毕业设计毕业论文基于多传感器信息融合技术的汽车防盗系统研究正文.doc

随着中国经济的蓬勃发展，人们的生活水平的日益提高，汽车的应用发展迅速，各类汽车的拥有量不断提高，已经逐渐地成为我国寻常百姓家的新成员。但是在汽车给人们的生活带来了方便的同时，汽车的使用也给人们提出了一大难题汽车防盗。虽然绝大多数汽车都装有汽车防盗器，但是抽样调查显示：在失窃的汽车中，一半以上都是装有汽车防盗系统的。在北京，被盗的机动车辆中装有防盗装置的占总数的68.6%。这些数据足以说明现有汽车防盗装置的防盗手段并不可靠。另外，现今的汽车防盗警报器多使用的是语音报警。为了使警报声有别于环境中的背景声，汽车警报器的音量常常高达125分贝。这种报警声音极具穿透力，给居民生活带来了很大的困扰，某些居民区甚至因此禁止安装汽车报警器。 由此看来，现有的汽车防盗系统不但不能满足汽车防盗的需求，同时还存在着噪声污染、功耗高、作用距离短、误报率高等诸多缺欠。因此，设计新一代的更为可靠、环保的汽车防盗系统是汽车制造业发展一种必然趋势。 目前国际上通用的汽车防盗的核心思想是防止“汽车整车”被盗：也就是说即使盗贼将车门打开进入车内，却仍然无法将车开走。这些防盗装置常用的防盗手段为：机械式防盗、电子式防盗、芯片式数码防盗、GPS网络式防盗以及利用车载电话系统实现防盗功能。(1)机械式防盗器。机械式防盗器是市面上最简单、最廉价的一种，主要分为方向盘锁和排挡锁两大类，其原理是将方向盘和控制踏板锁住，使汽车无法开动。其优点是价格便宜，安装简便。缺点是防盗不彻底，每次拆装麻烦，不用时还要找地方放置。 机械式防盗器主要起到限制车辆操作的作用，在防盗方面作用有限。这种防盗器很难抵挡住利用钢锯等重型工具的盗窃方式。但它们却能拖延偷车贼作案的时间却是事实，一般偷车贼要用几十秒甚至几分钟才能撬开。(2)电子式防盗器。电子式防盗锁是目前应用最广的防盗锁之一，分为单向和双向两种类型。单向的电子防盗系统的主要功能是：无论是发动机盖、行李舱或车门的开启，还是车辆被碰撞，或者是有人闯进车厢，警报器都会发出警报引起车主及他人的注意。双向可视的电子防盗系统相比单向的更为直观，能让车主知道汽车的实时情况，当汽车有异动警报时，遥控器上的显示器会显示汽车的状况，但缺点是有效范围只在200米内。 电子防盗系统的致命伤在于其电子密码和遥控操作方式。当车主用遥控器开关车门时，偷车贼可以用接收器或扫描器盗取遥控器发出的无线电波或红外线，再经过解码，就可以开启汽车的防盗系统。而且，这种防盗器经常会有误报警的情形发生，产生扰民噪声，人们对此也习以为常，使其防盗效果大减。(3)芯片式数码防盗器。芯片式数码防盗器是现在汽车防盗器发展的重点，大多数轿车均采用这种防盗方式作为原配防盗器。芯片式数码防盗器基本原理是锁住汽车的发动机、电路和油路，在没有芯片钥匙的情况下无法启动车辆。数字化的密码重码率极低，而且要用密码钥匙接触车上的密码锁才能开锁。(4)GPS网络式防盗系统。这是一种目前最先进，也是相对最有效的防盗产品。其原理是在车上安装一个小型的GPS系统，通过无线通信网络和GPS监控中心连成一个整体，这种装置具有定位准、监控范围广、主动报警、反应快、找回率高的特点，在车辆被偷之前能够主动通知车主，即便车辆被偷走，该装置也能够协助警方探测出车辆的下落，很快便可以找回失窃车辆。另外，该装置在夜间车主熟睡的时候或车主不在车旁的时候，能够自动识别警情并提醒车主。使用该装置的优点是被盗车辆寻回率高，便于跟踪、控制车辆。缺点是此装置需要一套庞大完善的跟踪系统、24小时的人工监控车辆，相对那些简单的防盗器价格要昂贵些。其并具有车载电话系统。车载电话是兼顾行车安全且又方便时尚的产品，在欧美等发达国家和地区已作为轿车的标准装置而广泛应用在智能防盗功能方面。该系统除正常通讯功能外，当受到异常开启车门或起动等现象时，会按照预设的报警电话语音提示警情报警。即使切断车辆的电源，通讯防盗主机的后备电池也可持续工作8小时，确保防盗功能的持续性。 以上几种防盗装置各有优劣，汽车防盗的发展方向是朝着智能程度更高的芯片式和网络式发展，而这也是我们所选择的方向。一、基于信息融合技术汽车防盗系统的设计思想 多方调研结果表明现有的汽车防盗系统存在着一些共同的缺欠：由于只被动地侧重于汽车遇警情况的处理，对报警器判定盗窃行为的可靠性未有足够重视。生产厂家多采用扩大报警置信区间的方法减少漏报警的发生，报警器的误报率居高不下。另外，由于报警手段多采用语音报警，并且误报率较高，致使报警声也成为环境噪声污染的来源。基于多传感器信息融合技术的汽车防盗系统，在综合分析窃贼盗窃汽车多种常用手法的基础上，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地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微处理器，微处理器利用数据融合的方式进行数据分析，以判定汽车的状态。由此可见，基于信息融合技术的汽车防盗系统在警报监测方面充分地利用了现代传感器技术、微控制器技术和信息融合技术，系统可以主动而准确地判断汽车的状态，提高了系统报警的可靠性。