基于树莓派的汽车安全智能防护系统的设计

汉中市气象局 姜宗元 刘 茜 李 天 樊洁馨

基于树莓派的汽车安全智能防护系统的设计

汉中市气象局 姜宗元 刘 茜 李 天 樊洁馨

基于树莓派为基础，采用多种传感器模块、地理位置定位模块和4G无线传输模块，设计出一种以防护为主兼具反盗窃功能的汽车智能防护系统。此系统能够使车主通过手机微信在车辆发生下列安全隐患，有人或者物体接近、车辆被撞击或者车辆发生位移时自动收到汽车周围的视频图片情况及汽车的地理位置信息，从而达到智能防护和防盗的效果。

树莓派；汽车；安全；智能防护

0 引言

随着生活水平的提高和经济的发展，汽车已经成为每个家庭基本交通工具。特别是近几年以来，家用小汽车的数量急剧增加。随着汽车电子技术的发展，现在的小汽车都普遍配备了电子防盗系统和中控门锁系统，但是，道高一尺魔高一丈，黑客仍旧能够有针对性的使用汽车解码器对这些系统进行破解，从而在车主无任何报警的情况下轻松盗走或者非法闯入车内。而且无随着小汽车数量的增加，除了汽车偷盗以外，砸碎车窗偷盗车内物品和停放车辆被刮蹭经常发生。基于以上问题，本文提出一种完全智能的汽车安全防护系统，此系统可以从远、近距离及车辆位置移到等三方面全方位对车辆安全进行防护。

1 系统总体结构设计

1.1 系统原理

系统原理是当车主通过手机微信方式启动安全智能防护系统后，整个系统便处于安全防护状态。当任何物体，包括车辆、动物、人或者其他东西在靠近汽车的50cm以内（距离可以设置），启动语音设备，发出提前保存的语音提示，并根据靠近方位自动旋转外部摄像头摄像，将摄像信息通过4G方式发送到车主手机中。当安全智能防护系统检测到车辆震动后同时启动外部和车内摄像头拍摄视频，并同步将视频发送到车主手机中。当检测到车辆位置发生变化后，将车辆的地理位置信息一直不间断的发送到车主手机中。

1.2 系统结构

图1 系统结构示意图

系统的总体结构分为两个部分，分别为硬件部分和软件部分。硬件部分按照功能分为四层：采集探测模块传感器层（各类传感器），主处理板层（树莓派主板），传输网络层（4G网络模块和移动网络）和用户层（用户手机）。软件部分和硬件部分基本对应，但是比硬件分层更详细和复杂。包含各类传感器的感应数据采集和地理位置信息采集（基础数据采集）。数据传输到RaspberryPI3B后进行分析处理决定是否启动图像采集和语言报警模块报警（数据分析处理）。如果通过分析发现存在以下任一情况，一感应到有人或其他动物接近汽车距离小于设定的阀值，二发现车子震动幅度超过设定阀值，三发现车辆的地理位置信息发生变化，即可自动启动。并通过4G传输模块给用户微信一直发送视频信息和车辆的地理位置信息。而用户手机端通过微信小程序来发送命令控制防盗系统的开启和关闭以及显示车辆周围的视频监控情况车辆位置及距离周围物体信息（显示控制终端）。

2 系统硬件设计

2.1 系统硬件结构

图2 系统硬件结构示意图

系统硬件结构如图2 所示，当车主通过手机微信端启动汽车安全智能防护系统后，地理位置定位模块自动启动，开始获取到车辆停放的位置信息，保存到RaspberryPI3B的存储卡中，并将位置信息发送给车主。同时人体红外感应模块、超声波测距模块和震动传感器模块启动，开始探测周围的情况。如果感应到有动物或者物体靠近车辆，并且通过超声波测距模块测定的距离小于设定的阀值，则启动语音报警模块，对靠近的人、动物和其他物体进行提醒。同时启动车外摄像头模块开始拍照和摄像，并将物体靠近车辆信息和拍到的视频保存到RaspberryPI3B的存储卡中，也通过4G模块发送给用户手机的微信程序。如果监测到车辆震动的强度超过设定的阀值，说明有人对车辆进行损坏，则也启动车内摄像头开始摄像，并将视频信息保存和给用户发送。并一直判断车辆的位置信息是否变化，如果发生变化，则给用户发送车辆被盗的提醒，并且 不间断地给用户发送车辆的位置信息和车内外的视频信息。这样即使车辆被盗，车主仍旧能够在盗贼没有任何感知的情况下得到盗贼的信息和被盗车辆的位置信息。

