基于多传感器信息融合技术的汽车防盗系统研究(编辑修改稿)

基于多传感器信息融合技术的汽车防盗系统研究(编辑修改稿)内容摘要：

） 警报等级“人体入侵”属于属性级的特征层融合。 在这种方法中，每个传感器观测一个目标 ： 距离传感器监测入侵的距离，振动传感器监测是否有车体的破坏，霍尔器件监测是否有车门的开启，热释电红外传感器监测人体的红外信息。 并且在分别提取来自每个传感器的特征向量的基础上进行融合处理，最后基于联合 特征向量做出属性判决。 判决过程如图 所示。 图 特征层属性融合 三、多传感器信息融合汽车防盗系统的硬件结构 采用多传感器信息融合技术的汽车防盗系统硬件部分主要由电源模块、监测模块、中央处理模块及警报执行模块组成。 其中电源模块与汽车蓄电池相连，为系统提供所需的能量来源。 监测模块由多种传感器组组成，用于汽车防盗信息的采集。 中央处理模块用于整个系统的控制，以及执行对监测模块采集的信息进行融合处理过程。 警报执行模块主要用于系统确认警情后，进行报警以及执行汽车锁死等操作。 系统在硬件设计中遵循了以下的 基本设计原则 ： (1)尽可能选择典型电路，并符合单片机的常规用法。 为硬件系统的标准化、模块化打下良好的基础。 (2)系统的扩展与外围设备配置的水平应充分满足应用系统的功能要求，并留有适当的余地，以便进行二次开发。 (3)硬件结构应结合应用软件方案一并考虑。 硬件结构与软件方案会产生相互影响，考虑的原则是 ： 软件能实现的功能尽可能由软件来实现，以简化硬件结构。 但必须注意，由软件实现的硬件功能，其响应时间要比直接用硬件实现来得长，而且占用 CPU的时间 (比如延时程序 )。 (4)整个系统的性能要 尽量做到性能匹配，例如选用晶振频率较高时，存储器的存取时间有限，应该选择允许存取速度较高的芯片 ： 选择 CMOS 芯片单片机构成低功耗系统时，系统中所有的芯片都应该选择低功耗的产品。 (5)可靠性及抗干扰设计是硬件系统设计不可缺少的一部分，它包括芯片、器件选择、去祸滤波、印刷电路板布线、通道隔离等。 (6)单片机外接电路较多时，必须考虑器件驱动能力。 驱动能力不足时，系学院 毕业论文（设计） 统工作不可靠。 （一） 防盗系统的电源设计 汽车防盗系统是利用车载蓄电池作为供电来源，目前车载电源为 12V/24V和 42V 系统。 所以系统设计时应充分考虑到兼容性及可扩展性的问题，尤其是在器件选型时应充分考虑到器件的可替换性能等。 系统选用的微处理器 (MSP43OF149APM )、各种传感器的敏感元件 (微波多普勒传感器、倾斜传感器、振动传感器、热释电红外传感器、霍尔器件等 )及其处理电路、报警执行模块所需电压值为 5V 或 ，需要电压转换电路为各种器件提供稳定可靠的电源。 1 防盗系统电压的一次降压 由于汽车目前采用 12V、 24V、 42V 电源 系统，防盗系统所需求的电压为 5V及 ，我们通过采取二次降压的办法实现系统电压的转换。 转 换方案如图 所示。 图 电压转换方案示意图 考虑到系统的兼容性及可扩充性，第一次降压采用集成电源管理芯片LM25761/LM2576HV作为电压转换芯片。 LM2576系列芯片输入电压范围为 ～37V，有 , 5V, 12V, 15V 四种固定电压输出 类型，以及一种电压输出可调节类型，输出电压变化范围小于177。 4%。 输出电流可达 3A。 具有 T02205 和 T02635两种封装形式。 LM2576 仅需要四个外部元件就可以完成电压的转换，并还具有休眠、热保护、限流保护等功能。 而 LM2576HV 系列除 了 最高输入电压可达 60V外，其封装形式及所需外接器件种类、数量与 LM2576 系列中其他类别芯片均相同，这样就能够适应汽车系统电源变化的需求。 我们选用 LM2576系列中输出电压可调节型的 LM2576ADJ作为一次降压的电源管理芯片，以 12V 的汽车系统电源为例进行设计，实现 12V 到 9V 的第一次电压转换，所需电路及相关器件如图 所示，器件选择过程如下 ： (1)电阻的确定 由输出电压公式 ： VOUT ＝ VREF (1＋ R2/R1) () 得到 ： R2 ＝ (VOUT/VREF－ 1) () 其中， VOUT预设值为 9V。 