另外，在防盗系统确定汽车处于遇警状况后，微处理器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。防盗系统报警的警报是采用GSM等无线网络，即时直接传送给车主的。同时，车主还可以通过网络对防盗系统进行控制。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。“安全、可靠、环保、便捷”应该是新一代汽车电子产品的趋势。也是汽车安防产品的未来发展方向。二、多传感器信息融合汽车防盗系统的模型构建（一）多传感器信息融合技术概述1多传感器信息融合基本原理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。任何一种传感器都有其独特的优越性，也有一定的局限性。迄今为止，没有任何一种传感器能够同时满足高可靠性、高稳定性、高精度和低成本的要求。但是各种传感器在性能上的差异与互补性却提示我们通过综合分析来自各个传感器的信息，来获取有效、可靠、完整的信息。采用这种方法，即使各个传感器所提供的信息有一定的误差和不确定性，但通过对它们提供的信息进行有效的综合，可以比任何单一传感器获取的信息更可靠、更完整。多传感器信息融合实际上是对人脑综合处理复杂问题的一种功能模拟。在多传感器系统中，各种传感器提供的信息可能具有不同的特征：时变的或者非时变的，实时的或者非实时的，快变的或者缓变的，模糊的或者确定的，精确的或者不完整的，可靠的或者非可靠的，相互支持的或者互补的，也可能是相互矛盾冲突的。多传感器信息融合的基本原理就像人脑综合处理信息的过程一样，它充分地利用多个传感器的资源，通过对各种传感器及其观测信息的合理支配与使用，将各种传感器在空间和时间上的互补与冗余信息依据某种优化准则组合起来，产生对观测环境的一致性解释和描述。信息融合的目标是基于各传感器分离观测目标，通过对信息的优化组合导出更多的有效信息。这是最佳协同作用的结果，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。2信息融合的特点同单一传感器相比，多传感器信息融合有以下几个方面的独特优势：(1)获取更准确的信息。多传感器对环境进行测量，获取大量信息，这些信息有很大的冗余性。对这些冗余信息进行融合可在总体上降低信息的不确定性。(2)获取更精确的信息。对多个传感器获取的大量信息进行融合，可有效地克服随机误差和外界干扰，提高了系统获取信息的精确度。(3)获取复杂的信息。多传感器协调使用可获取环境或物体的各种特征信息，通过融合可得到多特征、高层次的描述，即得到任何一种单一传感器很难获取或无法获取的信息。 (4)降低系统成本。使用大量低成本传感器而不是少量高成本传感器，通过信息融合方法获取高质量信息，降低了系统成本。 (5)提高系统运行速度。使用多传感器，由于其信息的互补性、准确性和精确性，可大大地提高系统的反应能力。 (6)提高系统的可靠性。同时使用多传感器不仅增加了信息的冗余度，也增加了系统的可靠性，即使某一个传感器或某几个传感器失效，系统仍能正常工作。3信息融合的级别按照信息抽象的五个层次，融合可分为五级，即检测级融合、位置级融合、属性(目标)级融合、态势评估与威胁估计。(1)检测级融合。检测级融合是直接在多传感器分布检测系统中检测判决或是信号层上进行的融合。在经典的多传感器检测中，所有局部传感器将检测到的原始观测信号全部直接送给中心处理器，然后利用由经典的统计推断理论设计的算法完成最优目标检测任务。在多传感器分布检测系统中，每个传感器对所获得的观测先进行一定的预处理，然后将压缩的信息传送给其他传感器，最后在某一中心汇总和融合这些信息，产生全局检测判决。通常有两种信号处理形式：一是硬判决融合，即融合中心处理0、1形式的局部判决。另一种是软判决融合，中心除了处理硬判决信息外，还处理来自节点的统计量。在分布检测系统中，对信息的压缩性预处理降低了对通讯带宽的要求。分布式多传感器结构可以降低对单个传感器的性能要求，降低造价。分散的信号处理方式可以增加计算容量。统计推理理论可以粗略地分为假设检测和估计。相应地，分布式信号处理也可分为分布式检测和分布式估计。在分布式检测系统中，由于融合中心只能得到经过压缩后的观测信息，因此相对于集中式检测会有性能损失。通过对传感器信息的最优局部处理和融合可以减小性能损失。(2)位置级融合。位置级融合是直接在传感器的观测报告或测量点迹和传感器的状态估计上进行的融合，包括时间和空间上的融合，是跟踪级的融合，属于中间层侧，也是最重要的融合。对于单传感器跟踪系统来说，主要是按时间先后对目标在不同的时间的观测值即检测报告的融合，主要有集中式、分布式、混合式和多级式结构。在集中式多传感器跟踪系统中，首先按对目标观测的时间先后对测量点迹进行时间融合，然后对各个传感器在同一时刻对同一目标进行空间融合，它包括了多传感器综合跟踪与状态估计全过程。 