智能手機在車輛安全輔助系統中的新型應用*

劉 棟，任天平，李萬周

（鄭州大學 機械工程學院，河南 鄭州450001）

據世界著名的美國汽車行業雜志Wardsauto于2011年公布的數據顯示，中國汽車擁有量為7 800萬輛，位居全球第二，人均保有量已升至每17人擁有1輛汽車。汽車保有量的增加伴隨生活節奏的加快，人們對車輛輔助系統在時間和空間跨度要求也更高。另一方面，當前智能手機的應用已經深入到人們生活的方方面面，智能手機已經不僅僅是單一的通信工具，已經漸漸變成移動多媒體和信息中心，智能手機的行業應用迅速催生了行業合作的多元化經濟模式。

在這樣的一種背景下，提出“移動設備—云端服務器—車輛”系統架構。如圖1所示，移動設備作為終端并借助于移動互聯網和云平臺的強大信息交互和處理能力，實現車主對車輛的遠程控制。同時，車輛也可以實時地將自身的狀態信息及報警信息通過手機等移動設備呈現給車主。

本文所提出的VSA系統正是基于這樣的系統架構，采用智能手機作為人機交互平臺。同時，該系統在實現以上功能的前提下，并未改動車輛機械結構及電子控制系統，不會由于該系統對車輛的安全性造成降低，甚至破壞；采用合理化的接口設計，提供故障檢測接口，保證使用維修方便。

1 系統概述

該系統主要分為兩個部分——車載端及手機客戶端。前者檢測車輛狀態信息，后者發送請求，由前者返回查詢結果；另一方面，后者發送相應執行指令，前者接受分析后執行。兩者之間的通信及數據交互則是依托網絡進行。

車載端由硬件電路、微型攝像頭、視頻服務器及執行機構組成，安裝在車輛上。

手機客戶端在具有開源性和易開發性的Android操作系統上實現。車載控制器和控制模塊（車門和車窗開/關）采用車載電力線，方便接入車輛固有電源系統。圖2描述了系統硬件組成及實施，包括設備、手機及車載控制器之間的通信鏈路。圖3描述了基于手機端的系統工作流程。

車載控制器內置的辨別系統保證只有唯一的一個手機客戶端可以訪問。視頻由車載端發送給手機客戶端，而控制和指令由手機客戶端發送給車載端，必要時車載端主動發送車輛信息給手機端并自動執行相應的報警操作。下面針對以上功用的實現方案進行模塊化分析。

2 系統方案設計

2.1 車載端和手機客戶端通信

在VSA系統中用戶通過手機客戶端發送短信息與車載端進行信息交互。系統采用SIM300模塊進行短信收發，單片機通過對接收到的短信息進行解析，與數據庫中的信息進行比對匹配，進行相應的信息查詢及控制操作。

SIM300是一款三頻段GSM/GPRS模塊，提供了兩個不平衡異步操作串口。將GSM模塊設計成數據通信設備（DCE），與傳統的數據終端設備（DCE-DTE）相連，如圖4所示。SIM300內部集成了TCP/IP協議棧，并且擴展了AT指令。利用短信模塊的串行接口收發一系列的AT命令，控制手機模塊收發短信的目的。短信交互流程如圖5所示。

圖4 SIM300模塊DCE-DTE連接

為避免系統處理過程中新短信到來造成的時序混亂，系統采用全雙工處理方式進行容錯處理。過程如下：當系統正在處理執行一條短信息的過程中，將系統置于BUSY狀態，通過中斷程序來檢測和存儲系統在忙的過程中接收的短信息，不讓其進入GSM時序控制程序中來。只有當系統處理完當前的信息后，處于非BUSY狀態，此時開始處理新到的信息。

圖5 通信流程

2.2 視頻監控方案

在VSA系統中采用模擬攝像機+網絡視頻服務器(DVS)的方式，使用微型攝像頭進行視頻采集，網絡視頻服務器對視頻進行H.264壓縮處理，轉換為基于TCP/IP網絡標準的數據包，通過網絡模塊進行網絡傳輸。視頻服務器內置SD卡、485通信口及I/O口可以與單片機相連，實現報警視頻存儲及圖片抓拍。

Android手機客戶端接收H.264壓縮數據流，利用ffmpeg開源音視頻解碼庫，開發H.264解碼類[1]。對數據流進行解碼處理，存儲在內存緩沖區，通過java中Bitmap類的copyPixelsFromBuffer方法生成位圖，利用圖像幀的方式進行播放[2]。部分代碼如下：

同時，當車輛出現報警信息，除了單片機可以直接控制視頻服務器進行相應報警操作外，手機客戶端也可以自行進行報警圖片抓拍，直接將bmp圖片轉換為JPEG或PNG圖片保存在手機SD卡中。

