沈 剛, 蔡 強(qiáng), 丁興亞, 撒韞潔

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院, 江蘇 徐州 221116)

為防止汽車(chē)被盜,汽車(chē)制造企業(yè)非常重視汽車(chē)防盜系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和配置,傳感器技術(shù)、無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、數(shù)據(jù)處理技術(shù)和生物識(shí)別身份驗(yàn)證技術(shù)[1-5]等被廣泛應(yīng)用于汽車(chē)防盜系統(tǒng)?；谖锫?lián)網(wǎng)的汽車(chē)智能防盜系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)利用ZigBee技術(shù)、嵌入式技術(shù)、GSM/GPRS技術(shù)、GPS技術(shù)、人臉識(shí)別技術(shù)、地圖定位技術(shù)和Web技術(shù)等開(kāi)發(fā)。該平臺(tái)各功能模塊相對(duì)獨(dú)立,學(xué)生可分階段、針對(duì)性地學(xué)習(xí)和進(jìn)行功能拓展。

1 汽車(chē)智能防盜系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)架構(gòu)分為采集傳輸層、車(chē)載控制器層和遠(yuǎn)程監(jiān)控層(見(jiàn)圖1),具備汽車(chē)狀態(tài)監(jiān)測(cè)、遠(yuǎn)程控制報(bào)警和人臉識(shí)別驗(yàn)證功能。

(1) 采集傳輸層。該層的功能是實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)汽車(chē)的車(chē)況。根據(jù)汽車(chē)被盜的幾種常見(jiàn)情形,用霍爾傳感器進(jìn)行車(chē)門(mén)開(kāi)關(guān)檢測(cè),用振動(dòng)傳感器進(jìn)行車(chē)體振動(dòng)檢測(cè),用微波傳感器和紅外傳感器進(jìn)行人體目標(biāo)監(jiān)測(cè)[6]。采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)初步處理以后,通過(guò)ZigBee無(wú)線(xiàn)傳輸網(wǎng)絡(luò)定時(shí)發(fā)送到車(chē)載控制器層的ZigBee協(xié)調(diào)器。

(2) 車(chē)載控制器層。車(chē)載控制器層具有多項(xiàng)功能,包括:讀取ZigBee協(xié)調(diào)器接收的采集傳輸層定時(shí)發(fā)送的數(shù)據(jù),若發(fā)現(xiàn)異常情況則立刻開(kāi)啟短信報(bào)警；通過(guò)GPRS模塊,將傳感器解析處理后的數(shù)據(jù)和GPS定位信息與遠(yuǎn)程監(jiān)控層的云服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換,并支持反向控制；攝像頭采集駕駛室的圖像,通過(guò)人臉識(shí)別技術(shù)對(duì)人員身份進(jìn)行驗(yàn)證,并根據(jù)身份驗(yàn)證結(jié)果或遠(yuǎn)程監(jiān)控層的反向控制命令來(lái)控制車(chē)輛啟動(dòng)電路。

(3) 遠(yuǎn)程監(jiān)控層。汽車(chē)防盜監(jiān)控系統(tǒng)用于車(chē)況信息的發(fā)布和車(chē)主的反向控制。車(chē)況信息包括各監(jiān)測(cè)項(xiàng)是否有異常和車(chē)輛的地圖定位信息；反向控制包括報(bào)警功能的開(kāi)關(guān)和是否允許身份驗(yàn)證通過(guò)。

圖1 汽車(chē)防盜系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

2 汽車(chē)智能防盜系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì),主要是采集傳輸節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)和車(chē)載控制器的設(shè)計(jì)。傳感器采集傳輸節(jié)點(diǎn)包括傳感器模塊、ZigBee傳輸模塊和采集節(jié)點(diǎn)底板(見(jiàn)圖2)；車(chē)載控制器包括ZigBee協(xié)調(diào)器、GSM/GPRS模塊、GPS模塊、USB攝像頭和ARM主控板。傳感器信號(hào)經(jīng)過(guò)各自模塊的調(diào)理電路輸出到ZigBee傳輸模塊的相應(yīng)引腳。ZigBee傳輸模塊和車(chē)載控制器中的ZigBee協(xié)調(diào)器硬件設(shè)計(jì)完全一樣,采集節(jié)點(diǎn)底板用于為各傳感器模塊和ZigBee模塊供電并連接對(duì)應(yīng)信號(hào)的采集引腳。GSM/GPRS模塊使用ATK-SIM900A通信模塊[7],GPS模塊使用ATK-NEO-6M-V23模塊,兩者均是高性能GPS模塊。ARM主控板使用迅為公司的iTOP-4412開(kāi)發(fā)板,可滿(mǎn)足系統(tǒng)高性能運(yùn)算的需要[8]。

