基于多传感器融合及GSM的汽车智能语音报警器

基于多传感器融合及基于多传感器融合及 GSM 的汽车智能语音报警器的汽车智能语音报警器 摘摘 要要 本文利用多传感器信息融合理论在监测领域的优势 以及 GSM 数字蜂窝 移动通信网远程报警控制在报警执行方面的优势的基础上 研制了基于多传感 器信息融合及 GSM 的汽车防盗系统 利用多传感器信息融合技术构建了构建 了汽车防盗系统的结构模型 以 GSM 的话音业务与 SMS 短消息业务为报警执 行的主要功能 以 ATMEGA16 作为系统的 MCU 测试结果表明 本汽车防盗系统能够较为准确地进行汽车防盗预警 降低 了误报警率 可以对车辆进行远程监控和定位 具有防盗 防劫 跟踪 定位 遥控等多种功能 并具有经济 环保的特点 关键词 汽车防盗关键词 汽车防盗 信息融合信息融合 传感器传感器 ATMEGA16ATMEGA16 GSMGSM 远程控制远程控制 SMSSMS 话音业务话音业务 1 1 绪绪 论论 1 11 1 汽车安防产品现状概述汽车安防产品现状概述 随着我国改革开放 汽车越来越成为人们生活中不可缺少的一部分 而车 辆被盗的数量也逐年上升 国际上通行的汽车防盗核心是防止 汽车整车 被 盗 也就是说汽车防盗器就是一种安装在车上 用来增加盗车难度 延长盗车 时间的装置 1 21 2 汽车防盗系统的设计思想汽车防盗系统的设计思想 采用多传感器信息融合技术的汽车防盗系统 选择多种适于汽车防盗的传 感器件构成系统的监测模块 由于监测模块可以充分利用多种传感器在性能上 的差异性与互补性 以及多个同类而不同位置的传感器在空间上的差异性 使 得其收集来的来自各个传感器的传感信息极具针对性 在获得传感信息后 监 测模块将采集到的信息送至 MCU MCU 利用数据融合的方式进行数据分析 以判 定汽车的状态 另外 在防盗系统确定汽车处于遇警状况后 MCU 采用直接阻断汽车发动 机的点火电路的方法使汽车无法开动 同时 报警系统立即通过 GSM 手机模 块进行拨号报警 通过语音模块向车主传达报警信息 同时由 DTMF 解码模块 识别车主的操作 监听 控制现场 以及报警短信的传送 这样 不但能够做到 报警及时 也消除了噪声扰民现象的发生 2 2 多传感器信息融合汽车防盗系统的模型构建多传感器信息融合汽车防盗系统的模型构建 多传感器信息融合是指协同使用多种传感器 并将各种传感信息有效地结 合起来 形成高性能感知系统来获取对环境的一致性描述的过程 它的最终目 的是利用多个传感器共同或联合操作的优势 来提高整个传感系统的有效性 本防盗系统将警报划分为 整车搬运 车体破坏 非法开启 三个等 级 微波多普勒传感器为第一级监测器件 作为其它传感器件的触发器件使用 加速度传感器与霍尔传感器作为第二级监测器件 利用三个传感器进行融合报 警 整车搬运 和 车体破坏 这两个警报等级的融合判决模型如图2 1 图 2 1 倾角检测与振动检测串行结构图 警报等级 非法开启 的融合判决模型如图2 2所示 图2 2 霍尔器件检测串行结构图 以上即为多传感器信息融合的汽车防盗系统的信息融合模型 在此基础之 上就可以对系统的各个模块进行细化设计 以完成系统的整个功能 由于传感器数据缺乏先验信息 具有未知性和不确定性 并且各种不同类 型的传感器在系统中的可信度及作用各不相同 故采用加权的D S Dempster Shafer 证据理论进行信息融合处理 3 汽车防盗系统的硬件设计汽车防盗系统的硬件设计 3 1 系统总体方案系统总体方案 基于多传感器信息融合技术及 GSM 的汽车防盗系统总体硬件体系结构图 如图 3 1 所示 主要包括监测模块 中央处理模块 GSM 手机模块 TDMF 解 码模块 报警执行模块等部分 车况异常现象车况异常现象 开关检测开关检测距离检测距离检测报警报警 S1 U2U1 车况异常现象车况异常现象 距离检测距离检测报警报警倾斜振动检测倾斜振动检测 S1 U1U2 U2 U0 图 3 1 系统硬件体系结构示意图 3 2 防盗系统的电源设计防盗系统的电源设计 考虑到汽车供电是 12V 的直流电源以及汽车启动瞬间的降压使 GSM 手机 模块停止工作的问题 设计中选择 DC DC 转换芯片 LM2576 5 它的输入范围 为 1 23V 37V 输出为 5V 在掉电情况下的输出维持时间很长 且 LM2576 