2.2 传感器数据采集子系统设计

2．2．1 RaspberryPI 3B

树莓派RaspberryPI是由注册于英国的慈善组织“Raspberry Pi 基金会”，Eben·Upton/埃·厄普顿为项目带头人开发的世界上最小的卡片式电脑。它是一款基于ARM的微型电脑主板，以SD/MicroSD卡为内存硬盘，卡片主板周围有4个USB接口和一个100 以太网接口，可连接键盘、鼠标和网线，同时拥有视频模拟信号的电视输出接口和HDMI高清视频输出接口。树莓派3B 型构建在1.2GHz 四核 Broadcom BCM2837 64 位 ARMv8 处理器上，内置的无线和蓝牙连接， 板载BCM43438 WiFi和低功耗蓝牙 (BLE)，自带1GB RAM，4 个 USB 2 端口和40 针扩展 GPIO，并且包含HDMI 和 RCA 视频输出。

RaspberryPI 3B作为整个汽车安全智能防护系统的基础，承担着所有传感器模块的接入和数据采集，各类的数据存储数据分析实时处理和软件的运行，并与通信子系统的连接和信息传输，是整个系统的核心。选择RaspberryPI3B作为整个系统的核心是因为它性价比高、运行稳定、功能强大、可扩展性强。

2．2．2 传感器选型

传感器选型的成功与否直接决定了整个系统的性能和稳定性。经过大量的实验，对多种传感器进行对比测试，同时考虑性价比方面的因素，选择如下传感器：红外感应传感器选用HC-SR501，它是一种热释电红外传感器，能检测人或动物发射的红外线而输出电信号的传感器。这个传感器模块的工作电压范围在DC5V至DC20V，静态功耗比较低只有65微安，感应范围在120度角以内，最大感应距离7米。超声波测距传感器选用US-100模块，US-100超声波测距模块工作电压范围在DC2.4V至DC5.5V，可实现2cm至4.5m的非接触测距功能，静态功耗低于2mA，自带温度传感器对测距结果进行校正，是一款性能比较优异的超声波传感器。震动传感器选用SW-1801P震动感应模块，采用高灵敏度震动开关，输出信号干净波形好，工作电压在DC3.3V至DC5V，输出纯数字开关量0和1。摄像头模块车内选用Raspberry Pi PiNoir Camera V2，这款摄像头板可直接连接Raspberry Pi，特别适用于黑暗中摄影和录视频，当然夜视需要增加红外灯。这个模块利用 Sony 的 IMX219PQ CMOS图像传感器，提供高速视频成像和高灵敏度，它还具有自动控制功能，如曝光控制、白平衡和亮度检测。最高可以达到8百万像素，支持 1080p、720p60 和 VGA90。车外摄像头选用采用OV2710视频芯片的广角USB摄像头最大200万像素，高清画质，支持1080P 30fps 高帧率和MJPEG编码压缩，QVGA最高可达到120帧，感光面1/2.7尺寸，非常优秀的室外效果，加装夜视红外灯和IR-CUT后可以夜视拍照和视频。

2.3 无线通信子系统的设计

无线通信的4G模块选用华为公司的 ME909S-821 MINIPCIE LTE 4G全网通模块,ME909s-821 支持电信4G,移动4G、3G、2G,联通4G、3G、2G,支持USB,支持UART,支持语音。使用Mini PCIE转USB来直接和RaspberryPI3B的USB口连接，实现数据的传输通信。

ME909s-821 LGA 模块支持 USB 2.0高速接口。VBAT电源直接给USB接口供电。USB输入/输出线兼容 USB 2.0接口规范，USB接口电路如图3所示。

图3 4G模块USB接口电路图

2.4 位置定位子系统的设计

地理位置定位模块选用中科微电子的ATGM332D-5N的多模功能的定位模块，它同时支持GPS和BDS导航定位，而且支持日本的QZSS和SBAS系统。具有灵敏度高（跟踪灵敏度-162dBm）、功耗低（连续运行电压3.3V电流小于25mA）和定位精度高（定位精度2.5m）的特点。

