基于多傳感器信息融合技術的汽車防盜系統設計

陳曉琴

CHEN Xiao-qin

（江蘇海事職業技術學院 電氣工程系，南京 211170 ）

0 引言

隨著電子信息技術的飛速發展，傳感器技術、車載網絡、數據通訊、計算機處理技術和智能控制技術等被廣泛應用于汽車防盜技術，汽車防盜產品向高度智能化、功能多樣化方向發展。目前市場上的主流汽車防盜設備按其結構與功能可分機械式防盜器、電子式防盜器、芯片式防盜器和網絡式防盜器四大類。然而這些汽車防盜技術都存在一定的缺點，主要表現在兩個方面：一是報警器誤報率居高不下，而大多數的報警器都是語音報警，這樣就造成了報警聲成為環境噪聲；二是報警距離有限，在報警以后對被盜車輛缺乏有效控制。本文針對以上兩個缺點，結合電子式防盜器和網絡防盜的特點，運用多傳感器替代使用單一傳感器，充分利用多種傳感器在性能上的差異性和互補性，對采集的傳感器信息通過有效的數據融合再加以判決警情，以降低報警器的誤報率，加強防盜系統的可靠性。在報警響應上，引人GSM模塊，依靠無線通信網絡使防盜器不在受距離的限制。在判定汽車處于警情中時，防盜系統的中央處理單元將通過GSM網直接把車況信息發給車主，再進一步通過阻斷汽車的點火系統或油路來達到防盜的目的。

1 多傳感器信息融合技術

多傳感器信息融合是指協同使用多種傳感器，如不同位置的多個同類或不同類的傳感器，并將這些傳感器所提供的局部環境的不完整信息加以綜合，消除傳感器之間的冗余和矛盾信息，形成與系統環境一致性的完整描述。與單一傳感器相比，多傳感器信息融合可以改善數據關聯能力，減少模糊或不確定性；具有信息的互補性、冗余性、實時性和低成本性；同時，多傳感器系統的可并行運行性，增大時間和空間的覆蓋，提高信息獲取的速度和空間分辨率。提高了決策、規劃和反應的快速性，降低決策風險。

1.1 多傳感器信息融合的功能模型

目前，已經有許多學者從不同角度提出了幾種融合系統的一般功能模型，其中最具代表性的是美國軍事實驗室理事聯合會數據融合工作組提出的JDL模型。如圖1所示。

圖1 信息融合JDL模型

JDL模型是一個有效的、跨越多個運用領域的模型，它確定了適用于信息融合的過程、功能、技術種類和特定技術，包括對象評估、態勢評估、威脅評估和過程評估四級。

對于具體的融合系統而言，信息可分為數據層信息、特征層信息和決策層信息三個層次。多傳感器信息融合可以發生信息的某一層上，也可以發生在多個層上。整個信息融合的過程是由數據層開始從下往上地在同一層次上融合，融合后的結果參與下一層的信息融合，最后匯聚到數據庫或決策中心。在這個有反饋的融合系統結構中，數據信息不是單向的，高層次的信息融合結果可以對低層次的融合數據進行調整和影響。

1.2 多傳感器信息融合算法

在眾多的多傳感器信息融合算法中，本系統選擇了D-S證據理論作為融合中心算法。D-S證據理論起源于1967年Dempster提出的由多值映射導出的上概率和下概率，之后Shdcr進一步將其完善，建立了命題和集合之間的一一對應關系，把命題的不確定性問題轉化為集合的不確定性問題，滿足比概率論弱的情況，形成了一套關于證據推理的數學理論。在不確定性推理方面，其使用更便捷、靈活，推理機制更簡潔，在人工智能、檢測診斷等方面具有廣泛的應用，尤其是在多傳感器數據融合中，已成為一種基本的、重要的融合算法。

多傳感器目標識別是將各傳感器關于目標屬性的不精確、不完全的信息進行融合，產生較單一傳感器更精確的屬性估計。在本系統中將識別目標對象分為人和機械兩種，因為盜車案例中主要是人為的，當然在盜車案例中也不乏有人間接使用機器拖吊整車的，這時我們的識別目標變成了微波傳感器能探測到的物體。進而將識別框架定為有危險的人、無危險的人、有危險的物體、無危險的物體。微波傳感器對汽車周圍的移動目標進行識別、測速，并判斷出目標物體是遠離汽車還是靠近汽車，通過對微波傳感器的采樣，計算出辨識框架里的基本概率分配函數以供決策層融合使用；紅外傳感器通過貼上一個濾光片可以識別靠近汽車的目標人物，通過不同時刻的采樣判斷出目標任務的停留時間，進而把數據送預處理單元計算出基本概率分配函數以供融合使用；雙軸加速度傳感器對車體進行檢測，通過對其不同的特征提取，計算出相應的振動和傾角，再送預處理單元計算出基本概率分配函數以供融合使用；霍爾開關器件則對4個車門進行監控，每個霍爾開關在有個門打開的情況下即輸出高電平，4個霍爾器件的輸出經過一個或門，連到MCU單元的一個中斷端口，在預處理單元計算出相應的基本概率分配函數。融合中心對4個傳感器的證據體用D-S證據理論進行融合，最后根據判定規則判定目標類型。

2 汽車防盜系統的硬件設計

本系統硬件框圖如圖2所示。其中，傳感器組模塊由四種傳感器構成，它們協同工作來完成對車輛的實時環境的監控；電源模塊則由車載蓄電池降壓提供電能；警報響應模塊負責對中央處理單元判決警情后的相關處理，聲光報警、發送SMS短消息和將汽車點火系統或油路鎖死等操作；中央處理模塊則對傳感器組所采集的信息進行處理和判決，如果判決為警情，中央處理單元將通知警報響應模塊，告知相關執行動作。