在分布式多传感器跟踪系统中，各传感器首先完成单个传感器的多个目标跟踪与状态估计，也就是完成时间上的信息融合，接下来各传感器把获得的目标信息送入融合节点，并在融合节点完成坐标变换、时间校正或对准，然后基于这些传感器的目标状态估计进行关联处理，最后对来自同一目标的估计进行融合处理。 混合式位置信息融合是集中式和分布式多传感器系统相组合的混合结构。传感器的检测报告和目标状态估计都被送入融合中心，在那里进行时间和空间的融合。由于这种结构要同时处理检测报告和状态估计，并进行优化组合，它需要复杂的处理逻辑。混合式方法也可以根据所运行问题的需要，在集中式和分布式结构中进行选择变换。这种结构的通信和计算量都比其他结构大。(3)目标识别级的融合。目标识别亦称属性分类或身分估计，这个层次的信息融合有三种方法，即决策级融合、特征级融合和数据级融合。在决策级融合方法中，每个传感器都完成变换以获得独立的身份估计，然后对来自每个传感器的属性分别进行融合。用于融合身份估计的技术包括表决法、Bayes推理、Dumpsters-Shafer证据理论、推广的证据理论、模糊集法等。在特征级融合方法中，每个传感器观测一个目标并完成特征提取以获得来自每个传感器的特征向量。然后融合这些特征向量并基于获得的联合特征向量来产生身份估计。在这种方法中，必需使用关联处理把特征向量分成有意义的组群。由于特征向量很可能是有巨大差别的量，因而位置级的融合信息在这一关联过程中通常是有用的。在数据级融合方法中，对于同等量级的传感器原始数据直接进行融合，然后基于融合的传感器数据进行特征提取和身份估计。为了实现这种数据级的信息融合，所有传感器必须是同类型的。通过对原始信息的关联，来确定已融合的数据是否与目标或者实体有关。有了融合的传感器数据之后就可以完成象单传感器一样的识别处理过程。对于图像传感器，数据融合一般涉及到图像画面元素级的融合，因而数据级融合也常成为像素级融合。 (4)态势评估和威胁估计。态势评估是一个动态的按时序处理的过程，其结果水平将随时间增长而提高。态势评估是分层假设描述和评估处理的结果，每个被选假设(态势)都有一个不确定性关联值，通常认为不确定性最小的假设是最好的，并用当前最好的态势要素值来描述。威胁估计是利用态势评估估计的将要发生和已经发生的事件和一些先验知识，对事件出现的程度和事态的严重性的判断。4信息融合的结构模型结构模型从信息融合的组成出发，主要说明信息融合系统的软、硬件组成，相关数据流，系统与外部环境的人机界面等要素的构成。由于融合主要发生在检测级、位置级和属性级，因此在讨论结构模型时只考虑这三级的融合结构。(1)检测级融合结构。从分布检测的角度看，检测级融合的结构主要有分散式结构、并行结构、串行结构、树状结构和带反馈并行结构。 分散式空间结构的分布检测系统如图2.1所示。这种结构的每个局部判决U。 ( i=1,2,，N)又都是最终决策。在具体应用中，可按照某种规则将这些分离的字系统联系起来，看成一个大系统，并遵循大系统中的某种最优化准则来确定每个子系统的工作点。图2.1 检测级融合的分散式结构图2.2 检测级融合的并行结构并行式结构的分布检测系统如图2.2所示。N个局部节点S1,S2，SN的传感器在收到未经处理的原始数据Y1,Y2,，YN之后，在局部节点分别作出局部判决U1，U2,UN，然后，它们在检测中心通过融合得到全局判决U0。这种结构在分布检测系统中应用较为普遍。 图2.3为串行结构，N个局部节点S1, S2,，SN分别接受各自的检测后，首先S1节做出局部判决U1,然后将它通信到节点S2，而S2则将它本身的检测与U1融合形成自己的判决U2，以后，重复前面的过程，信息继续传递、融合，直道节点SN。最后，由SN将它的检测YN与UN-1，融合做出判决UN，即U0。图2.3 检测级融合的单行结构（二）系统防盗信息的处理模型多传感器信息融合汽车防盗系统的各个传感器组构成了一个分布式检测系统，该系统中所进行的信号处理属于传感器信息融合的功能模型中的检测级融合。在这一层次中的融合处理的策略通常是根据所选择的检测准则形成优化门限，以产生最终的检测输出。为了减小传输数据的带宽，我们在监测模块中利用硬件进行该级别的融合处理。监测模块中的各个传感器组分别提取各自监测目标的特征向量，然后在本地进行监测目标的属性判决。属性判断形成的“电平上跳沿”、“PWM调制波形”等结果送交中央处理模块，由中央处理模块根据其中的关联属性进行属性级的决策层融合处理。最终的融合结果是将警报划分为“整车搬运”、“车体破坏”、“非法开启”和“入车盗窃”四个等级，每一报警级别的确定都是根据不同的信息融合模型加以判断的结果。系统首先将微波多普勒传感器作为第一级监测器件。由于微波多普勒传感器可以确定移动物体的距离，并且该传感器在理论上可测量范围为360度。无监测死角，所以可以作为其它传感器件的触发器件使用。其作用是当有人进入到监测范围时，传感器触发信号，由中央处理模块开启其它传感器模块，以便进行防盗监测。“整车搬运”和“车体破坏”这两个警报等级属于信息融合中的检测级融合，可以利用串行结构进行描述：距离检测节点S1接收到检测信息后，做出有“人或物体接近”的局部判决U1，然后分别根据各自的S2节点(倾斜检测节点、振动检测节点)的局部判决U2，可以得出融合判决的结果U0，对应各自的监测范围，做出“整车搬运”或“车体破坏”的判断。