葉旭彬++張振昭++譚樹威++陳欣騰++曹燕

摘 要本文設(shè)計(jì)了一款車內(nèi)防誤鎖防盜報(bào)警交互系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過信息監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的多個(gè)傳感模塊收集車內(nèi)的環(huán)境信息，并通過主控系統(tǒng)進(jìn)行綜合判斷來減少誤判，當(dāng)有人員被誤鎖車內(nèi)或者外人進(jìn)入車內(nèi)時(shí)，及時(shí)向車主手機(jī)和路人發(fā)出警報(bào)信息。并且主控系統(tǒng)通過圖像采集系統(tǒng)采集車內(nèi)環(huán)境的圖像并上傳到服務(wù)器，車主可以通過手機(jī)訪問服務(wù)器實(shí)時(shí)查看車內(nèi)情況，由此實(shí)現(xiàn)了車主與汽車之間的交互。

【關(guān)鍵詞】防誤鎖 綜合判斷 減少誤判 交互

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能

目前，汽車的防盜系統(tǒng)日趨成熟，但是防誤鎖功能和交互功能研究甚少。國內(nèi)外防盜裝置按其結(jié)構(gòu)與功能可分四大類：機(jī)械式、芯片式、電子式和網(wǎng)絡(luò)式。四種/主流防盜器都存在程度不同的缺陷，主要存在只依靠振動(dòng)傳感器來判斷汽車是否遭到破壞或被盜，使用判斷裝置單一，都以防盜為主，均沒考慮到汽車誤鎖的問題。而且沒有與車主手機(jī)結(jié)合拓展更多人性化功能。

為了解決上述問題，本系統(tǒng)由多個(gè)子系統(tǒng)組合而成，各個(gè)子系統(tǒng)包括主控系統(tǒng)、信息監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、圖像采集系統(tǒng)、通信系統(tǒng)和警報(bào)系統(tǒng)。各系統(tǒng)之間的連接如圖1所示。各個(gè)子系統(tǒng)的功能如下：信息監(jiān)測(cè)采集系統(tǒng)負(fù)責(zé)對(duì)車內(nèi)的環(huán)境參數(shù)（振動(dòng)參數(shù)、溫度參數(shù)、人體紅外線參數(shù)）進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)并采集；主控系統(tǒng)負(fù)責(zé)控制其他各個(gè)子系統(tǒng)的運(yùn)行和對(duì)其他系統(tǒng)的反饋信息進(jìn)行綜合判斷處理；圖像采集系統(tǒng)負(fù)責(zé)對(duì)車內(nèi)的圖像進(jìn)行采集；警報(bào)系統(tǒng)負(fù)責(zé)向車內(nèi)及車外人員發(fā)送警報(bào)聲音；通信系統(tǒng)負(fù)責(zé)主控系統(tǒng)分別與信息監(jiān)測(cè)采集系統(tǒng)和車主手機(jī)進(jìn)行信息交互和通信。

2 各系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 主控系統(tǒng)

主控系統(tǒng)采用STM32芯片，其安裝在車內(nèi)儀表盤的下方。STM32芯片管腳外接電源和總開關(guān)，為主控系統(tǒng)供電和控制整個(gè)系統(tǒng)的開啟和關(guān)閉；相對(duì)應(yīng)管腳外接晶振電路，給予系統(tǒng)基本時(shí)鐘信號(hào)。其他GPIO口（通用輸入輸出口）分別與通信系統(tǒng)的GSM（Global System for Mobile Communication）模塊和nRF（Nordic公司出品的單芯片無線收發(fā)芯片）模塊、圖像采集系統(tǒng)的攝像頭、警報(bào)系統(tǒng)的蜂鳴器相連接，實(shí)現(xiàn)其各自的功能，如圖2所示。

2.2 信息監(jiān)測(cè)采集系統(tǒng)

