chǔ)在芯片中，由電平信號(hào)觸發(fā)語音回放的語音芯片。

2.3.2 GSM報(bào)警模塊TC35

TC35是西門子公司的一款GSM通信模塊，具有語音、數(shù)據(jù)傳輸、傳真和短消息服務(wù)（ShortMessageService）功能，工作頻段在900MHZ和1800MHz。本系統(tǒng)采用MCU單元的串口與TC35的串口進(jìn)行雙向通信，來達(dá)到控制TC35模塊，MCU通過RS-232串行口激活TC35來發(fā)送和接收數(shù)據(jù)短消息，完成與主控端的數(shù)據(jù)交換。

2.4 汽車防盜系統(tǒng)的中央處理模塊

選用Samsung公司推出的16/32位RTSC處理器S3C44B0X作為本系統(tǒng)的中央處理模塊。S3C44B0X為手持設(shè)備和一般類型應(yīng)用提供了高性價(jià)比和高性能的微控制器解決方案。S3C44B0X提供了豐富的內(nèi)置部件，大大降低成本。同時(shí)，其CPU核是由ARM公司設(shè)計(jì)的ARM7 TDMI RISC處理器（66MHZ）。ARM7TDMI體系結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是它集成了Thumb代碼壓縮器，片上的ICE斷點(diǎn)調(diào)試支持，和一個(gè)32位的硬件乘法。

S3C44B0X通過提供全面的、通用的片上外設(shè)，大大減少了系統(tǒng)電路中除處理器以外的元器件配置，從而最小化系統(tǒng)的成本。微波傳感器、紅外傳感器占用處理器的兩個(gè)AD端口，加速度傳感器占用處理器的兩個(gè)定時(shí)器端口和兩個(gè)AD端口；霍爾傳感器組占用處理器的一個(gè)外部中斷端口。

3 汽車防盜系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

軟件部分可以分為主程序，預(yù)處理子程序，融合處理子程序，警情處理子程序。主程序流程圖如圖3所示。

圖3 主程序流程圖

CPU上電后即對(duì)系統(tǒng)各個(gè)硬件初始化，其中包括硬件初始化，中斷初始化，傳感器模塊的初始化，GSM模塊的初始化等。延時(shí)5s等待修改傳感器環(huán)境參數(shù)的按鍵，如果有則對(duì)flash中存儲(chǔ)的傳感器環(huán)境參數(shù)改寫并保存，否則往下繼續(xù)執(zhí)行。警情響應(yīng)模塊則是融合后的判決為有威脅時(shí)，通過聲光報(bào)警，發(fā)送GSM消息給車主。

4 結(jié)束語

目前，信息融合被廣泛用運(yùn)用于目標(biāo)跟蹤，自動(dòng)目標(biāo)識(shí)別和有限自動(dòng)推理等應(yīng)用領(lǐng)域。信息融合技術(shù)已經(jīng)從包含一系列相關(guān)技術(shù)的松散集合，迅速發(fā)展成為一門新興的工程科學(xué)。多傳感器信息融合也并不是一個(gè)新概念，其應(yīng)用非常廣泛。如軍事上的應(yīng)用，包括自動(dòng)目標(biāo)識(shí)別、自動(dòng)車輛制導(dǎo)、遙感、戰(zhàn)場(chǎng)監(jiān)視和自動(dòng)威脅識(shí)別系統(tǒng)，非軍事的應(yīng)用包括大規(guī)模的生產(chǎn)過程監(jiān)控、基于狀態(tài)的復(fù)雜機(jī)械維護(hù)、機(jī)器人和醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。

本文針對(duì)當(dāng)前市場(chǎng)上的防盜器普遍存在的缺點(diǎn)，誤報(bào)率偏高、防盜距離有限，提出了一種結(jié)合多傳感器信息融合技術(shù)和GSM網(wǎng)絡(luò)通信的防盜方案，希望有利于多傳感器信息融合技術(shù)在汽車防盜領(lǐng)域的推廣與應(yīng)用。

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