5 效率高 发热量小 不须增加散热片 满足系统设计要求 系统电源模块电路图如图 3 2 所示 GSM 手机手机 模块模块 语音语音 模块模块 蜂鸣器蜂鸣器 1 多普勒传感器多普勒传感器 2 三轴加速传感器三轴加速传感器 3 霍尔器件霍尔器件 扬声器扬声器 单单 片片 机机 RS232 DTMF 解码解码 电源模块电源模块 遥控遥控 报警报警 接收接收 器器 遥控器遥控器 图 3 2 电源模块电路图 实验结果表明 LM2576 5 可稳定输出 5V 的电压 经示波器观察 12V 掉 电后 5V 电平保持在 7 秒以上 3 3 防盗系统的监测模块防盗系统的监测模块 防盗系统的监测模块由微波多普勒传感器组 振动传感器组 霍尔器件组 和热释电红外传感器组成 用于汽车防盗信息的采集以及数据的初步融合处理 3 3 1 微波多普勒传感器对预警范围的入侵监测微波多普勒传感器对预警范围的入侵监测 微波多普勒传感器采用 Agilis 的 HBl00 微波运动传感器模块 是整个防盗 系统的第一级模块 用来对设定预警范围内运动物体的监测 当预警范围内有 运动物体时 模块向 MCU 输出报警信号 由 MCU 进行数据处理 图 3 3 微波多普勒监测模块原理图 如图 3 3 前半部分电路为 HB100 信号采集及处理电路 可将监测电路的 上电时间进行延迟以防止系统由于过早启动而引起误报警 后半部分电路为简 化的窗口比较器 它将 HB100 的输出电压信号与设定的阈值比较 从而将输入 的模拟信号转换为数字信号并送入 MCU 这样就实现传感信息的初步融合且可 作为其他传感器的开启信号 3 3 2 加速度传感器对车体振动与倾斜进行监测加速度传感器对车体振动与倾斜进行监测 加速度传感器采用 Analog Device 设计生产的超低功耗 ADXL345 三轴加速 度计 它可以在倾斜检测中测量静态重力加速度 也可在振动检测中测量运动 或冲击导致的动态加速度 对于拖车或整体搬运的盗车方式 如果车体的角度相对于初始状态改变 5 就可判定有盗车情况发生 对于破坏车体行为 通过对车体微小振动的测量 在小段时间内 如果振动的能量超过设定的阈值 就可判定有破坏汽车的情况 发生 ADXL345 的应用方案如图 3 4 所示 图 3 4 ADXL345 的应用方案 3 3 3 霍尔开关器件对车门的开关进行监测霍尔开关器件对车门的开关进行监测 霍尔器件选择 Allegro Micro System 的低功耗 A3210E 分布在汽车四个车门 再将每个开关器件的输出信号采用硬件进行 或 运算 得到的融合结果送至 MCU 图 3 5 单个霍尔开关器件的应用原理图 3 4 防盗系统的报警执行模块防盗系统的报警执行模块 3 4 1 GSM 手机通信模块设计手机通信模块设计 GSM系统是我国目前蜂窝移动通信系统的主体 该系统目前已建成的覆盖 全国的GSM数字蜂窝移动通信网 是我国公众移动通信网的主要方式 主要提 供话音 短消息 数据等多种业务 Siemens公司的 TC35 模块主要由 GSM 基带处理器 GSM 射频模块 供电模块 ASIC 闪存 ZIF 连接器 天线接 口六部分组成 作为 TC35 的核心 基带处理器主要处理 GSM终端内的语音 数据信号 并涵盖了蜂窝射频设备中的所有的模拟和数字功能 在不需要额外 硬件电路的前提下 可支持 FR HR 和 EFR 语音信道编码 TC35 通过串口与 MCU 相接 实现与 MCU 之间 AT 指令的收发 TC35 有 俩个语音接口 每个接口均有模拟麦克风输入和模拟耳机输出 在 TC35 外围 加上语音电路就可以实现对现场情况的监控 GSM 模块包括系统语音通道和 MIC 通道 MCU 通过发 AT 指令来控制这两个通道的切换 这主要用于语音芯 片 ISD25120 中存储语音和麦克风之间的切换 设计中 将 TC35 的 EPN1 管脚 加上适当的电阻电容后接入 DTMF 解码器的输入端就可实现和车主手机之间 DTMF 信号的传输 这样 当车主和报警器上的电话处于通话状态时 如果有 按键行为 这时所产生的 DTMF 信号经 TC35 发送到 DTMF 解码芯片 所产生 的解析后的信号传送到 MCU MCU 再根据此信号决定相应的操作 3 4 2 语音录放电路设计语音录放电路设计 语音录放电路用于储存向车主报告的报警信息 