漢中市氣象局 姜宗元 劉 茜 李 天 樊潔馨

基于樹莓派的汽車安全智能防護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計

漢中市氣象局 姜宗元 劉 茜 李 天 樊潔馨

基于樹莓派為基礎(chǔ)，采用多種傳感器模塊、地理位置定位模塊和4G無線傳輸模塊，設(shè)計出一種以防護(hù)為主兼具反盜竊功能的汽車智能防護(hù)系統(tǒng)。此系統(tǒng)能夠使車主通過手機(jī)微信在車輛發(fā)生下列安全隱患，有人或者物體接近、車輛被撞擊或者車輛發(fā)生位移時自動收到汽車周圍的視頻圖片情況及汽車的地理位置信息，從而達(dá)到智能防護(hù)和防盜的效果。

樹莓派；汽車；安全；智能防護(hù)

0 引言

隨著生活水平的提高和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，汽車已經(jīng)成為每個家庭基本交通工具。特別是近幾年以來，家用小汽車的數(shù)量急劇增加。隨著汽車電子技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在的小汽車都普遍配備了電子防盜系統(tǒng)和中控門鎖系統(tǒng)，但是，道高一尺魔高一丈，黑客仍舊能夠有針對性的使用汽車解碼器對這些系統(tǒng)進(jìn)行破解，從而在車主無任何報警的情況下輕松盜走或者非法闖入車內(nèi)。而且無隨著小汽車數(shù)量的增加，除了汽車偷盜以外，砸碎車窗偷盜車內(nèi)物品和停放車輛被刮蹭經(jīng)常發(fā)生?；谝陨蠁栴}，本文提出一種完全智能的汽車安全防護(hù)系統(tǒng)，此系統(tǒng)可以從遠(yuǎn)、近距離及車輛位置移到等三方面全方位對車輛安全進(jìn)行防護(hù)。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)原理

系統(tǒng)原理是當(dāng)車主通過手機(jī)微信方式啟動安全智能防護(hù)系統(tǒng)后，整個系統(tǒng)便處于安全防護(hù)狀態(tài)。當(dāng)任何物體，包括車輛、動物、人或者其他東西在靠近汽車的50cm以內(nèi)（距離可以設(shè)置），啟動語音設(shè)備，發(fā)出提前保存的語音提示，并根據(jù)靠近方位自動旋轉(zhuǎn)外部攝像頭攝像，將攝像信息通過4G方式發(fā)送到車主手機(jī)中。當(dāng)安全智能防護(hù)系統(tǒng)檢測到車輛震動后同時啟動外部和車內(nèi)攝像頭拍攝視頻，并同步將視頻發(fā)送到車主手機(jī)中。當(dāng)檢測到車輛位置發(fā)生變化后，將車輛的地理位置信息一直不間斷的發(fā)送到車主手機(jī)中。

1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)分為兩個部分，分別為硬件部分和軟件部分。硬件部分按照功能分為四層：采集探測模塊傳感器層（各類傳感器），主處理板層（樹莓派主板），傳輸網(wǎng)絡(luò)層（4G網(wǎng)絡(luò)模塊和移動網(wǎng)絡(luò)）和用戶層（用戶手機(jī)）。軟件部分和硬件部分基本對應(yīng)，但是比硬件分層更詳細(xì)和復(fù)雜。包含各類傳感器的感應(yīng)數(shù)據(jù)采集和地理位置信息采集（基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集）。數(shù)據(jù)傳輸?shù)絉aspberryPI3B后進(jìn)行分析處理決定是否啟動圖像采集和語言報警模塊報警（數(shù)據(jù)分析處理）。如果通過分析發(fā)現(xiàn)存在以下任一情況，一感應(yīng)到有人或其他動物接近汽車距離小于設(shè)定的閥值，二發(fā)現(xiàn)車子震動幅度超過設(shè)定閥值，三發(fā)現(xiàn)車輛的地理位置信息發(fā)生變化，即可自動啟動。并通過4G傳輸模塊給用戶微信一直發(fā)送視頻信息和車輛的地理位置信息。而用戶手機(jī)端通過微信小程序來發(fā)送命令控制防盜系統(tǒng)的開啟和關(guān)閉以及顯示車輛周圍的視頻監(jiān)控情況車輛位置及距離周圍物體信息（顯示控制終端）。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)示意圖

