车内防误锁防盗报警交互系统设计与实现

叶旭彬++张振昭++谭树威++陈欣腾++曹燕

摘 要本文设计了一款车内防误锁防盗报警交互系统，该系统通过信息监测系统的多个传感模块收集车内的环境信息，并通过主控系统进行综合判断来减少误判，当有人员被误锁车内或者外人进入车内时，及时向车主手机和路人发出警报信息。并且主控系统通过图像采集系统采集车内环境的图像并上传到服务器，车主可以通过手机访问服务器实时查看车内情况，由此实现了车主与汽车之间的交互。

【关键词】防误锁 综合判断 减少误判 交互

1 系统结构和功能

目前，汽车的防盗系统日趋成熟，但是防误锁功能和交互功能研究甚少。国内外防盗装置按其结构与功能可分四大类：机械式、芯片式、电子式和网络式。四种/主流防盗器都存在程度不同的缺陷，主要存在只依靠振动传感器来判断汽车是否遭到破坏或被盗，使用判断装置单一，都以防盗为主，均没考虑到汽车误锁的问题。而且没有与车主手机结合拓展更多人性化功能。

为了解决上述问题，本系统由多个子系统组合而成，各个子系统包括主控系统、信息监测系统、图像采集系统、通信系统和警报系统。各系统之间的连接如图1所示。各个子系统的功能如下：信息监测采集系统负责对车内的环境参数（振动参数、温度参数、人体红外线参数）进行实时检测并采集；主控系统负责控制其他各个子系统的运行和对其他系统的反馈信息进行综合判断处理；图像采集系统负责对车内的图像进行采集；警报系统负责向车内及车外人员发送警报声音；通信系统负责主控系统分别与信息监测采集系统和车主手机进行信息交互和通信。

2 各系统硬件设计

2.1 主控系统

主控系统采用STM32芯片，其安装在车内仪表盘的下方。STM32芯片管脚外接电源和总开关，为主控系统供电和控制整个系统的开启和关闭；相对应管脚外接晶振电路，给予系统基本时钟信号。其他GPIO口（通用输入输出口）分别与通信系统的GSM（Global System for Mobile Communication）模块和nRF（Nordic公司出品的单芯片无线收发芯片）模块、图像采集系统的摄像头、警报系统的蜂鸣器相连接，实现其各自的功能，如图2所示。

2.2 信息监测采集系统

信息监测采集系统的主要功能是对车内的环境参数进行实时监测采集，并通过通信系统传递具体参数给主控系统，为主控系统的综合判断提供客观准确的数据。监测的信息包括振动信息、温度信息和人体红外线信息。所以相对应需要的模块有振动感应模块、温度感应模块和人体红外感应模块。为了更好地采集这些信息参数，可以将在车内的每个座椅下安放振动感应模块、温度感应模块和人体红外感应模块进行防误锁信息的监测，在汽车侧窗玻璃内侧和前后挡风玻璃内侧安装振动感应模块进行防盗信息的监测。为了更好地传递监测信息，每个信息监测模块都会有一个独立的通信系统的nRF模块。该模块通过无线通信的方式将监测信息传递给主控系统，如图3所示。

2.2.1 振动感应模块

振动感应模块主要是感应声波的振动，采用801S振动检测传感器，具有极宽的振动侦测范围、无方向限制、低损耗、灵敏度可由电路调整、TTL电平触发等特点。

2.2.2 温度感应模块

温度感应模块主要是实时感应车内的温度，经过调查发現经过夏日暴晒，车厢内的温度可以高达78.5℃，这个温度对人体是十分危险的，因此将车内合理温度范围设定为4～35℃。

本系统采用的DS18B20单线数字温度计其测温范围为-55～+125℃，并且以 0.5℃递增，可以涵盖设定的温度范围，而且温度以九位数字量读出，单线接口仅需一个端口引脚进行通讯，具有读数方便，通信简单、安装简便的特点。

2.2.3 人体红外感应模块

人体红外感应模块主要的功能是实时感应车内的人体红外线，检测车内是否有人员的存在。本模块选择采用捷深科技公司的HC-SR501模块，该模块是基于红外线技术的自动控制模块，采用德国原装进口LHI778 探头设计，具有灵敏度高，可靠性强，超低电压工作模式的特点。该模块可以感应到100°的角度，最大半径是7米，当人进入其感应范围则输出高电平，人离开感应范围则自动延时关闭高电平，输出低电平。

2.3 通信系统

通信系统是负责主控系统与车主手机、主控系统与信息监测系统之间的通信，主要包括nRF模块、GSM模块和云服务器。如图4所示。

2.3.1 nRF模块

考虑到车内的实际环境，信息监测系统和主控系统通过电路直接连接是不现实的，因此必须采用无线通信的模式。本系统采用的nRF模块型号是nRF24L01无线模块，它是一款工作在2.4GHz～2.5GHz的ISM（Industrial Scientific Medical）频段的新型单片射频收发器件，其具有功耗低、收发方便等特点。

2.3.2 GSM模块

GSM模块的功能是建立主控系统与车主手机的短信通信、主控系统与云服务器之间的GPRS通信。本系统采用的是SIMCom公司生产的SIM900模块，该模块可以提供GPRS传输、短消息等业务。其接口连接如图5所示，SIM900模块的TXD 发送数据到STM32处理器的RXD信号线上，RXD从STM32处理器的TXD信号线上接收数据，同时，SIM卡需要内接在SIM900模块上，STM32处理器可通过AT命令实现对SIM900的传输控制。