这两种串行结构框图见图2.4。图2.4 倾角检测与振动检测串行结构图警报等级“非法开启”也属于信息融合中的检测级融合，但其需要利用并行结构进行描述，并行结构框图如图2.5所示：四个开关检测节点S1, S2, S3和S4接收到检测信息后，做出是否有车门被非法开启的局部判决U1, U2, U3及U4，然后将所有的局部判决结果送至检测中心，由中心判定车门“非法开启”的位置。图2.5 霍尔器件检测并行结构图警报等级“人体入侵”属于属性级的特征层融合。在这种方法中，每个传感器观测一个目标：距离传感器监测入侵的距离，振动传感器监测是否有车体的破坏，霍尔器件监测是否有车门的开启，热释电红外传感器监测人体的红外信息。并且在分别提取来自每个传感器的特征向量的基础上进行融合处理，最后基于联合特征向量做出属性判决。判决过程如图2.6所示。图2.6 特征层属性融合三、多传感器信息融合汽车防盗系统的硬件结构采用多传感器信息融合技术的汽车防盗系统硬件部分主要由电源模块、监测模块、中央处理模块及警报执行模块组成。其中电源模块与汽车蓄电池相连，为系统提供所需的能量来源。监测模块由多种传感器组组成，用于汽车防盗信息的采集。中央处理模块用于整个系统的控制，以及执行对监测模块采集的信息进行融合处理过程。警报执行模块主要用于系统确认警情后，进行报警以及执行汽车锁死等操作。系统在硬件设计中遵循了以下的基本设计原则：(1)尽可能选择典型电路，并符合单片机的常规用法。为硬件系统的标准化、模块化打下良好的基础。 (2)系统的扩展与外围设备配置的水平应充分满足应用系统的功能要求，并留有适当的余地，以便进行二次开发。 (3)硬件结构应结合应用软件方案一并考虑。硬件结构与软件方案会产生相互影响，考虑的原则是：软件能实现的功能尽可能由软件来实现，以简化硬件结构。但必须注意，由软件实现的硬件功能，其响应时间要比直接用硬件实现来得长，而且占用CPU的时间(比如延时程序)。 (4)整个系统的性能要尽量做到性能匹配，例如选用晶振频率较高时，存储器的存取时间有限，应该选择允许存取速度较高的芯片：选择CMOS芯片单片机构成低功耗系统时，系统中所有的芯片都应该选择低功耗的产品。 (5)可靠性及抗干扰设计是硬件系统设计不可缺少的一部分，它包括芯片、器件选择、去祸滤波、印刷电路板布线、通道隔离等。 (6)单片机外接电路较多时，必须考虑器件驱动能力。驱动能力不足时，系统工作不可靠。（一）防盗系统的电源设计 汽车防盗系统是利用车载蓄电池作为供电来源，目前车载电源为12V/24V和42V系统。所以系统设计时应充分考虑到兼容性及可扩展性的问题，尤其是在器件选型时应充分考虑到器件的可替换性能等。系统选用的微处理器(MSP43OF149APM )、各种传感器的敏感元件(微波多普勒传感器、倾斜传感器、振动传感器、热释电红外传感器、霍尔器件等)及其处理电路、报警执行模块所需电压值为5V或3.3V，需要电压转换电路为各种器件提供稳定可靠的电源。1防盗系统电压的一次降压由于汽车目前采用12V、24V、42V电源系统，防盗系统所需求的电压为5V及3.3V，我们通过采取二次降压的办法实现系统电压的转换。转换方案如图3.1所示。图3.1 电压转换方案示意图考虑到系统的兼容性及可扩充性，第一次降压采用集成电源管理芯片LM25761/LM2576HV作为电压转换芯片。LM2576系列芯片输入电压范围为1.23V37V，有3.3V, 5V, 12V, 15V四种固定电压输出类型，以及一种电压输出可调节类型，输出电压变化范围小于4%。输出电流可达3A。具有T0220-5和T0263-5两种封装形式。LM2576仅需要四个外部元件就可以完成电压的转换，并还具有休眠、热保护、限流保护等功能。而LM2576HV系列除了最高输入电压可达60V外，其封装形式及所需外接器件种类、数量与LM2576系列中其他类别芯片均相同，这样就能够适应汽车系统电源变化的需求。 我们选用LM2576系列中输出电压可调节型的LM2576-ADJ作为一次降压的电源管理芯片，以12V的汽车系统电源为例进行设计，实现12V到9V的第一次电压转换，所需电路及相关器件如图3.2所示，器件选择过程如下：(1)电阻的确定由输出电压公式：VOUT VREF (1R2/R1) (3.1)得到：R2 (VOUT/VREF1) (3.2)其中，VOUT预设值为9V。 VREF1.23V。 Rl选用的精度为1%的金属膜电阻，阻值为1K。 可以得到R2的计算阻值约为6.32K，并根据实际产品型号，确定R2的阻值为6.34K，则根据公式(3.1)可得最终输出电压为9.03V。(2)电感的确定：由微秒计算常数公式ET（VINVOUT）VOUT/VIN1000/F（Vs） (3.3) 确定微秒常数43Vs，并查表得到所需电感值68H。(3)输出电容的选择：根据公式(3.4)OUT13300(F)VIN(MAX)/VOUTL(H) 可知输出电容OUT304F，可选择的电解电容。(4)根据负载电流、反向电压，确定二极管型号为1N5822。