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基于传感器信息融合技术的汽车防盗系统

2005/5/12        作者:于耀东  金仁成  王艳辉  张天超      
关键字:汽车防盗  传感器  信息融合  
本文介绍了基于多传感器信息融合技术的汽车防盗系统。文章在分析了窃贼盗窃方式的基础上,总结了汽车防盗系统所需传感器的选择方法,建立了系统的结构模型,阐述了系统硬件的设计方案,并讨论了传感器信息融合的数据处理方式。

引言

    随着生活水平的提高,拥有私家车已成为家庭进入时尚、现代生活的标志之一。但是随着汽车数量的增多,盗窃分子也开始把目光投向作为高档消费品的汽车。虽然当前大多数汽车都装有原厂的防盗器件,市场上还有多种品牌的汽车附加防盗器,可是这些防盗装置不是只侧重于被动地处理遇警情况,就是对于报警器判断被盗过程的可靠性未有足够的重视,致使错报、漏报现象时有发生,给车主造成了很多不必要的麻烦。

    基于传感器信息融合技术的汽车防盗系统在综合分析汽车被盗的多种方式的基础上,利用多传感器在性能上的差异性与互补性,综合来自各个传感器的多种数据信息,采用融合方法进行数据分析,可以主动而准确地判断汽车的状态。并且系统还可以利用无线网络同车主进行通信,及时报告汽车状况,提高了报警系统的可靠性。

防盗系统的结构

    基于多传感器信息融合的防盗系统采用模块化结构。在选用保证系统功能的基本模块的基础上,可以根据用户需求的不同,增减模块或传感器的数量,以适应个性化产品的需求。系统主要由监测模块、中央处理模块、报警模块、执行模块和通讯模块组成,系统结构简图如图1所示。

    其中监测模块由多组传感器及信号处理电路构成,用于车况信息的采集,并将采集的数据信号加以处理后传输至中央处理模块。

    中央处理模块接收来自各个传感器的信息进行数据融合,处理的结果是将警报分级。中央处理模块根据不同等级的警报触发不同的报警信号和操作,并通过通讯模块将事态判定结果传输给车主;当判定态势严重时,可以控制执行模块直接阻断汽车的点火电路,使汽车不能发动。

    报警模块接收中央处理模块的指令,利用声音、闪光进行报警。

    执行模块以通过通讯模块接收的车主指令为最高优先权,车主可以方便地进行"汽车锁死"、"警报解除"等操作。

    利用通讯模块能够实现数据通讯功能。系统将分级的报警信息以短信息形式通过GSM/CDMA网络传递给车主,以提醒车主留意汽车的安全;同时车主可以利用手机短信对汽车进行远程控制。

检测模块传感器的选择

    为实现合理选择传感器件的目的,现对汽车失窃方式加以分析。总的来说窃贼最常用的盗窃手段有以下几种方法:

    ①整车搬运法:使用拖车直接将车辆拖走,或将整车装入其它运载工具运走。此种窃盗方式所需时间相当短,窃贼能迅速离开现场。

    ②破坏车体法:窃贼在无人看守的停车地点,直接以工具破坏汽车门锁或玻璃强行进入车中,以接电方式将车辆驶走。

    ③复制钥匙或开锁高手:将钥匙复制或用开锁工具打开车门,直接将车开走。

    ④窃取车载物件:窃贼拆卸车体外部零件,或砸碎车窗盗窃车内物品。

    窃贼的这些行为会引起车体振动、倾斜等现象,同时还伴有中心波长为9~10μm的红外辐射等人体生物信息。根据窃贼盗窃汽车所引发的异常现象,选择恰当的监测器件进行数据采集,并采用适当的数据处理算法,就可以实现准确预警的目的。

    为了能够提取足够的信息,实现对监测目标的准确判断,选择传感器应遵循一些基本原则:合理选择传感器并加以优化组合,以实现系统高精度、低成本的需求;选用不同种类、不同功能的传感器,发挥各个传感器的优势,信息共享,降低虚报、漏报的可能性;选用多个同种类的传感器,合理布局,去除监测死角,提高系统的可靠性。基于以上的分析,选用以下传感器构成防盗系统的监测模块:

    ①微波多普勒传感器[1]。利用多普勒效应制成的传感器可以用来探测人体或物体的移动,该传感器在人或物体靠近时接收器接收的频率发生变化,当频率变化至设定值时,可以判断为有人或物体进入防盗系统的预警范围;

