車內防誤鎖防盜報警交互系統設計與實現

葉旭彬++張振昭++譚樹威++陳欣騰++曹燕

摘 要本文設計了一款車內防誤鎖防盜報警交互系統，該系統通過信息監測系統的多個傳感模塊收集車內的環境信息，并通過主控系統進行綜合判斷來減少誤判，當有人員被誤鎖車內或者外人進入車內時，及時向車主手機和路人發出警報信息。并且主控系統通過圖像采集系統采集車內環境的圖像并上傳到服務器，車主可以通過手機訪問服務器實時查看車內情況，由此實現了車主與汽車之間的交互。

【關鍵詞】防誤鎖 綜合判斷 減少誤判 交互

1 系統結構和功能

目前，汽車的防盜系統日趨成熟，但是防誤鎖功能和交互功能研究甚少。國內外防盜裝置按其結構與功能可分四大類：機械式、芯片式、電子式和網絡式。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結合拓展更多人性化功能。

為了解決上述問題，本系統由多個子系統組合而成，各個子系統包括主控系統、信息監測系統、圖像采集系統、通信系統和警報系統。各系統之間的連接如圖1所示。各個子系統的功能如下：信息監測采集系統負責對車內的環境參數（振動參數、溫度參數、人體紅外線參數）進行實時檢測并采集；主控系統負責控制其他各個子系統的運行和對其他系統的反饋信息進行綜合判斷處理；圖像采集系統負責對車內的圖像進行采集；警報系統負責向車內及車外人員發送警報聲音；通信系統負責主控系統分別與信息監測采集系統和車主手機進行信息交互和通信。

2 各系統硬件設計

2.1 主控系統

主控系統采用STM32芯片，其安裝在車內儀表盤的下方。STM32芯片管腳外接電源和總開關，為主控系統供電和控制整個系統的開啟和關閉；相對應管腳外接晶振電路，給予系統基本時鐘信號。其他GPIO口（通用輸入輸出口）分別與通信系統的GSM（Global System for Mobile Communication）模塊和nRF（Nordic公司出品的單芯片無線收發芯片）模塊、圖像采集系統的攝像頭、警報系統的蜂鳴器相連接，實現其各自的功能，如圖2所示。

2.2 信息監測采集系統

信息監測采集系統的主要功能是對車內的環境參數進行實時監測采集，并通過通信系統傳遞具體參數給主控系統，為主控系統的綜合判斷提供客觀準確的數據。監測的信息包括振動信息、溫度信息和人體紅外線信息。所以相對應需要的模塊有振動感應模塊、溫度感應模塊和人體紅外感應模塊。為了更好地采集這些信息參數，可以將在車內的每個座椅下安放振動感應模塊、溫度感應模塊和人體紅外感應模塊進行防誤鎖信息的監測，在汽車側窗玻璃內側和前后擋風玻璃內側安裝振動感應模塊進行防盜信息的監測。為了更好地傳遞監測信息，每個信息監測模塊都會有一個獨立的通信系統的nRF模塊。該模塊通過無線通信的方式將監測信息傳遞給主控系統，如圖3所示。

2.2.1 振動感應模塊

振動感應模塊主要是感應聲波的振動，采用801S振動檢測傳感器，具有極寬的振動偵測范圍、無方向限制、低損耗、靈敏度可由電路調整、TTL電平觸發等特點。

2.2.2 溫度感應模塊

溫度感應模塊主要是實時感應車內的溫度，經過調查發現經過夏日暴曬，車廂內的溫度可以高達78.5℃，這個溫度對人體是十分危險的，因此將車內合理溫度范圍設定為4～35℃。

本系統采用的DS18B20單線數字溫度計其測溫范圍為-55～+125℃，并且以 0.5℃遞增，可以涵蓋設定的溫度范圍，而且溫度以九位數字量讀出，單線接口僅需一個端口引腳進行通訊，具有讀數方便，通信簡單、安裝簡便的特點。

2.2.3 人體紅外感應模塊

人體紅外感應模塊主要的功能是實時感應車內的人體紅外線，檢測車內是否有人員的存在。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的自動控制模塊，采用德國原裝進口LHI778 探頭設計，具有靈敏度高，可靠性強，超低電壓工作模式的特點。該模塊可以感應到100°的角度，最大半徑是7米，當人進入其感應范圍則輸出高電平，人離開感應范圍則自動延時關閉高電平，輸出低電平。

2.3 通信系統

通信系統是負責主控系統與車主手機、主控系統與信息監測系統之間的通信，主要包括nRF模塊、GSM模塊和云服務器。如圖4所示。

2.3.1 nRF模塊

考慮到車內的實際環境，信息監測系統和主控系統通過電路直接連接是不現實的，因此必須采用無線通信的模式。本系統采用的nRF模塊型號是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器件，其具有功耗低、收發方便等特點。