信息監(jiān)測(cè)采集系統(tǒng)的主要功能是對(duì)車內(nèi)的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)采集，并通過通信系統(tǒng)傳遞具體參數(shù)給主控系統(tǒng)，為主控系統(tǒng)的綜合判斷提供客觀準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。監(jiān)測(cè)的信息包括振動(dòng)信息、溫度信息和人體紅外線信息。所以相對(duì)應(yīng)需要的模塊有振動(dòng)感應(yīng)模塊、溫度感應(yīng)模塊和人體紅外感應(yīng)模塊。為了更好地采集這些信息參數(shù)，可以將在車內(nèi)的每個(gè)座椅下安放振動(dòng)感應(yīng)模塊、溫度感應(yīng)模塊和人體紅外感應(yīng)模塊進(jìn)行防誤鎖信息的監(jiān)測(cè)，在汽車側(cè)窗玻璃內(nèi)側(cè)和前后擋風(fēng)玻璃內(nèi)側(cè)安裝振動(dòng)感應(yīng)模塊進(jìn)行防盜信息的監(jiān)測(cè)。為了更好地傳遞監(jiān)測(cè)信息，每個(gè)信息監(jiān)測(cè)模塊都會(huì)有一個(gè)獨(dú)立的通信系統(tǒng)的nRF模塊。該模塊通過無線通信的方式將監(jiān)測(cè)信息傳遞給主控系統(tǒng)，如圖3所示。

2.2.1 振動(dòng)感應(yīng)模塊

振動(dòng)感應(yīng)模塊主要是感應(yīng)聲波的振動(dòng)，采用801S振動(dòng)檢測(cè)傳感器，具有極寬的振動(dòng)偵測(cè)范圍、無方向限制、低損耗、靈敏度可由電路調(diào)整、TTL電平觸發(fā)等特點(diǎn)。

2.2.2 溫度感應(yīng)模塊

溫度感應(yīng)模塊主要是實(shí)時(shí)感應(yīng)車內(nèi)的溫度，經(jīng)過調(diào)查發(fā)現(xiàn)經(jīng)過夏日暴曬，車廂內(nèi)的溫度可以高達(dá)78.5℃，這個(gè)溫度對(duì)人體是十分危險(xiǎn)的，因此將車內(nèi)合理溫度范圍設(shè)定為4～35℃。

本系統(tǒng)采用的DS18B20單線數(shù)字溫度計(jì)其測(cè)溫范圍為-55～+125℃，并且以 0.5℃遞增，可以涵蓋設(shè)定的溫度范圍，而且溫度以九位數(shù)字量讀出，單線接口僅需一個(gè)端口引腳進(jìn)行通訊，具有讀數(shù)方便，通信簡單、安裝簡便的特點(diǎn)。

2.2.3 人體紅外感應(yīng)模塊

人體紅外感應(yīng)模塊主要的功能是實(shí)時(shí)感應(yīng)車內(nèi)的人體紅外線，檢測(cè)車內(nèi)是否有人員的存在。本模塊選擇采用捷深科技公司的HC-SR501模塊，該模塊是基于紅外線技術(shù)的自動(dòng)控制模塊，采用德國原裝進(jìn)口LHI778 探頭設(shè)計(jì)，具有靈敏度高，可靠性強(qiáng)，超低電壓工作模式的特點(diǎn)。該模塊可以感應(yīng)到100°的角度，最大半徑是7米，當(dāng)人進(jìn)入其感應(yīng)范圍則輸出高電平，人離開感應(yīng)范圍則自動(dòng)延時(shí)關(guān)閉高電平，輸出低電平。

2.3 通信系統(tǒng)

通信系統(tǒng)是負(fù)責(zé)主控系統(tǒng)與車主手機(jī)、主控系統(tǒng)與信息監(jiān)測(cè)系統(tǒng)之間的通信，主要包括nRF模塊、GSM模塊和云服務(wù)器。如圖4所示。

2.3.1 nRF模塊

考慮到車內(nèi)的實(shí)際環(huán)境，信息監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和主控系統(tǒng)通過電路直接連接是不現(xiàn)實(shí)的，因此必須采用無線通信的模式。本系統(tǒng)采用的nRF模塊型號(hào)是nRF24L01無線模塊，它是一款工作在2.4GHz～2.5GHz的ISM（Industrial Scientific Medical）頻段的新型單片射頻收發(fā)器件，其具有功耗低、收發(fā)方便等特點(diǎn)。

2.3.2 GSM模塊

GSM模塊的功能是建立主控系統(tǒng)與車主手機(jī)的短信通信、主控系統(tǒng)與云服務(wù)器之間的GPRS通信。本系統(tǒng)采用的是SIMCom公司生產(chǎn)的SIM900模塊，該模塊可以提供GPRS傳輸、短消息等業(yè)務(wù)。其接口連接如圖5所示，SIM900模塊的TXD 發(fā)送數(shù)據(jù)到STM32處理器的RXD信號(hào)線上，RXD從STM32處理器的TXD信號(hào)線上接收數(shù)據(jù)，同時(shí)，SIM卡需要內(nèi)接在SIM900模塊上，STM32處理器可通過AT命令實(shí)現(xiàn)對(duì)SIM900的傳輸控制。