    ②振动传感器[2]。利用加速度检测器件制成的振动传感器,能够对车体特殊频段的振动进行监测,在车体被外力破坏的情况可以产生警报;

    ③倾角传感器[2]。倾角传感器监测车体相对于初始位置是否出现倾角变化,如果这种角度的变化是以特定频率出现或达到设定的阈值,就可以判断为汽车整体被搬运。

    ④热释电红外传感器[3]。热释电红外传感器只对中心波长为9~10μm的红外线辐射敏感,能够检测到人体辐射的红外信息,可以用作人体入侵车内的监测器件;

    ⑤霍尔开关器件[4]。通过霍尔开关器件可以对汽车的车门、发动机舱盖及后备箱盖的非法开启进行监测。

    以上几种传感器监测波频率的改变、车体振动、车体位态改变和人体生物信息等不同方面,再通过合理的布局去除监测死角,就能够获取汽车防盗所需的足够信息,最大程度地消除信息的不确定性,提高报警的可靠性。

遇警信息的融合处理

    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,形成高性能的感知系统来获取对环境的一致性描述的过程[5]。同单一传感器相比,多传感器信息融合在降低信息的不确定性、提高系统获取信息的精确度、降低系统的成本、提高系统的反应速度等方面具有显著的优势,因此可以采用信息融合技术对监测模块采集的数据进行融合处理。

    信息融合模型可以从功能、结构和数学模型等几方面来研究表示[6]。功能模型从融合的过程出发,描述信息融合包括哪些主要功能、数据库,以及进行信息融合时系统各组成部分之间的相互作用过程;结构模型从信息融合的组成出发,说明信息融合系统的软、硬件组成,相关数据流,系统与外部环境的人机界面;数学模型则是信息融合算法和综合逻辑。

    多传感器信息融合的功能模型可以分为检测级融合、位置级融合、属性级融合三个层次。而本防盗系统将报警级别划分为"整车搬运"、"车体破坏"、"非法开启"和"入车盗窃"四类,并利用不同的信息融合模型加以判断。其中"整车搬运"、"车体破坏"和"非法开启"是检测级的信息融合,是一个分布式检测系统,各组传感器监测目标相互独立、无冲突,可以将它们的信息利用结合法[5]进行综合叠加; "入车盗窃"是属性级的融合,需对目标身份进行联合估计,可以利用指导法[5]进行融合处理。

    在检测级融合,系统的结构模型采用串行结构。即在微波多普勒传感器节点判断结果的基础上,分别与倾斜传感器、振动传感器及霍尔开关器件的检测信息融合,处理过程为:微波多普勒传感器的反应信号表明有人或物体接近。当人或物体的接近达到预警距离后,若倾斜传感器判断车体倾斜角度达到设定的阈值,表明有"整车搬运"情况;若振动传感器对车体特殊频段的振动也产生感应,则判断为"车体破坏";如果安装于车门的霍尔开关器件做出反应,表明车门或前后舱盖被"非法开启"。其各自的结构形式如图2所示。

    对于应用属性级融合的"入车盗窃"的判断过程采用树状结构。根据"车体破坏"或"非法开启"的节点判断结果,加上红外传感器的检测信息,就可以判断出是否有人进入车内,信息融合的过程见图3(略)。

结论

    利用多传感器信息融合技术制成的汽车防盗系统不会出现单纯使用震动传感器的误报情况,比单独使用红外传感器扩大了监测范围。其监测结果具有很高的准确性、可靠性和实时性,有传统汽车防盗系统难以比拟的优势。

结束语

    本文讨论的基于传感器信息融合技术汽车防盗系统的监测方法还可以利用于社区安防、家庭防盗等多种场合。这种防盗手段具有非常广阔的应用空间,应该是安防系统的发展方向之一。

参考文献

    [1]丁镇生编著。传感及其遥控遥测技术应用[M]。北京:电子工业出版社2003.227-229。
    [2]Analog Devices, Inc. Low-Cost±2 g Dual-Axis Accelerometer with Duty Cycle Output[DB].        
    [3] 丁镇生编著。传感及其遥控遥测技术应用[M]。北京:电子工业出版社2003.218-222。
    [4] 何希才编著。传感器及其应用[M]。北京:国防工业出版社2001.113-123。
    [5] 李科杰主编。新编传感器技术手册[M].北京:国防工业出版社 2002.178-185。
    [6] 何有、王国宏、彭应宁等著。多传感器信息融合及应用[M]。北京:电子工业出版社 2000.2-47。


 

责任编辑:江琦
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