以及车主对报警系统发送 指令时的语音提示 根据本系统提示语音的数量与长度 以及为了系统功能的 扩展 选择美国 ISD 公司的 ISD25120 语音芯片 语音模块包括语音芯片和放 音电路 事先录制好的多段语音信息存储在 ISD25120 中 MCU 通过对 ISD25120 存储器的访问和控制将语音信号送入 GSM 模块发送或送入现场扬声 器播放 单片机与 ISD25120 的接口电路如图 3 4 3 DTMF 解码电路解码电路 DTMF 双音多频 是用两个特定的单音频组合信号来代表数字信号以实现其 功能的一种编码技术 本设计采用双音多频解码芯片 MT8870 音频输出口 EPN1 外接 MT8870 的输入端 实现 MCU 与固定电话的 DTMF 传输 振铃输 出端与单片机的定时 计数器 T0 端相连 若检测到有外部电话呼入就对 TC35 的 RING 脚输出的振铃信号进行计数 等待固定的振铃次数后就接通电话并对 呼入电话进行合法性验证 同时显示相应的语音提示信息 若不是监控中心呼 入的电话就挂机返回检测循环 若确认是监控中心的电话就等待接收监控中心 发来的数据命令 并对命令进行相应的处理 完成后返回检测循环 电路如图 3 4 4 闪光报警和自锁操作闪光报警和自锁操作 汽车防盗系统在进行短信息报警 语音报警的同时车灯也不断闪烁 表示 汽车出现异常情况 在确定汽车处于危险状态下 MCU 可以进行汽车自锁操作 直接阻断汽车的点火电路 使窃贼进入车内也无法将车开走 3 5 中央处理模块设计中央处理模块设计 考虑到系统传输信息的大小 报警的时效性 数据采集量大小 车载电源 放电量有限及车载系统更新换代快 软件升级周期短 本系统采用两片 ATMEGA16 的主从结构作为主控制器 主机部分主要管理远程的拨号 来电处理 完成语音传送及 DTMF 解码等 操作 该部分通过 RS 232 串口实现与 GSM 手机模块的短信传输与通话控制 通过 DTMF 解码实现按键的识别 完成与车主的互动对话 并管理从机发送的 报警信号 从机部分负责现场数据采集及融合 传感器监控 执行控制 蜂鸣器报警 声音提示等任务 从机融合监测模块采集并识别的各个传感器的报警信号 向 主机发送相应报警信息 通过语音模块向车主传送相应的语音信息 执行车主 相应的控制信号 4 系统软件设计系统软件设计 系统软件部分主要负责报警器人工智能的实现其中 接听电话程序包括建 立在 DTMF 解码识别基础上的车主身份验证 报警电话号码的存储 远程布防 撤防等人机对话任务 部分软件流程如图 图 4 1 系统软件整体结构示意图 主主 机机 系系 统统 程程 序序 整机初始化整机初始化 接听电话程序接听电话程序 拨打报警电话拨打报警电话 GSM 短信模块控制短信模块控制 电源管理程序电源管理程序 通信模块通信模块 传感器接口程序传感器接口程序 报警信息处理报警信息处理 语音管理程序语音管理程序 图 4 2 主机系统防盗报警程序流程图 开始开始 初始化初始化 GSM 开机开机 延时延时 开中断开中断 有来电有来电 中断口电中断口电 位变低位变低 结束返回结束返回 接听电话模块接听电话模块 结束返回结束返回 执行相应命令 执行相应命令 完成人机对话完成人机对话 DTMF 解码解码模模 块块 延时延时 现场报警现场报警 拨号报警模块拨号报警模块 编辑发短信模编辑发短信模 块块 结束返回结束返回 5 5 联机调试联机调试 以下是各部分的联机调试结果 中央处理模块 安装方案 微波传感器作为防盗预警的第一级开关 应具有较宽的监测范 围 但预警距离应适宜 防止过大的监测范围会获得过多干扰 由于其水平方 向只具有 120 度范围 所以采用两个 HB100 对射的方法覆盖全部监测范围 对于车体倾斜角度和振动能量的测量 由于是利用 CPU 的系统软件进行标 定 具有零温漂和温漂的补偿功能 但对于振动的监测 传感器须置于能够与 车体刚性连接的部位 以减小阻尼对振动能量的削弱 参考文献参考文献 1 于耀东 汽车专业论文 基于多传感器信息融合技术的汽车防盗系统研究 2005 6 1 2 苏江福 基于 GSM 网络的智能家居监控系统设计与实现 2008 5 3 陈晓琴 基于多传感器信息融合技术的汽车防盗系统设计 2010 12 4 高玉花 基于 GSM 的远程无线监控系统在电力系统的应用研究 2003 11 6