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2 所示，當(dāng)車主通過手機(jī)微信端啟動汽車安全智能防護(hù)系統(tǒng)后，地理位置定位模塊自動啟動，開始獲取到車輛停放的位置信息，保存到RaspberryPI3B的存儲卡中，并將位置信息發(fā)送給車主。同時人體紅外感應(yīng)模塊、超聲波測距模塊和震動傳感器模塊啟動，開始探測周圍的情況。如果感應(yīng)到有動物或者物體靠近車輛，并且通過超聲波測距模塊測定的距離小于設(shè)定的閥值，則啟動語音報警模塊，對靠近的人、動物和其他物體進(jìn)行提醒。同時啟動車外攝像頭模塊開始拍照和攝像，并將物體靠近車輛信息和拍到的視頻保存到RaspberryPI3B的存儲卡中，也通過4G模塊發(fā)送給用戶手機(jī)的微信程序。如果監(jiān)測到車輛震動的強(qiáng)度超過設(shè)定的閥值，說明有人對車輛進(jìn)行損壞，則也啟動車內(nèi)攝像頭開始攝像，并將視頻信息保存和給用戶發(fā)送。并一直判斷車輛的位置信息是否變化，如果發(fā)生變化，則給用戶發(fā)送車輛被盜的提醒，并且 不間斷地給用戶發(fā)送車輛的位置信息和車內(nèi)外的視頻信息。這樣即使車輛被盜，車主仍舊能夠在盜賊沒有任何感知的情況下得到盜賊的信息和被盜車輛的位置信息。

2.2 傳感器數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)設(shè)計

2．2．1 RaspberryPI 3B

樹莓派RaspberryPI是由注冊于英國的慈善組織“Raspberry Pi 基金會”，Eben·Upton/埃·厄普頓為項(xiàng)目帶頭人開發(fā)的世界上最小的卡片式電腦。它是一款基于ARM的微型電腦主板，以SD/MicroSD卡為內(nèi)存硬盤，卡片主板周圍有4個USB接口和一個100 以太網(wǎng)接口，可連接鍵盤、鼠標(biāo)和網(wǎng)線，同時擁有視頻模擬信號的電視輸出接口和HDMI高清視頻輸出接口。樹莓派3B 型構(gòu)建在1.2GHz 四核 Broadcom BCM2837 64 位 ARMv8 處理器上，內(nèi)置的無線和藍(lán)牙連接， 板載BCM43438 WiFi和低功耗藍(lán)牙 (BLE)，自帶1GB RAM，4 個 USB 2 端口和40 針擴(kuò)展 GPIO，并且包含HDMI 和 RCA 視頻輸出。

RaspberryPI 3B作為整個汽車安全智能防護(hù)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，承擔(dān)著所有傳感器模塊的接入和數(shù)據(jù)采集，各類的數(shù)據(jù)存儲數(shù)據(jù)分析實(shí)時處理和軟件的運(yùn)行，并與通信子系統(tǒng)的連接和信息傳輸，是整個系統(tǒng)的核心。選擇RaspberryPI3B作為整個系統(tǒng)的核心是因?yàn)樗詢r比高、運(yùn)行穩(wěn)定、功能強(qiáng)大、可擴(kuò)展性強(qiáng)。

2．2．2 傳感器選型

傳感器選型的成功與否直接決定了整個系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性。經(jīng)過大量的實(shí)驗(yàn)，對多種傳感器進(jìn)行對比測試，同時考慮性價比方面的因素，選擇如下傳感器：紅外感應(yīng)傳感器選用HC-SR501，它是一種熱釋電紅外傳感器，能檢測人或動物發(fā)射的紅外線而輸出電信號的傳感器。這個傳感器模塊的工作電壓范圍在DC5V至DC20V，靜態(tài)功耗比較低只有65微安，感應(yīng)范圍在120度角以內(nèi)，最大感應(yīng)距離7米。超聲波測距傳感器選用US-100模塊，US-100超聲波測距模塊工作電壓范圍在DC2.4V至DC5.5V，可實(shí)現(xiàn)2cm至4.5m的非接觸測距功能，靜態(tài)功耗低于2mA，自帶溫度傳感器對測距結(jié)果進(jìn)行校正，是一款性能比較優(yōu)異的超聲波傳感器。震動傳感器選用SW-1801P震動感應(yīng)模塊，采用高靈敏度震動開關(guān)，輸出信號干凈波形好，工作電壓在DC3.3V至DC5V，輸出純數(shù)字開關(guān)量0和1。攝像頭模塊車內(nèi)選用Raspberry Pi PiNoir Camera V2，這款攝像頭板可直接連接Raspberry Pi，特別適用于黑暗中攝影和錄視頻，當(dāng)然夜視需要增加紅外燈。這個模塊利用 Sony 的 IMX219PQ CMOS圖像傳感器，提供高速視頻成像和高靈敏度，它還具有自動控制功能，如曝光控制、白平衡和亮度檢測。最高可以達(dá)到8百萬像素，支持 1080p、720p60 和 VGA90。車外攝像頭選用采用OV2710視頻芯片的廣角USB攝像頭最大200萬像素，高清畫質(zhì)，支持1080P 30fps 高幀率和MJPEG編碼壓縮，QVGA最高可達(dá)到120幀，感光面1/2.7尺寸，非常優(yōu)秀的室外效果，加裝夜視紅外燈和IR-CUT后可以夜視拍照和視頻。