(5)输入电容的选择： 在IN引脚和GND引脚之间、尽量贴近器件的位置处，设置一个铝电解电容作为输入电容，100F就足以实现旁路电容的作用。通过LM2576-ADJ电压转换电路，可以将汽车蓄电池提供的系统电压转换为9V电压提供给防盗系统，以供防盗系统二次降压使用。2防盗系统的电压二次降压 二次降压选用ADP3330系列线性电源管理芯片。将其集成在各个传感器电路的线路板上，不但可以为传感器提供可靠的电源供给，而且通过ADP3330的SB引脚可以控制ADP3330的开启与关闭，进而能够实现对传感器的开闭控制。图3.2 汽车防盗系统电源二次降压的实现ADP3330的输入电压范围在2.9V到12V之间，有2.5V,2.75V, 2.85V,3V,3.3V,3.6V,SV,12V,15V九种固定输出电压型号，25oC时负载误差小于0.7%，温度于1.4%,输出电流可达200mA.，能够满足各个传感器组的输入电源的要求。ADP3330的封装形式为SOT23-6，并且ADP3330外围电路只须两个0.47F的电容就能实现所需的电压转换。 通过ADP3330-XX线性电压转换电路，可以将一次降压提供的9V电压转换为系统中央处理器、以及各个传感器电路所需电压，以供各部作为电源使用。（二）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组成，用于汽车防盗信息的采集以及数据的初步融合处理。1利用微波多普勒传感器对入侵范围进行监测 微波是电磁波辐射的一种形式，在电磁波谱中微波就介于无线电波和红外线之间，频率为300MHz到300GHz，相应波长1mm到1 m.。它以波的形式向四周辐射，当波长远小于物体尺寸时，微波具有似光性。当波长和物体尺寸有相同量级时，微波又近似于声学特性。微波传感器的基本原理是根据微波反射、透射、散射、干涉等物理特性的改变以及被测材料的电磁特性的相对变化，通过对微波基本参数变化的测量，实现对非电量的转换。 由于波源或观察者的相对运动，而出现的观测频率与波源频率不同的现象被称为多普勒效应。多普勒效应可以发生在波的各个频段，如光波、声波以及微波频段等，其主要现象是：当波源与观测者靠近时频率升高，两者远离时频率降低。 微波多普勒传感器是利用微波的反射特性和多普勒效应制成的传感器件。当波源的发射波投射到运动的物体上时，由于多普勒效应，反射波或散射波的频率会发生变化。若将发射波与反射波混频，取出频差，即可检测物体的运动状态。由于微波相干性好，多普勒法测量在原则上没有死区的存在，可对360度的一个圆区域进行探测。利用微波多普勒测速传感器可以测量电磁场中物体的运动，将检测到的人运动引起的电磁波频率之变化量作为控制信号，进而对步行的人进行非接触式的有效监控。因此将微波多普勒测速传感器用于汽车防盗系统，就可以在汽车周围设置一个全方位的预警监测空间。微波多普勒传感器采用Agilis通讯技术公司的HB100微波运动传感器模块。HB100的多普勒效应收发机模块利用介质谐振振荡器和微带接插天线技术，可以实现低电流消耗、高温稳定性、高灵敏度和扁平外形。图3.3 微波多普勒监测模块原理图微波多普勒监测模块的电路原理如图3.3所示。其中，A图为HB100信号采集及处理电路，U1为微波多普勒发生/接收模块，U2为相关阻容器件构成滤波、放大电路，Rd5, Rd6, Cd5用于设定输出电压信号的中心值，并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引起误报警。B图为模块电源输入接口。C图为模块控制信号和信号输出端口。D图为窗口式比较器，用以实现传感信息的初步融合：即将HB100输出的电压信号与设定的闭值相比较，比较的结果是把模拟信号转换为数字信号并送入中央处理模块。这样不但能够实现传感器信息的初步融合，而且该信号可以作为其它传感器的开启信号，与开关电源联合使用能够实现降低系统功耗的功能。E图为开关电源，采用电源管理芯片ADP3330-5.0, ADP3330-5.0不但能为传感器及其信号处理电路提供高精度的电源电压，而且微处理器通过向其SD引脚输入高低电平控制电源输出的开闭，进而可以控制整个模块的开启与关闭。 微波多普勒监测模块是整个防盗系统的第一级模块，可以实现对设定的预警范围内运动物体的监测。当预警范围内有特定速率的运动物体时，模块向中央输出警报信号，由中央处理器进行数据处理。2利用加速度传感器对车体振动与倾斜进行监测对车体的振动与倾斜状况进行测量，可以对窃贼采用拖吊法盗窃车辆以及破坏车体的现象进行预警。由于加速度传感器ADXL202E能够测量05kHz，2g范围内动态或静态加速度。动态加速度的测量可以用于振动检测，利用静态的重力加速度作为输入矢量，就可以确定物体的空间方向。因此可以利用ADXL202E同时对车体的振动和倾斜角度进行监测。ADXL202E采用LCC-8 ( 8 pins Leadless Chip Carrier)封装，体积仅为5 mm 5mm 2mm，其封装和引脚如图3.4所示图3.4 ADXL202E 封装引脚结构图(1)利用ADXL202E进行振动与倾角测量的基本原理 ADXL202E是Analog Device公司设计生产的低成本、低功耗、单芯片集成双轴加速度传感器。