基于物聯網的汽車智能防盜系統實驗教學平臺設計

沈 剛, 蔡 強, 丁興亞, 撒韞潔

(中國礦業大學 機電工程學院, 江蘇 徐州 221116)

為防止汽車被盜,汽車制造企業非常重視汽車防盜系統的設計和配置,傳感器技術、無線傳感網絡技術、數據處理技術和生物識別身份驗證技術[1-5]等被廣泛應用于汽車防盜系統?；谖锫摼W的汽車智能防盜系統實驗教學平臺利用ZigBee技術、嵌入式技術、GSM/GPRS技術、GPS技術、人臉識別技術、地圖定位技術和Web技術等開發。該平臺各功能模塊相對獨立,學生可分階段、針對性地學習和進行功能拓展。

1 汽車智能防盜系統架構設計

系統架構分為采集傳輸層、車載控制器層和遠程監控層(見圖1),具備汽車狀態監測、遠程控制報警和人臉識別驗證功能。

(1) 采集傳輸層。該層的功能是實時監測汽車的車況。根據汽車被盜的幾種常見情形,用霍爾傳感器進行車門開關檢測,用振動傳感器進行車體振動檢測,用微波傳感器和紅外傳感器進行人體目標監測[6]。采集的數據經過初步處理以后,通過ZigBee無線傳輸網絡定時發送到車載控制器層的ZigBee協調器。

(2) 車載控制器層。車載控制器層具有多項功能,包括:讀取ZigBee協調器接收的采集傳輸層定時發送的數據,若發現異常情況則立刻開啟短信報警；通過GPRS模塊,將傳感器解析處理后的數據和GPS定位信息與遠程監控層的云服務器進行數據交換,并支持反向控制；攝像頭采集駕駛室的圖像,通過人臉識別技術對人員身份進行驗證,并根據身份驗證結果或遠程監控層的反向控制命令來控制車輛啟動電路。

(3) 遠程監控層。汽車防盜監控系統用于車況信息的發布和車主的反向控制。車況信息包括各監測項是否有異常和車輛的地圖定位信息；反向控制包括報警功能的開關和是否允許身份驗證通過。

圖1 汽車防盜系統總體架構圖

2 汽車智能防盜系統硬件設計

系統采用模塊化設計,主要是采集傳輸節點的設計和車載控制器的設計。傳感器采集傳輸節點包括傳感器模塊、ZigBee傳輸模塊和采集節點底板(見圖2)；車載控制器包括ZigBee協調器、GSM/GPRS模塊、GPS模塊、USB攝像頭和ARM主控板。傳感器信號經過各自模塊的調理電路輸出到ZigBee傳輸模塊的相應引腳。ZigBee傳輸模塊和車載控制器中的ZigBee協調器硬件設計完全一樣,采集節點底板用于為各傳感器模塊和ZigBee模塊供電并連接對應信號的采集引腳。GSM/GPRS模塊使用ATK-SIM900A通信模塊[7],GPS模塊使用ATK-NEO-6M-V23模塊,兩者均是高性能GPS模塊。ARM主控板使用迅為公司的iTOP-4412開發板,可滿足系統高性能運算的需要[8]。

圖2 傳感器采集傳輸節點組合圖

3 汽車智能防盜系統軟件設計

3.1 采集傳輸層軟件設計

ZigBee網絡的創建和傳感器數據采集傳輸功能的開發利用了TI公司的ZStack協議棧[9],與車載控制器通過串口連接的ZigBee協調器創建無線傳感網絡。終端節點加入創建好的無線傳感網絡中,采集與其連接的傳感器數據,并將數據傳輸到ZigBee協調器。傳感器數據采集傳輸流程見圖3。

圖3 傳感器數據采集傳輸流程圖

3.2 車載控制器層軟件設計

車載控制器層采用了Linux操作系統,通過多任務方式開發監控報警子系統和人臉識別身份驗證子系統。監控報警子系統包括ZigBee協調器數據的接收處理、GPS數據的接收處理、Socket網絡通信和短信報警,其中Socket網絡通信中包含了繼電器控制。其流程如圖4所示；人臉識別身份驗證子系統包括圖像采集和人臉的檢測識別、圖像保存顯示,其流程如圖5所示。通過GPRS模塊與遠程監控層的云服務器建立Socket網絡通信進行數據交互。

圖4 監控報警子系統各任務流程圖

圖5 人臉識別身份驗證流程圖

3.3 遠程監控層設計

遠程監控層位于租用的阿里云ECS云服務器。云服務器提供簡單、高效的計算服務,可快速構建穩定、安全的應用,提升運維效率、降低IT成本[10]。服務器與車載控制器的GSM/GPRS模塊建立網絡連接后,接收車載控制器上傳的數據并解析存儲到MySQL數據庫,Web界面通過查寫數據庫實現實時車況顯示、反向控制和地圖實時定位。

汽車防盜監控系統實驗教學平臺是信息發布與反向控制平臺,主要包括實時監控面板、報警關閉按鈕、實時地圖定位和網站備案信息4部分。信息每4 s更新一次,并將更新時間顯示在監控面板上。實時監控面板的下部有報警關閉按鈕,可關閉車載控制器的報警功能。地圖定位是汽車防盜系統的一個重要組成部分,用戶可以通過定位追蹤自己的車輛,如果車輛被盜，可以根據定位信息找尋車輛。

4 結語

基于物聯網的汽車智能防盜系統實驗教學平臺各功能模塊是獨立的,可拓展性好,學生可分階段進行各種技術的專項學習,也可根據需要添加其他功能模塊。在教學過程中,該平臺能很好地調動學生學習、探究的興趣,對提升學生的創新思維能力和實驗動手能力以及鞏固課堂理論知識起到了積極的作用。