2.3 車門車窗控制方案設計

為提高汽車使用的便利性和行車的安全性，現代汽車越來越多地安裝中控鎖。基本組成主要有門鎖開關、門鎖執行機構和門鎖控制器。門鎖執行機構有電磁式、直流電動機式和永磁電動機式3種驅動方式。門鎖控制器是為門鎖執行機構提供鎖止/開啟脈沖電流的控制裝置。通過通電電流方向控制執行機構，實現門鎖的鎖止和開啟[3]；為了方便乘客操作車窗，車輛一般采用電動車窗系統。電動車窗系統主要由電動機、車窗、升降器及繼電器等組成。通過給直流永磁電動機接通額定電流，從而達到控制車窗升降的目的[4]。

綜上所述，當前車門車窗都是通過接通電流來實現相應的執行操作。下面以車門開啟為例進行說明。

如圖6所示，當單片機給MZ加以高電平時，三極管T3導通，進而繼電器接通，觸電吸合，VCC-3、DGND分別與 M1、FUJI2接通，電機正轉，實現車門上鎖功能；同理，當單片機給 MF高電平時，三極管T4導通，VCC-3、DGND分別與 FUJI2、M1接通，電機反轉，實現車門解鎖功能。

2.4 信號檢測

信號檢測包括車門車窗狀態、車輛行駛狀態及車輛自身的安全狀態。

車門車窗狀態，即開啟或關閉，通過微動開關來檢測。當微動開關動作簧片未被按下時，COM端和NC端接通；當微動開關動作簧片被按下時，COM端與NO端相接通。將微動開關COM端接地DGND。單片機通過檢測NO端是否為低電平，即可判斷車門車窗是否已經關閉。

車輛行駛狀態及車輛自身的安全狀態的檢測通過檢測車輛是否被碰撞，以及行駛過程中行駛平穩狀態來判斷。采用加速度傳感器來檢測，VSA系統中采用MMA7361振動加速度模塊來模擬實現[5]。

3 系統評估

系統性能的好壞主要取決于指令執行效率及視頻流暢性，為了系統的改進研究，主要針對通信延遲、視頻流暢性進行測試。

3.1 通信延遲測試

通信延遲測試實驗包括查詢指令測試及控制指令測試。測試一個指令周期時間（發送指令和接收到返回指令之間的時間間隔），其中查詢指令即查詢車門及車窗狀態，而控制指令測試包括開門指令、關門指令及開窗、關窗指令測試。每組測試10次，取時間平均值，測試結果如表1所示。

表1 通信延遲

3.2 視頻流暢性測試

視頻流暢性的影響因素包括網速、視頻分辨率、視頻壓縮質量及操作系統等。通過對在手機客戶端和PC機客戶端上的視頻延遲情況進行比較發現，在手機客戶端視頻滯后較為嚴重，一般為 8 s～10 s；而在 PC機上為1 s～2 s。這表明，最長的延遲來自于手機操作系統本身，而不是網絡速度及VSA系統本身。

單片機處理速度在微秒級，通過測試發現即使是查詢指令，單片機只需處理傳感器檢測信號，而指令周期也在10 s左右，可見采用短信的通信方式，延遲性較大；而視頻的流暢性主要受手機處理速度所限。

本文所提出的VSA系統是“移動設備—云端服務器—車輛”系統框架在智能手機上的一種探索性應用，實現遠程控制車門車窗、實時監控、報警提示及視頻圖片抓拍等功能，完成了便宜、廣泛使用的現有設備、接口，以及用戶可視化界面軟件的集成。為用戶提供了一個易于使用的基于Android操作系統的移動應用程序，從而可以遠程控制和監控車輛及安全。

該系統的車門車窗控制機構已經通過了模擬測試，下一階段需要進行基于實車的改裝測試。另外，采用短信的通信方式，簡單、可靠，但延遲較大，滿足現有的提示性為主的功能需求，但不適于實時性操作要求較高的場合。

未來將對視頻服務器與控制器進行集成小型化設計，完成視頻及通信數據的流式傳輸，降低使用成本并提高實時性?？紤]車輛添加多個攝像頭，采集多個攝像頭視頻信息進行合成，獲得車輛周圍3D全景信息，并感知周圍障礙物距離，配上合理的計算，提供一種基于手機的輔助倒車功能。將所有車輛的信息傳送到云端服務器，由服務器通過手機給車主提供車輛安保、導航等功能。例如當用戶打開監控功能時，視頻監控信息傳遞給服務器，服務器對視頻信息進行分析識別（闖入者是否是車主或車主提供的親近人員信息），進而發出報警指令并提供給警方。

[1]吳張順，張王旬.基于FFmpeg的視頻編碼存儲研究與實現[J].杭州電子科技大學學報，2006，26(3)：30-34.

[2]BURNETTE E.Android 基礎教程：introducing Google′s mobile development platform[M].田俊靜，張波，黃湘情，等譯.北京：人民郵電出版社，2010.

[3]韓超，梁泉.Android系統級深入開發：移植與調試[M].北京：電子工業出版社，2011.

[4]孫余凱，項綺明.新型汽車電子單元電路原理與維修圖說[M].北京：電子工業出版社，2004.

[5]沙占友.集成化智能傳感器原理與應用[M].北京：電子工業出版社，2004.