35.25V单电源供电，工作电流小于6mA，可以测量0-5kHz，2g范围内动态或静态加速度，60Hz时分辨率为2mg，可以输出数字信号和模拟信号，应用温度范围为-40+125oC。 在采用数字信号进行测量时，只要利用微处理器的计数器/定时器端口分别采集信号的工作周期脉宽T1和工作周期的时间长度T2，利用公式(3.7)就可以得出被测加速度的值。计算公式为：A(g)=(T1 /T20.5)12.5% (3.7)信号示意图如图3.5所示：图3.5数字输出加速度的计算方法 利用模拟信号进行测量时，可以直接应用从XFILT、YFILT引脚输出的模拟信号。也可以将XOUT、YOUT引脚输出的数字信号进行RC滤波，重新恢复成模拟信号。第一种方法输出信号带宽比较宽，但需外加电压跟随器才能带载。第二种方法可以对输出的模拟信号进行放大，但频率响应特性较低。采用何种输出方法，需根据具体的使用条件进行确定。(2)ADXL202E的汽车防盗应用方案 ADXL202采用3.3V直流电源的供电，为降低电源对传感器的干扰，在引脚VDD和公共接地端COM之间须连接0.1F的去藕电容。由于芯片与微处理器共用一个供电电源，在电源与VDD间需增加一个磁珠或100的电阻，以减小数字信号对传感器输出信号的干扰。 T2引脚外接625k的RSET电阻，将输出的数字信号的周期确定为5ms，即频率为200Hz。从XOUT、YOUT输出的数字信号直接输入微处理器的计数器定时器端口，以便进行重力加速度的测量，从而可以得出车体倾角的变化。从XFILT、YF1LT引脚输出模拟信号经电压跟随器提高带载能力后，送入微处理器的户A/D端口，以进行对车体微小振动的测量。 汽车防盗中，车体倾斜角度的测量要求其信号具有很小的噪声，需限制信号带宽。而对于振动的测量，则需要10200Hz的较宽信号范围。首先，将XFILT、YFILT引脚的滤波电容CX, CY设定为0.027F，这样输出的数字、模拟信号的带宽全都限制在200Hz以下，再将ADXL202输出的带宽为200Hz的数字和模拟信号分别经过低通滤波和高通滤波，就可以获得倾斜、振动监测所需带宽的信号。 监测汽车微小振动所需信号由XFILT、YFILT端口获得。由于在XFILT、 YFILT端口输出的模拟信号已经经过200Hz低通滤波，需将信号经10Hz高通滤波，才能达到振动监测所需的10200Hz带宽要求。另外，从XFILT、YFILT端口输出的模拟信号无带负载的能力，可以将带通滤波后的信号送入电压跟随器，以提高其带负载的能力。然后，将信号送入微处理器的A/D端口进行模数转换。根据采样定理，采样频率不能低于信号频率的二倍，微处理器采样频率最少为400Hz，即最少每2.5ms采样一次。 利用软件积分器测量振动的能量。将微处理记录的16次振幅采样值的绝对值求和，就可以得到40ms内振动的能量。如果这个绝对值之和超过设定的数字闭值，微处理器就可以进行报警。3利用霍尔开关器件对车门的开关进行监测(1)霍尔效应简介 当电流垂直外磁场方向通过导体或半导体薄片时，在薄片垂直于电流和磁场方向的两侧表面之间会产生电位差的现象，称为霍尔效应。所产生的电位差称作霍尔电势，它是由于运动载流子受到磁场力的作用(称为洛仑兹力)，而在薄片两侧分别形成电子、正电荷的积累所致。图3.6 霍尔效应原理图 如图3.6所示的一块长为l，宽为，厚为d的N型半导体薄片，位于磁感应强度为B的磁场中，B垂直于1。平面。沿1通电流I, N型半导体中的载流子电子将受到B产生的洛伦兹力FB的作用。在力FB的作用下，电子向半导体片的一个侧面偏转，在该侧面上形成电子的积累，而在相对的另一侧面上因缺少电子而出现等量的正电荷。在这两个侧面上产生霍耳电场EH。由于存在EH，半导体片两侧面间出现电位差UH，称为霍耳电势。(2)霍尔开关器件A3210E的基本原理A3210E是Allegro Micro-Systems公司出品的霍尔效应开关器件。采用数字信号输出，在南、北磁极的作用下均能产生霍尔效应：磁极靠近时，开关打开，输出电平为低，磁极远离时，开关关闭，输出电平为高电平。该类传感器的功耗非常低，A3209E的功耗低达400 W，特别适合低功耗场合，在掌上电脑等电池供电的手持设备上有着广泛的应用。封装形式有贴片式和单列直插式两种，应用温度范围-40+85oC。 该传感器是在单一硅芯片上集成霍尔电压发生器、微小信号放大器、斩波电路、锁相器，以及场效应管器件。当外加磁场场强发生变化时，霍尔电压发生器产生微小的电压变化，经斩波处理后送入放大器，再经锁相器锁相后，由场效应管输出高低电平信号。斩波技术虽然可以提高信号的稳定性，也会造成信号频响的延迟，但由于A3210E系列传感器采用了较高的采样频率，提高了采样的速度，就相对减小了响应延迟的影响。(3)A3210E的汽车防盗应用方案 单个霍尔开关器件的原理图如图3.7所示。由于A3210E的功耗极低，最大工作电流小于3mA，可以由微处理器的I/O直接驱动。