2.3.2 GSM模塊

GSM模塊的功能是建立主控系統與車主手機的短信通信、主控系統與云服務器之間的GPRS通信。本系統采用的是SIMCom公司生產的SIM900模塊，該模塊可以提供GPRS傳輸、短消息等業務。其接口連接如圖5所示，SIM900模塊的TXD 發送數據到STM32處理器的RXD信號線上，RXD從STM32處理器的TXD信號線上接收數據，同時，SIM卡需要內接在SIM900模塊上，STM32處理器可通過AT命令實現對SIM900的傳輸控制。

2.3.3 云服務器

本系統需要一個服務器來儲存圖像采集系統采集到的圖像，考慮到直接購買一個服務器成本太高，不合實際，因此向騰訊云申請一個云服務器CVM（Cloud Virtual Machine）作為本系統的服務器。云服務器配置為1核1GB內存，200Mbps網絡帶寬以及50GB的硬盤，具體如圖6所示。服務器安裝Windows Server 2012 R2 標準版64位中文版系統，并且已經配置好互聯網信息服務IIS（Internet Information Services），既可以滿足系統的功能需求，又可以大大降低成本。

2.4 圖像采集系統

圖像采集系統主要是對車內的情況進行一個直觀的反映，讓車主可以看到車內發生的具體情況。本系統采用的是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 位影響數據。該模塊VGA圖像最高達到30幀/秒。該系統通過在車內頂部的前后各安裝一個攝像頭，可以更加全面地反映車內的實際情況。

2.5 警報系統

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

3 系統軟件設計

3.1 系統整體流程設計

系統采用C語言編寫程序，將程序寫入單片機閃存里，通過 MDK 編譯環境來編譯調試。主芯片進入初始化后，設置信息監測系統的各個傳感器模塊的安全環境參數，開始啟動對各個傳感器模塊的接口掃描。當傳感器模塊的監測值超出預設的參數值時，隔30秒后在進行一次掃描，主控系統的STM32芯片對各個傳感器模塊的兩次反饋信息進行綜合，對照表1，判斷是否屬于異常情況，需要警報系統發出警報聲響和向車主發送信息，其他情況則視為正常，不需要發出警報。如果有人員被誤鎖或者汽車被盜，判斷結果為真，警報系統發出警報聲響通知汽車周圍的人，同時，本系統通過GPRS網絡發送圖像數據到云服務器，云服務器返回圖像網址到GSM模塊，GSM模塊再把網址發送到用戶手機來通知車主。當車主收到消息，可以通過鏈接打開網頁查看有關車內情況的圖像，及時做出應對處理。車主也可以隨時隨地向GSM模塊發送相應的指令的對汽車的狀態進行監測查看。系統的總體流程圖如圖7所示。

系統通過對傳感器模塊反饋的前后兩次信號進行綜合來減少誤判，但是考慮到溫度信息在短時間內的變換很小，所以只對溫度信號進行一次判斷。從表1（異常情況判斷真值表）中可以得出，當在短時間內，主控器收到溫度信號或者不少于兩次的其他信號，系統就會認定為異常情況，需要發出警報聲響和通知車主。

3.2 GSM模塊無線通訊軟件設計

主控系統和云服務器之間的無線數據傳輸是通過GPRS業務實現。處理器通過串口發出的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業務的AT指令。“AT＼r”返回“OK”表示設置成功；“AT + CGATT = ？ ＼r”，返回值1表示服務器連接正常，處于連接狀態；“AT+ CGATT = 1＼r”，返回“OK”，表示連接成功；“AT + CGD-CONT = 1”，“IP”，“CMNET ＼ r”，返回OK表示設置成功。上述命令成功設置后，即可建立GPR連接，與云服務器建立通信鏈路，傳輸圖像信息。

主控系統與車主手機之間的無線數據傳輸是通過短信業務實現的。主要采用的是TEXT模式來發送短信，該模式只要輸入對方的手機號碼即可以給對方發送短信，其接口協議是通過AT指令來傳輸文本數據的。該軟件只能發送英文，所以采取圖像網頁鏈接的形式進行傳輸。

3.3 云服務器的運行

在云服務器上運行的軟件使用Microsoft Visual Studio 2013和C#語言編寫。軟件功能描述如下：主控系統通過通信系統的GSM模塊向云服務器發送建立連接指令，并由軟件返回相應的確認連接指令；當主控系統通過通信系統的GSM模塊向云服務器發送圖像采集系統采集到的圖像數據時，該軟件自動接收圖像數據并將圖像儲存在云服務器的硬盤中，同時軟件生成該圖像的訪問網頁并將網頁網址返回到GSM模塊，再由GSM模塊將該網址發送到車主的手機上。車主可以通過打開地址鏈接訪問云服務器中儲存的圖像，進而查看車內情況。具體的數據傳輸如圖8所示。

4 結語

本系統運用信息監測系統的多種傳感器實時檢測車內環境多項數據，在防盜的基礎上完善了防誤鎖的功能，并且實現了本系統與車主的交互功能。通過本系統，車主可以實時了解車內環境，面對突發情況時能夠及時做出應對，有效減少車輛被盜和人員被困的風險。

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作者單位

華南理工大學 廣東省廣州市 510641