基于多传感器融合及GSM的汽车智能语音报警器

1基于多传感器融合及GSM的汽车智能语音报警器2摘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：汽车防盗信息融合传感器ATMEGA16GSM远程控制SMS话音业务1.绪论1.1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。1.2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.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2．1：3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3.1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。车况异常现象开关检测距离检测报警S1U2U1车况异常现象距离检测报警倾斜振动检测S1U1U2U2=U04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手机模块语音模块蜂鸣器1.多普勒传感器2.三轴加速传感器3.霍尔器件扬声器单片机RS232DTMF解码电源模块遥控/报警接收器遥控器5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。6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采用AnalogDevice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3.4ADXL345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器件选择AllegroMicro-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73.4.1GSM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：83.4.3DTMF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：93.4.4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机系统程序整机初始化接听电话程序拨打报警电话GSM短信模块控制电源管理程序通信模块传感器接口程序报警信息处理语音管理程序10图4.2主机系统防盗报警程序流程图开始初始化GSM开机延时开中断有来电?中断口电位变低?结束返回接听电话模块结束返回执行相应命令，完成人机对话DTMF解码模块延时现场报警拨号报警模块编辑发短信模块结束返回115.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（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（5）崔贞子《基于电话网络的远程监测系统设计——上位机实现》2011.12三轴加速度传感器模块工作温度工作电压接口电压电源电流25℃2.5V1.8V30uA多普勒微波传感器模块电源电压供电电流工作温度5V30mA25℃霍尔传感器模块电源电压供电电流工作温度2.75V10uA25℃TC35模块（GSM）电源电压频段（GSM）发射功率（GSM）工作温度工作电流损耗SIM卡操作电压串口通讯波特率通话模式空闲模式省电模式5VGSM900MHZ2W-20℃～+55℃300mA1mA40uA1.8V300bps～115kbps