在输入端靠近芯片A3210E的位置处，应设置C1=0.1F的旁路电容，可以减小外部噪声和内部斩波对传感器信号的影响。输出旁路电容C2为输出的跳变信号提供能量。R1用于器件的保护。图3.7 单个霍尔开关器件的应用原理图 霍尔器件组的设计是将多个霍尔器件分布在汽车四个车门，将每个开关器件的输出信号送至器件组的局部决策中心进行融合，这里将四个车门的警报等级看作相同，可以直接采用硬件进行“或”运算，得到融合结果送至中央处理模块。信号处理电路的示意图如3.8所示。如果认为车的前后门的警报等级不同，可以将图3.8中代表两个前门的信号以及后门信号分别融合，然后将各自的结果送至中央处理模块，中央处理模块不同的权值进行融合处理，具体处理方法可根据用户的要求分别处理。图3.8 霍尔开关器件的局部信息融合4利用热释电红外传感器对人体入侵进行监测(1)热释电红外传感器的基本原理 由于电石、酒石酸钾钠(罗谢尔盐)、钛酸钡等晶体受热产生温度变化时，其原子排列将发生变化，晶体自发极化，在其两表面产生电荷的现象称为热释电效应。产生的电荷Q与温度T的关系为:Q=pAT (3.10)其中，P热释电系数，大小取决于晶体材料；A为晶体受热表面积。热释电红外线传感器是20世纪80年代发展起来的一种新型敏感元件。由于其独特的优越性，所以在近年来已被广泛应用于各种防盗报警器电路系统中。 热释电红外线传感器能将波长为514m之间的红外信号变化转变为电信号，并能对自然界中的白光信号具有抑制作用。任何高于绝对零度的物体都会放出红外线，其表面的温度越高，红外辐射的峰值波长就越短。人体可辐射出中心波长为9l0m的红外线，而用于人体检测的红外传感器波长灵敏度特性在0.220m范围内几乎是稳定不变的。在硅片表面上贴上截止波长为710m的滤光片，于是就得到只对人体温度范围敏感的热释电红外线传感器。在被动红外探测器的警戒区内，当无人体移动时，热释电红外感应器感应到的只是背景温度，当人体进人警戒区，热释电红外感应器感应到的是人体温度与背景温度的差异信号，因此，热释电红外传感器探测的是感应到的移动物体与背景物体的温度的差异。 在实际应用中，单个传感器的探测灵敏度仍然是比较低的，目前所用的光学透镜大致有反射式、透射式和折射式三种。(2)热释电红外传感器的汽车防盗应用热释电红外传感器的敏感元采用上海尼塞拉传感器有限公司的RE200B型双灵敏元热释电红外传感器。该传感器是利用热释电材料极化随温度变化的特性探测红外线的，采用灵敏元互补的方法抑制温度变化产生的干扰，提高了传感器工作稳定性。即传感器包含两个互相串联或并联的热释电元件，而且两个电极化方向正好相反，环境背景辐射对两个热释电元件几乎具有相同的作用、使其产生的热释电效应相互抵消，于是探测器无信号输出。这也是当人体对着探测器呈垂直方向运动时，探测器灵敏度差的原因。一旦人侵入探测区域内，人体红外辐射通过部分镜面聚焦，并被热释电元件接收，但是两片热释电元件接收到的热量不同，热释电量也不同，不能抵消，经信号处理而报警。图3.9 热释电红外传感器的工作原理图 热释电红外传感器的工作原理图如图3.9所示。其中A图为热释电红外传感器RE200B信号采集及处理电路，U1为PIR探测头，U2为相关阻容器件构成滤波、放大电路，R7, R8用于设定输出电压信号的中心值。B图为模块电源输入接口。C图为模块控制信号和信号输出端口。D图为窗口式比较器，将RE200B输出的电压信号与设定的闲值相比较，比较的结果是把模拟信号转换为数字信号并送入中央处理模块。这样不但能够实现传感器信息的初步融合，而且该信号可以作为其它传感器的开启信号，与开关电源联合使用能够实现降低系统功耗的功能。E图为开关电源，采用电源管理芯片ADP3330-5.0。ADP3330-5.0不但能为传感器及其信号处理电路提供高精度的电源电压，而且微处理器通过向其SD引脚输入高低电平控制电源输出的开闭，进而可以控制整个模块的开启与关闭。（三）防盗系统的报警执行模块 多传感器信息融合汽车防盗系统的报警执行模块主要用于执行遇警后的报警操作和汽车自锁操作，含GSM报警、声光报警和汽车自锁几个部分。防盗系统的报警主要采用无线网络GSM短消息的方式进行，根据不同的警报级别发送不同的短消息，如“整车搬运”、“车体破坏”、“非法开启”和“入车盗窃”等。车主还可以利用手机对防盗系统进行控制。另外系统仍延用传统汽车防盗器的声光报警方式，以起到警示、震慑的作用：汽车自锁主要是关闭发动机的点火电路，使汽车无法发动。1报警执行模块的GSM报警(1) GSM系统概述 GSM系统是根据欧洲通信标准化委员会(ETSI)指定的GSM技术规范研制而成的第二代蜂窝移动通信系统。GSM系统是一个全数字的蜂窝移动通信系统，它由几个分系统组成，可以与各种公用通信网互联互通。GSM系统是我国目前蜂窝移动通信系统的主体。GSM业务按照ISDN对业务的分类方法可分为基本业务和补充业务。基本业务按功能可分为电信业务和承载业务。电信业务是指为用户通信提供的包括终端设备功能在内的完整能力的通信业务，主要包括电话业务、数据业务、紧急呼叫业务、短信息业务和传真业务。承载业务提供用户接入点间信号传输的能力。