2.3.3 云服務(wù)器

本系統(tǒng)需要一個(gè)服務(wù)器來儲(chǔ)存圖像采集系統(tǒng)采集到的圖像，考慮到直接購買一個(gè)服務(wù)器成本太高，不合實(shí)際，因此向騰訊云申請(qǐng)一個(gè)云服務(wù)器CVM（Cloud Virtual Machine）作為本系統(tǒng)的服務(wù)器。云服務(wù)器配置為1核1GB內(nèi)存，200Mbps網(wǎng)絡(luò)帶寬以及50GB的硬盤，具體如圖6所示。服務(wù)器安裝Windows Server 2012 R2 標(biāo)準(zhǔn)版64位中文版系統(tǒng)，并且已經(jīng)配置好互聯(lián)網(wǎng)信息服務(wù)IIS（Internet Information Services），既可以滿足系統(tǒng)的功能需求，又可以大大降低成本。

2.4 圖像采集系統(tǒng)

圖像采集系統(tǒng)主要是對(duì)車內(nèi)的情況進(jìn)行一個(gè)直觀的反映，讓車主可以看到車內(nèi)發(fā)生的具體情況。本系統(tǒng)采用的是OV7670/OV7171 CAMERACHIPTM 圖像傳感器，該模塊體積小、工作電壓低，提供單片 VGA 攝像頭和影像處理器的所有功能，通過SCCB總線控制，可以輸出整幀、子采樣、取窗口等方式的各種分辨率 8 位影響數(shù)據(jù)。該模塊VGA圖像最高達(dá)到30幀/秒。該系統(tǒng)通過在車內(nèi)頂部的前后各安裝一個(gè)攝像頭，可以更加全面地反映車內(nèi)的實(shí)際情況。

2.5 警報(bào)系統(tǒng)

警報(bào)系統(tǒng)的功能是在接到主控系統(tǒng)的指令后可以發(fā)出警報(bào)聲響，引起車外旁邊人員的注意，達(dá)到向路人求救的效果。本系統(tǒng)采用8050三極管驅(qū)動(dòng)的蜂鳴器，該器件由高電平觸發(fā)，具有觸發(fā)簡單、功耗低等特點(diǎn)。為了更好地向車外傳遞警報(bào)聲響，該系統(tǒng)將蜂鳴器安裝在車輛的方向盤下方。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)整體流程設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用C語言編寫程序，將程序?qū)懭雴纹瑱C(jī)閃存里，通過 MDK 編譯環(huán)境來編譯調(diào)試。主芯片進(jìn)入初始化后，設(shè)置信息監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的各個(gè)傳感器模塊的安全環(huán)境參數(shù)，開始啟動(dòng)對(duì)各個(gè)傳感器模塊的接口掃描。當(dāng)傳感器模塊的監(jiān)測(cè)值超出預(yù)設(shè)的參數(shù)值時(shí)，隔30秒后在進(jìn)行一次掃描，主控系統(tǒng)的STM32芯片對(duì)各個(gè)傳感器模塊的兩次反饋信息進(jìn)行綜合，對(duì)照表1，判斷是否屬于異常情況，需要警報(bào)系統(tǒng)發(fā)出警報(bào)聲響和向車主發(fā)送信息，其他情況則視為正常，不需要發(fā)出警報(bào)。如果有人員被誤鎖或者汽車被盜，判斷結(jié)果為真，警報(bào)系統(tǒng)發(fā)出警報(bào)聲響通知汽車周圍的人，同時(shí)，本系統(tǒng)通過GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送圖像數(shù)據(jù)到云服務(wù)器，云服務(wù)器返回圖像網(wǎng)址到GSM模塊，GSM模塊再把網(wǎng)址發(fā)送到用戶手機(jī)來通知車主。當(dāng)車主收到消息，可以通過鏈接打開網(wǎng)頁查看有關(guān)車內(nèi)情況的圖像，及時(shí)做出應(yīng)對(duì)處理。車主也可以隨時(shí)隨地向GSM模塊發(fā)送相應(yīng)的指令的對(duì)汽車的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)查看。系統(tǒng)的總體流程圖如圖7所示。

系統(tǒng)通過對(duì)傳感器模塊反饋的前后兩次信號(hào)進(jìn)行綜合來減少誤判，但是考慮到溫度信息在短時(shí)間內(nèi)的變換很小，所以只對(duì)溫度信號(hào)進(jìn)行一次判斷。從表1（異常情況判斷真值表）中可以得出，當(dāng)在短時(shí)間內(nèi)，主控器收到溫度信號(hào)或者不少于兩次的其他信號(hào)，系統(tǒng)就會(huì)認(rèn)定為異常情況，需要發(fā)出警報(bào)聲響和通知車主。