2.3 無線通信子系統(tǒng)的設(shè)計

無線通信的4G模塊選用華為公司的 ME909S-821 MINIPCIE LTE 4G全網(wǎng)通模塊,ME909s-821 支持電信4G,移動4G、3G、2G,聯(lián)通4G、3G、2G,支持USB,支持UART,支持語音。使用Mini PCIE轉(zhuǎn)USB來直接和RaspberryPI3B的USB口連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸通信。

ME909s-821 LGA 模塊支持 USB 2.0高速接口。VBAT電源直接給USB接口供電。USB輸入/輸出線兼容 USB 2.0接口規(guī)范，USB接口電路如圖3所示。

圖3 4G模塊USB接口電路圖

2.4 位置定位子系統(tǒng)的設(shè)計

地理位置定位模塊選用中科微電子的ATGM332D-5N的多模功能的定位模塊，它同時支持GPS和BDS導(dǎo)航定位，而且支持日本的QZSS和SBAS系統(tǒng)。具有靈敏度高（跟蹤靈敏度-162dBm）、功耗低（連續(xù)運(yùn)行電壓3.3V電流小于25mA）和定位精度高（定位精度2.5m）的特點(diǎn)。

3 軟件設(shè)計

軟件根據(jù)模塊化分層結(jié)構(gòu)主要分?jǐn)?shù)據(jù)采集、圖像采集、無線通信、地理位置定位和對用戶手機(jī)微信交互程序等部分。軟件程序運(yùn)行在RaspberryPI3B的操作系統(tǒng)之上。軟件前一部分采用Java語言開發(fā)，RaspberryPI3B上有一個基于Java的Pi4J API包來控制GPIO操作，所以數(shù)據(jù)采集、圖像采集、無線通信、地理位置定位等軟件部分直接在RaspberryPI3B上調(diào)試運(yùn)行并和硬件聯(lián)調(diào)測試運(yùn)行一個月以上，確保軟件能夠長期穩(wěn)定運(yùn)行。圖4是軟件的流程圖。

3.1 數(shù)據(jù)采集分析模塊軟件設(shè)計

數(shù)據(jù)采集模塊部分主要是采集人體紅外感應(yīng)模塊、超聲波測距模塊和震動傳感器模塊部分的實(shí)時數(shù)據(jù)，在系統(tǒng)初始化后，采用一秒鐘采集一次數(shù)據(jù)，并實(shí)時分析處理采集到的數(shù)據(jù)，判斷是否有影響汽車安全的因素，如果沒有，則等待繼續(xù)采集數(shù)據(jù)；如果存在安全隱患，則給軟件總控發(fā)送分類的標(biāo)志來判斷是否啟動車內(nèi)外攝像頭。

3.2 圖像采集模塊軟件設(shè)計

圖像數(shù)據(jù)采集模塊分車外采集和車內(nèi)采集兩部分，都是通過前面的數(shù)據(jù)采集分析模塊判斷是否要來啟動。外部圖像采集采用mjpgstreamer來獲取圖像數(shù)據(jù)。具體是將mjpg-streamer下載到RaspberryPI3B上，然后安裝輔助工具，解壓編譯安裝，編寫stream.sh并修改權(quán)限即可。內(nèi)部圖像采集直接采用RaspberryPI3B的Raspbian系統(tǒng)自帶的raspivid來拍攝和處理。