3 软件设计

软件根据模块化分层结构主要分数据采集、图像采集、无线通信、地理位置定位和对用户手机微信交互程序等部分。软件程序运行在RaspberryPI3B的操作系统之上。软件前一部分采用Java语言开发，RaspberryPI3B上有一个基于Java的Pi4J API包来控制GPIO操作，所以数据采集、图像采集、无线通信、地理位置定位等软件部分直接在RaspberryPI3B上调试运行并和硬件联调测试运行一个月以上，确保软件能够长期稳定运行。图4是软件的流程图。

3.1 数据采集分析模块软件设计

数据采集模块部分主要是采集人体红外感应模块、超声波测距模块和震动传感器模块部分的实时数据，在系统初始化后，采用一秒钟采集一次数据，并实时分析处理采集到的数据，判断是否有影响汽车安全的因素，如果没有，则等待继续采集数据；如果存在安全隐患，则给软件总控发送分类的标志来判断是否启动车内外摄像头。

3.2 图像采集模块软件设计

图像数据采集模块分车外采集和车内采集两部分，都是通过前面的数据采集分析模块判断是否要来启动。外部图像采集采用mjpgstreamer来获取图像数据。具体是将mjpg-streamer下载到RaspberryPI3B上，然后安装辅助工具，解压编译安装，编写stream.sh并修改权限即可。内部图像采集直接采用RaspberryPI3B的Raspbian系统自带的raspivid来拍摄和处理。

图4 系统软件流程图

表1 GGA语句格式

3.3 无线通信模块软件设计

无线通信4G模块的软件部分比较简单，系统能够自动识别华为公司的 ME909S-821 MINIPCIE LTE 4G全网通模块为一个USB设备，需要另外安装安装usb-modeswitch驱动程序才能够正确识别，命令如下：sudo apt-get install usb-modeswitch usb-modeswitch-data

然后进行内核配置和编译拨号脚本，并设置为开机自动拨号后就完成了，这样在树莓派一启动就马上启动无线通信模块就连接到INTERNET做好数据的传输准备了。

3.4 全球定位模块软件设计

ATGM332D-5N的多模功能定位模块的定位模式有三种：BD北斗模式，GP GPS模式，GN双模模式。为了定位准确精度更高，我们选用双模模式。定位的语句格式GGA用来输出具体的定位信息，包含与接收机定位、测时相关的数据（表1）。具体GGA语句格式：

$--GGA,hhmmss.ss,llll.llll,a,yyyyy.yyyy,a,x,xx,x.x,x.x,U,x.x,U,xxxx,x.x，x.x*hh＜CR＞＜LF＞

这部分的软件设计就是循环获取的GNGGA语句，并进行解析和处理，得到地理位置信息存储并发送到用户手机，并和原存储信息进行对比，判断地理位置信息是否发生变化。

3.5 微信端软件设计

微信端软件设计的目的是使车主用户操作方便简洁，最优的方法就是在RaspberryPI3B上安装微信客户端并自动登录，编写用程序来控制微信客户端接收车主手机微信发来的命令“启动”“停止”等来启动、停止汽车安全智能防护系统。同时如果监测到不安全情况发生，能够自动给车主手机微信发送报警信息、车辆周围的图片、视频、车辆震动信息、车辆地理位置信息等。要实现以上功能，这部分软件要根据总控部分发来的状态和图片视频等自动控制微信端来给车主微信发送。为了开发效率，我们使用一个开源的微信个人号接口itchat为基础来进行Python开发，具体实现根据状态来自动发送文本、图片、视频等信息，并接收文本信息来控制系统的开启和关闭。

4 结论

本文以RaspberryPI3B为基础，利用多种传感器模块和无线传输及地理位置定位等模块构建出一个从初始的针对汽车附件人或物体接近距离判断、语音报警提醒，中间到对接近人或物体的摄像，以及最后车辆震动和车辆位置信息变化的判断的车辆安全智能防护系统，使车主能通过自己的手机对车辆周围的状况、车辆的位置变化及有无故意破坏、是否被盗及盗贼的信息等方面完全掌握。此系统在实际运行中得到测试和检验，确定防护效果良好。此技术稍作修改也可以应用到其他的安全防护系统和监测系统中去，具有较好的推广应用前景。

[1]王亚军,张艳．4G通信中的关键技术之智能天线技术[J]．

[2]韩宇,张磊,吴泽民．基于嵌入式树莓派和OpenCV的运动检测与跟踪系统[J]．

[3]柯博文．树莓派(Raspberry Pi)实战指南[S]．

姜宗元（1976—），男，陕西扶风人，软件工程硕士，研究方向：气象信息化和嵌入式开发。