3.2 GSM模塊無線通訊軟件設(shè)計(jì)

主控系統(tǒng)和云服務(wù)器之間的無線數(shù)據(jù)傳輸是通過GPRS業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)。處理器通過串口發(fā)出的AT指令建立通信鏈路。AT指令集的指令格式都以AT開頭，下面是常用連接GPRS業(yè)務(wù)的AT指令?！癆T＼r”返回“OK”表示設(shè)置成功；“AT + CGATT = ？ ＼r”，返回值1表示服務(wù)器連接正常，處于連接狀態(tài)；“AT+ CGATT = 1＼r”，返回“OK”，表示連接成功；“AT + CGD-CONT = 1”，“IP”，“CMNET ＼ r”，返回OK表示設(shè)置成功。上述命令成功設(shè)置后，即可建立GPR連接，與云服務(wù)器建立通信鏈路，傳輸圖像信息。

主控系統(tǒng)與車主手機(jī)之間的無線數(shù)據(jù)傳輸是通過短信業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)的。主要采用的是TEXT模式來發(fā)送短信，該模式只要輸入對(duì)方的手機(jī)號(hào)碼即可以給對(duì)方發(fā)送短信，其接口協(xié)議是通過AT指令來傳輸文本數(shù)據(jù)的。該軟件只能發(fā)送英文，所以采取圖像網(wǎng)頁鏈接的形式進(jìn)行傳輸。

3.3 云服務(wù)器的運(yùn)行

在云服務(wù)器上運(yùn)行的軟件使用Microsoft Visual Studio 2013和C#語言編寫。軟件功能描述如下：主控系統(tǒng)通過通信系統(tǒng)的GSM模塊向云服務(wù)器發(fā)送建立連接指令，并由軟件返回相應(yīng)的確認(rèn)連接指令；當(dāng)主控系統(tǒng)通過通信系統(tǒng)的GSM模塊向云服務(wù)器發(fā)送圖像采集系統(tǒng)采集到的圖像數(shù)據(jù)時(shí)，該軟件自動(dòng)接收?qǐng)D像數(shù)據(jù)并將圖像儲(chǔ)存在云服務(wù)器的硬盤中，同時(shí)軟件生成該圖像的訪問網(wǎng)頁并將網(wǎng)頁網(wǎng)址返回到GSM模塊，再由GSM模塊將該網(wǎng)址發(fā)送到車主的手機(jī)上。車主可以通過打開地址鏈接訪問云服務(wù)器中儲(chǔ)存的圖像，進(jìn)而查看車內(nèi)情況。具體的數(shù)據(jù)傳輸如圖8所示。

4 結(jié)語

本系統(tǒng)運(yùn)用信息監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的多種傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)車內(nèi)環(huán)境多項(xiàng)數(shù)據(jù)，在防盜的基礎(chǔ)上完善了防誤鎖的功能，并且實(shí)現(xiàn)了本系統(tǒng)與車主的交互功能。通過本系統(tǒng)，車主可以實(shí)時(shí)了解車內(nèi)環(huán)境，面對(duì)突發(fā)情況時(shí)能夠及時(shí)做出應(yīng)對(duì)，有效減少車輛被盜和人員被困的風(fēng)險(xiǎn)。

參考文獻(xiàn)

[1]董娜娜.國內(nèi)外汽車防盜技術(shù)研究現(xiàn)狀[J].商場(chǎng)現(xiàn)代化，2012（27）：270.

[2]王潤清.夏季氣溫與車內(nèi)溫度對(duì)比實(shí)驗(yàn)[J].科技風(fēng)，2012（12）：208-208.

[3]蘇麟祥.DS1820數(shù)字溫度傳感器的功能特性及其設(shè)計(jì)[J].采礦技術(shù)，2000（09）：329-330.

[4]楊百軍，王學(xué)春，黃雅琴.輕松玩轉(zhuǎn)STM32微控制器[M].電子工業(yè)出版社，2016.

[5]李雷.論汽車防盜技術(shù)的發(fā)展前景[J]. 中國市場(chǎng)，2016（15）：47-48.

[6]毛彩云，吳暮春，王海林.汽車防盜系統(tǒng)的發(fā)展[J].汽車維修，2010（03）：41-43.

作者單位

華南理工大學(xué) 廣東省廣州市 510641