圖2 硬件圖

2.1 電源模塊

本汽車防盜系統是利用車載蓄電池（14V）作為供電來源，提供5V和3.3V 的直流電源為系統中相關器件供電。14V直流電源經過LM2576S5.0轉變成5V直流電源，5V直流電源再經過AMS1117-3.3轉變成3.3V直流電源。

2.2 傳感器組模塊

傳感器組模塊由小型微波運動傳感器HB-100、加速度傳感器ADXL202E、被動式雙靈敏元熱釋電紅外傳感器RE200B和霍爾傳感器A3210E組成，負責對汽車實時環境狀態信息的收集和初步處理。

2.3 警情響應模塊

2.3.1 報警執行模塊的語音（閃光）報警

汽車防盜系統在進行短信息報警、語音報警的同時車燈也不斷閃爍，表示汽車出現異常情況。在系統確定汽車處于遇警情況的狀態下，微處理器可以進行汽車自鎖操作，即CPU直接阻斷汽車的點火電路，使竊賊即便進入車內也無法將車開走。

閃光報警及汽車自鎖系統利用微處理器的I/O接口控制達林頓陣列ULN2003A，當“IN”腳輸入高電平，對應“OUT”腳將功率繼電器的引腳電平拉低，功率繼電器線圈導通；當“IN”腳輸入低電平，對應“OUT”引腳輸出電平與芯片供電電平相同，即與繼電器輸入電壓相同，繼電器線圈阻斷。由于繼電器觸點的吸合（常開觸點）、斷開（常閉觸點）的隨微處理器的I/O口的信號而改變，使得微處理器可以控制汽車車燈電路和發動機點火線路的開閉，進而實現汽車防盜的閃光報警和自鎖操作。

報警執行模塊在利用GSM網絡進行報警的同時，還能夠使用傳統的語音模式進行報警。本系統選用HOLTEK公司的HT8120D0型數字脈沖編碼調制語音合成系列芯片，該系列芯片是將聲音的模擬信號變為數字信號后存儲在芯片中，由電平信號觸發語音回放的語音芯片。

2.3.2 GSM報警模塊TC35

TC35是西門子公司的一款GSM通信模塊，具有語音、數據傳輸、傳真和短消息服務（ShortMessageService）功能，工作頻段在900MHZ和1800MHz。本系統采用MCU單元的串口與TC35的串口進行雙向通信，來達到控制TC35模塊，MCU通過RS-232串行口激活TC35來發送和接收數據短消息，完成與主控端的數據交換。

2.4 汽車防盜系統的中央處理模塊

選用Samsung公司推出的16/32位RTSC處理器S3C44B0X作為本系統的中央處理模塊。S3C44B0X為手持設備和一般類型應用提供了高性價比和高性能的微控制器解決方案。S3C44B0X提供了豐富的內置部件，大大降低成本。同時，其CPU核是由ARM公司設計的ARM7 TDMI RISC處理器（66MHZ）。ARM7TDMI體系結構特點是它集成了Thumb代碼壓縮器，片上的ICE斷點調試支持，和一個32位的硬件乘法。

S3C44B0X通過提供全面的、通用的片上外設，大大減少了系統電路中除處理器以外的元器件配置，從而最小化系統的成本。微波傳感器、紅外傳感器占用處理器的兩個AD端口，加速度傳感器占用處理器的兩個定時器端口和兩個AD端口；霍爾傳感器組占用處理器的一個外部中斷端口。

3 汽車防盜系統的軟件設計

軟件部分可以分為主程序，預處理子程序，融合處理子程序，警情處理子程序。主程序流程圖如圖3所示。

圖3 主程序流程圖

CPU上電后即對系統各個硬件初始化，其中包括硬件初始化，中斷初始化，傳感器模塊的初始化，GSM模塊的初始化等。延時5s等待修改傳感器環境參數的按鍵，如果有則對flash中存儲的傳感器環境參數改寫并保存，否則往下繼續執行。警情響應模塊則是融合后的判決為有威脅時，通過聲光報警，發送GSM消息給車主。

4 結束語

目前，信息融合被廣泛用運用于目標跟蹤，自動目標識別和有限自動推理等應用領域。信息融合技術已經從包含一系列相關技術的松散集合，迅速發展成為一門新興的工程科學。多傳感器信息融合也并不是一個新概念，其應用非常廣泛。如軍事上的應用，包括自動目標識別、自動車輛制導、遙感、戰場監視和自動威脅識別系統，非軍事的應用包括大規模的生產過程監控、基于狀態的復雜機械維護、機器人和醫學等領域。

本文針對當前市場上的防盜器普遍存在的缺點，誤報率偏高、防盜距離有限，提出了一種結合多傳感器信息融合技術和GSM網絡通信的防盜方案，希望有利于多傳感器信息融合技術在汽車防盜領域的推廣與應用。

[1] David L.Hall James Llinas.楊露菁、耿伯英,譯.多傳感器數據融合手冊.北京：電子工業出版社,2008.

[2] 張兢,路彥和.基于多傳感器融合技術的汽車防盜系統研究[J].中國測試技術,2006,32(2)：15-18.

[3] 李茹,李弼程.D-S證據理論的改進算法在時-空信息融合中的應用.數據采集與處理.2005,20(2)：156-160.

[4] 陳寅,林良明,等.證據理論用于多傳感器融合不確定性分析[J].測控技術,2000,19(7)：26-28.