圖2 傳感器采集傳輸節(jié)點(diǎn)組合圖

3 汽車(chē)智能防盜系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 采集傳輸層軟件設(shè)計(jì)

ZigBee網(wǎng)絡(luò)的創(chuàng)建和傳感器數(shù)據(jù)采集傳輸功能的開(kāi)發(fā)利用了TI公司的ZStack協(xié)議棧[9],與車(chē)載控制器通過(guò)串口連接的ZigBee協(xié)調(diào)器創(chuàng)建無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)。終端節(jié)點(diǎn)加入創(chuàng)建好的無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)中,采集與其連接的傳感器數(shù)據(jù),并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絑igBee協(xié)調(diào)器。傳感器數(shù)據(jù)采集傳輸流程見(jiàn)圖3。

圖3 傳感器數(shù)據(jù)采集傳輸流程圖

3.2 車(chē)載控制器層軟件設(shè)計(jì)

車(chē)載控制器層采用了Linux操作系統(tǒng),通過(guò)多任務(wù)方式開(kāi)發(fā)監(jiān)控報(bào)警子系統(tǒng)和人臉識(shí)別身份驗(yàn)證子系統(tǒng)。監(jiān)控報(bào)警子系統(tǒng)包括ZigBee協(xié)調(diào)器數(shù)據(jù)的接收處理、GPS數(shù)據(jù)的接收處理、Socket網(wǎng)絡(luò)通信和短信報(bào)警,其中Socket網(wǎng)絡(luò)通信中包含了繼電器控制。其流程如圖4所示；人臉識(shí)別身份驗(yàn)證子系統(tǒng)包括圖像采集和人臉的檢測(cè)識(shí)別、圖像保存顯示,其流程如圖5所示。通過(guò)GPRS模塊與遠(yuǎn)程監(jiān)控層的云服務(wù)器建立Socket網(wǎng)絡(luò)通信進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

圖4 監(jiān)控報(bào)警子系統(tǒng)各任務(wù)流程圖

圖5 人臉識(shí)別身份驗(yàn)證流程圖

3.3 遠(yuǎn)程監(jiān)控層設(shè)計(jì)

遠(yuǎn)程監(jiān)控層位于租用的阿里云ECS云服務(wù)器。云服務(wù)器提供簡(jiǎn)單、高效的計(jì)算服務(wù),可快速構(gòu)建穩(wěn)定、安全的應(yīng)用,提升運(yùn)維效率、降低IT成本[10]。服務(wù)器與車(chē)載控制器的GSM/GPRS模塊建立網(wǎng)絡(luò)連接后,接收車(chē)載控制器上傳的數(shù)據(jù)并解析存儲(chǔ)到MySQL數(shù)據(jù)庫(kù),Web界面通過(guò)查寫(xiě)數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)車(chē)況顯示、反向控制和地圖實(shí)時(shí)定位。

汽車(chē)防盜監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)是信息發(fā)布與反向控制平臺(tái),主要包括實(shí)時(shí)監(jiān)控面板、報(bào)警關(guān)閉按鈕、實(shí)時(shí)地圖定位和網(wǎng)站備案信息4部分。信息每4 s更新一次,并將更新時(shí)間顯示在監(jiān)控面板上。實(shí)時(shí)監(jiān)控面板的下部有報(bào)警關(guān)閉按鈕,可關(guān)閉車(chē)載控制器的報(bào)警功能。地圖定位是汽車(chē)防盜系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分,用戶(hù)可以通過(guò)定位追蹤自己的車(chē)輛,如果車(chē)輛被盜，可以根據(jù)定位信息找尋車(chē)輛。

4 結(jié)語(yǔ)

基于物聯(lián)網(wǎng)的汽車(chē)智能防盜系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)各功能模塊是獨(dú)立的,可拓展性好,學(xué)生可分階段進(jìn)行各種技術(shù)的專(zhuān)項(xiàng)學(xué)習(xí),也可根據(jù)需要添加其他功能模塊。在教學(xué)過(guò)程中,該平臺(tái)能很好地調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)、探究的興趣,對(duì)提升學(xué)生的創(chuàng)新思維能力和實(shí)驗(yàn)動(dòng)手能力以及鞏固課堂理論知識(shí)起到了積極的作用。