圖4 系統(tǒng)軟件流程圖

表1 GGA語句格式

3.3 無線通信模塊軟件設(shè)計

無線通信4G模塊的軟件部分比較簡單，系統(tǒng)能夠自動識別華為公司的 ME909S-821 MINIPCIE LTE 4G全網(wǎng)通模塊為一個USB設(shè)備，需要另外安裝安裝usb-modeswitch驅(qū)動程序才能夠正確識別，命令如下：sudo apt-get install usb-modeswitch usb-modeswitch-data

然后進(jìn)行內(nèi)核配置和編譯撥號腳本，并設(shè)置為開機(jī)自動撥號后就完成了，這樣在樹莓派一啟動就馬上啟動無線通信模塊就連接到INTERNET做好數(shù)據(jù)的傳輸準(zhǔn)備了。

3.4 全球定位模塊軟件設(shè)計

ATGM332D-5N的多模功能定位模塊的定位模式有三種：BD北斗模式，GP GPS模式，GN雙模模式。為了定位準(zhǔn)確精度更高，我們選用雙模模式。定位的語句格式GGA用來輸出具體的定位信息，包含與接收機(jī)定位、測時相關(guān)的數(shù)據(jù)（表1）。具體GGA語句格式：

$--GGA,hhmmss.ss,llll.llll,a,yyyyy.yyyy,a,x,xx,x.x,x.x,U,x.x,U,xxxx,x.x，x.x*hh＜CR＞＜LF＞

這部分的軟件設(shè)計就是循環(huán)獲取的GNGGA語句，并進(jìn)行解析和處理，得到地理位置信息存儲并發(fā)送到用戶手機(jī)，并和原存儲信息進(jìn)行對比，判斷地理位置信息是否發(fā)生變化。

3.5 微信端軟件設(shè)計

微信端軟件設(shè)計的目的是使車主用戶操作方便簡潔，最優(yōu)的方法就是在RaspberryPI3B上安裝微信客戶端并自動登錄，編寫用程序來控制微信客戶端接收車主手機(jī)微信發(fā)來的命令“啟動”“停止”等來啟動、停止汽車安全智能防護(hù)系統(tǒng)。同時如果監(jiān)測到不安全情況發(fā)生，能夠自動給車主手機(jī)微信發(fā)送報警信息、車輛周圍的圖片、視頻、車輛震動信息、車輛地理位置信息等。要實(shí)現(xiàn)以上功能，這部分軟件要根據(jù)總控部分發(fā)來的狀態(tài)和圖片視頻等自動控制微信端來給車主微信發(fā)送。為了開發(fā)效率，我們使用一個開源的微信個人號接口itchat為基礎(chǔ)來進(jìn)行Python開發(fā)，具體實(shí)現(xiàn)根據(jù)狀態(tài)來自動發(fā)送文本、圖片、視頻等信息，并接收文本信息來控制系統(tǒng)的開啟和關(guān)閉。

4 結(jié)論

本文以RaspberryPI3B為基礎(chǔ)，利用多種傳感器模塊和無線傳輸及地理位置定位等模塊構(gòu)建出一個從初始的針對汽車附件人或物體接近距離判斷、語音報警提醒，中間到對接近人或物體的攝像，以及最后車輛震動和車輛位置信息變化的判斷的車輛安全智能防護(hù)系統(tǒng)，使車主能通過自己的手機(jī)對車輛周圍的狀況、車輛的位置變化及有無故意破壞、是否被盜及盜賊的信息等方面完全掌握。此系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行中得到測試和檢驗(yàn)，確定防護(hù)效果良好。此技術(shù)稍作修改也可以應(yīng)用到其他的安全防護(hù)系統(tǒng)和監(jiān)測系統(tǒng)中去，具有較好的推廣應(yīng)用前景。

[1]王亞軍,張艷．4G通信中的關(guān)鍵技術(shù)之智能天線技術(shù)[J]．

[2]韓宇,張磊,吳澤民．基于嵌入式樹莓派和OpenCV的運(yùn)動檢測與跟蹤系統(tǒng)[J]．

[3]柯博文．樹莓派(Raspberry Pi)實(shí)戰(zhàn)指南[S]．

姜宗元（1976—），男，陜西扶風(fēng)人，軟件工程碩士，研究方向：氣象信息化和嵌入式開發(fā)。