附加业务是对基本业务的改进和补充，它不单独向用户提供，而必须与基本业务一起提供。同一附加业务可以应用到若干基本业务中。(2) TC35 GSM模块简介GSM模块TC35是西门子公司为工业应用生产的无线通信模块，主要技术参数如表3.4所示。TC35模块可以工作在GSM 900MHz和GSM 1800MHz频段下。它的设计目的就是为用户提供一种方便的语音和数据无线连接的解决方案，它可以广泛的应用在GSM相关的平台，让用户以最小的代价搭建自己的无线解决方案。TC35模块集成了基带处理单元和RF射频模块，对外提供40pin的ZIP连接器，用户通过该连接器就可以实现包括系统控制、数据输入输出、语音输入输出和电源输入等功能。TC35还为用户提供了良好的用户接口RS232，通过该接口实现对模块大多的控制功能。2报警执行模块的语音报警 报警执行模块在利用GSM网络进行报警的同时，还能够使用传统的语音模式进行报警。由于报警系统提高了警情确认的可靠性，就能够降低因误报警而产生的噪声污染，减少了噪声扰民情况的发生。 系统的语音报警音源存贮于掩膜型语音芯片的存储器中。由于掩膜型语音芯片具有品种多、外围电路简单、体积小、使用方便、价格便宜等多种优势，且具有工作电压范围宽(直流2.45 V )、功耗低(工作电流典型值0.11.0mA)等特点，故可以将其选用于车载电子系统。 系统选用HOLTEK公司的HT8120D0型数字脉冲编码调制语音合成系列芯片。该系列芯片是将声音的模拟信号变为数字信号后存储在芯片中，由电平信号触发语音回放的语音芯片。存储器又可以划分为多个段(划分的段数应小于124个)，并且不同的段能够组合成多个语音组以对应不同的键值，外部输入信号控制“Key”引脚输入不同的键值，就可以回放不同的语音组合。该芯片可以直接驱动外围电路的三极管，并由其带动扬声器进行语音报警。图3.10 语音报警原理图HT812D0使用原理图如图3.10所示。操作电压5V，由报警系统提供的经一次降压后的电压再经ADP3330-5.0转化得到。两个“FLAG”标志位引脚低电平有效，可以接发光二极管用以显示工作状态。时钟工作频率由OSC1, OSC2外接Ross电阻设定。HT812D0利用引脚输出“AUD”驱动8050带动扬声器进行报警，警报内容在芯片出厂前设定完毕，语音组输出分别由输入键“Key”“Key4”确定，键值参见表3.1表3.1 HT812D0键值表3报警执行模块的闪光报警和汽车的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。在系统确定汽车处于遇警情况的状态下，微处理器可以进行汽车自锁操作，即CPU直接阻断汽车的点火电路，使窃贼即便进入车内也无法将车开走。闪光报警及汽车自锁的原理图如图3.11所示。系统是利用微处理器的I/O接口控制达林顿阵列ULN2003A，当“IN”脚输入高电平，对应“OUT”脚将功率继电器的引脚电平拉低，功率继电器线圈导通。当“IN”脚输入低电平，对应“OUT”引脚输出电平与芯片供电电平相同，即与继电器输入电压相同，继电器线圈阻断。由于继电器触点的吸合(常开触点)、断开(常闭触点)的随微处理器的I/O接口的信号而改变，使得微处理器可以控制汽车车灯电路和发动机点火线路的开闭，进而实现汽车防盗的闪光报警和自锁操作。图 3.11 闪光报警及汽车自锁原理图4汽车防盗系统的中央处理模块由微处理器及其外围设备组成的中央处理模块是汽车防盗系统的核心部分。整个系统中的监测模块、报警执行模块都要受控于中央处理器，监测模块所采集的车况信息的融合处理也在这里进行。考虑到车载防盗设备应具备低功耗、高可靠性和便携性等因素，系统采用TEXAS INSTRUMENTS公司的MSP430F149型单片机作为主控单元。系统采用MSP430FLASH系列中MSP430F149APM单片机作为中央处理器，该型单片机具有16位精简指令集结构，16位CPU寄存器和常数寄存器，达到了最大的代码效率，它具有处理能力强，运行速度快，功耗低等优点，性能价格比很高。另外，该系列单片机在超低功耗和功能集成等方面有着显著的优势。强大的处理能力：MSP430FLASH系列单片机具有丰富的寻址方式，但只需简洁的27条指令。片内寄存器数量多，寄存器可实现多种运算。有高效的查表处理方法。此外，它的中断源较多，使用灵活方便，当系统处于省电的备用状态时，用中断请求将它唤醒只需6s。丰富的片上外围模块：MSP430FLASH系列单片机中的各个成员集成了较多的片上外围资源，功能相当丰富，如A/D转换器，精密模拟比较器，硬件乘法器，频率可达8MHz的时钟模块，带有捕蜘比较寄存器的16位定时器，看门狗，同步及异步串行通信接口，数十个可实现方向设置及中断功能的并行输入、输出端口等。 超低功耗：MSP430FLASH系列单片机运行在1 MHz时钟条件下时，工作电流视工作模式不同为0,1400A，工作电压为1.83.6V方便高效的开发方式：MSP430FLASH系列单片机具有FLASH存储器，这一特点使得它的开发工具相当简便。利用单片机本身具有的JTAG接口或片内BOOT ROM可以在一台PC