2.3.3 云服务器

本系统需要一个服务器来储存图像采集系统采集到的图像，考虑到直接购买一个服务器成本太高，不合实际，因此向腾讯云申请一个云服务器CVM（Cloud Virtual Machine）作为本系统的服务器。云服务器配置为1核1GB内存，200Mbps网络带宽以及50GB的硬盘，具体如图6所示。服务器安装Windows Server 2012 R2 标准版64位中文版系统，并且已经配置好互联网信息服务IIS（Internet Information Services），既可以满足系统的功能需求，又可以大大降低成本。

2.4 图像采集系统

图像采集系统主要是对车内的情况进行一个直观的反映，让车主可以看到车内发生的具体情况。本系统采用的是OV7670/OV7171 CAMERACHIPTM 图像传感器，该模块体积小、工作电压低，提供单片 VGA 摄像头和影像处理器的所有功能，通过SCCB总线控制，可以输出整帧、子采样、取窗口等方式的各种分辨率 8 位影响数据。该模块VGA图像最高达到30帧/秒。该系统通过在车内顶部的前后各安装一个摄像头，可以更加全面地反映车内的实际情况。

2.5 警报系统

警报系统的功能是在接到主控系统的指令后可以发出警报声响，引起车外旁边人员的注意，达到向路人求救的效果。本系统采用8050三极管驱动的蜂鸣器，该器件由高电平触发，具有触发简单、功耗低等特点。为了更好地向车外传递警报声响，该系统将蜂鸣器安装在车辆的方向盘下方。

3 系統软件设计

3.1 系统整体流程设计

系统采用C语言编写程序，将程序写入单片机闪存里，通过 MDK 编译环境来编译调试。主芯片进入初始化后，设置信息监测系统的各个传感器模块的安全环境参数，开始启动对各个传感器模块的接口扫描。当传感器模块的监测值超出预设的参数值时，隔30秒后在进行一次扫描，主控系统的STM32芯片对各个传感器模块的两次反馈信息进行综合，对照表1，判断是否属于异常情况，需要警报系统发出警报声响和向车主发送信息，其他情况则视为正常，不需要发出警报。如果有人员被误锁或者汽车被盗，判断结果为真，警报系统发出警报声响通知汽车周围的人，同时，本系统通过GPRS网络发送图像数据到云服务器，云服务器返回图像网址到GSM模块，GSM模块再把网址发送到用户手机来通知车主。当车主收到消息，可以通过链接打开网页查看有关车内情况的图像，及时做出应对处理。车主也可以随时随地向GSM模块发送相应的指令的对汽车的状态进行监测查看。系统的总体流程图如图7所示。

系统通过对传感器模块反馈的前后两次信号进行综合来减少误判，但是考虑到温度信息在短时间内的变换很小，所以只对温度信号进行一次判断。从表1（异常情况判断真值表）中可以得出，当在短时间内，主控器收到温度信号或者不少于两次的其他信号，系统就会认定为异常情况，需要发出警报声响和通知车主。

3.2 GSM模块无线通讯软件设计

主控系统和云服务器之间的无线数据传输是通过GPRS业务实现。处理器通过串口发出的AT指令建立通信链路。AT指令集的指令格式都以AT开头，下面是常用连接GPRS业务的AT指令。“AT＼r”返回“OK”表示设置成功；“AT + CGATT = ？ ＼r”，返回值1表示服务器连接正常，处于连接状态；“AT+ CGATT = 1＼r”，返回“OK”，表示连接成功；“AT + CGD-CONT = 1”，“IP”，“CMNET ＼ r”，返回OK表示设置成功。上述命令成功设置后，即可建立GPR连接，与云服务器建立通信链路，传输图像信息。

主控系统与车主手机之间的无线数据传输是通过短信业务实现的。主要采用的是TEXT模式来发送短信，该模式只要输入对方的手机号码即可以给对方发送短信，其接口协议是通过AT指令来传输文本数据的。该软件只能发送英文，所以采取图像网页链接的形式进行传输。

3.3 云服务器的运行

在云服务器上运行的软件使用Microsoft Visual Studio 2013和C#语言编写。软件功能描述如下：主控系统通过通信系统的GSM模块向云服务器发送建立连接指令，并由软件返回相应的确认连接指令；当主控系统通过通信系统的GSM模块向云服务器发送图像采集系统采集到的图像数据时，该软件自动接收图像数据并将图像储存在云服务器的硬盘中，同时软件生成该图像的访问网页并将网页网址返回到GSM模块，再由GSM模块将该网址发送到车主的手机上。车主可以通过打开地址链接访问云服务器中储存的图像，进而查看车内情况。具体的数据传输如图8所示。

4 结语

本系统运用信息监测系统的多种传感器实时检测车内环境多项数据，在防盗的基础上完善了防误锁的功能，并且实现了本系统与车主的交互功能。通过本系统，车主可以实时了解车内环境，面对突发情况时能够及时做出应对，有效减少车辆被盗和人员被困的风险。

参考文献

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作者单位

华南理工大学 广东省广州市 510641