VREF＝。 Rl选用的精度为 1%的金属膜电阻，阻值为 1K。 可以得到 R2的计算阻值约为 ，并根据实际产品型号，确定 R2的阻值为学院 毕业论文（设计） ，则根据公式 ()可得最终输出电压为。 (2)电感的确定 ： 由微秒计算常数公式 E•T＝（ VIN－ VOUT） VOUT/VIN•1000/F（ V－μ s） () 确定微秒常数 43V•μ s，并查表得到所需电感值 68μ H。 (3)输出电容的选择 ： 根据公式 () Ｃ OUT≥ 13300(μ F)VIN(MAX)/VOUT•L(μ H) 可知输出电容Ｃ OUT≥ 304μ F，可选择的电解电容。 (4)根据负载电流、反向电压，确定二极管型号为 1N5822。 (5)输入电容的选择 ： 在 IN 引脚和 GND引脚之间、尽量贴近器件的位置处，设置一个铝电解电容作为输入电容， 100μ F就足以 实现旁路电容的作用。 通过 LM2576ADJ电压转换电路，可以将汽车蓄电池提供的系统电压转换为9V电压提供给防盗系统，以供防盗系统二次降压使用。 2 防盗系统的电压二次降压 二次降压选用 ADP3330 系列线性电源管理芯片。 将其集成在各个传感器电路的线路板上，不但可以为传感器提供可靠的电源供给，而且通过 ADP3330 的 SB引脚可以控制 ADP3330 的开启与关闭，进而能够实现对传感器的开闭控制。 图 汽车防盗系统电源二次降压的实现 ADP3330 的 输 入 电 压 范 围 在 到 12V 之 间 ， 有 , ,3V,SV,12V,15V 九种固定输出电压型号， 25oC 时负载误差小于%，温 度 于 %,输出电流可达 200mA.，能够满足各个传感器组的输入电源的要求。 ADP3330 的封装形式为 SOT236，并且 ADP3330 外围电路只须两个 F的电容就能实现所需的电压转换。 通过 ADP3330XX 线性电压转换电路，可以将一次降压提供的 9V 电压转换为学院 毕业论文（设计） 系统中央处理器、以及各个传感器电路所需电压，以供各部作为电源使用。 （二）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组成，用于汽车防盗信息的采集以及数据的初步融合处理。 1 利用微波多普勒传感器对入侵范围进行监测 微波是电磁波辐射的一种形式，在电磁波谱中微波就介于无线电波和红外线之间，频率为 300MHz 到 300GHz，相应波长 1mm到 1 m.。 它以波的形式向四周辐射，当波长远小于物体尺寸时，微波具有似光性。 当波长和物体尺寸有相同量级时，微波又近似于声学特性。 微波传感器的基本原理是根据微波反射、透射、散射、干涉等物理特性的改变以及被测材料的电磁 特性的相对变化，通过对微波基本参数变化的测量，实现对非电量的转换。 由于波源或观察者的相对运动，而出现的观测频率与波源频率不同的现象被称为多普勒效应。 多普勒效应可以发生在波的各个频段，如光波、声波以及微波频段等，其主要现象是 ： 当波源与观测者靠近时频率升高，两者远离时频率降低。 微波多普勒传感器是利用微波的反射特性和多普勒效应制成的传感器件。 当波源的发射波投射到运动的物体上时，由于多普勒效应，反射波或散射波的频率会发生变化。 若将发射波与反射波混频，取出频差，即可检测物体的运动状态。 由于微波相 干性好，多普勒法测量在原则上没有死区的存在，可对 360 度的一个圆区域进行探测。 利用微波多普勒测速传感器可以测量电磁场中物体的运动，将检测到的人运动引起的电磁波频率之变化量作为控制信号，进而对步行的人进行非接触式的有效监控。 因此将微波多普勒测速传感器用于汽车防盗系统，就可以在汽车周围设置一个全方位的预警监测空间。 微波多普勒传感器采用 Agilis通讯技术公司的 HB100微波运动传感器模块。 HB100 的多普勒效应收发机模块利用介质谐振振荡器和微带接 插天线技术，可以实现低电流消耗、高温稳定性、高灵敏度和扁平外形。 学院 毕业论文（设计） 图 微波多普勒监测模块原理图 微波多普勒监测模块的电路原理如图 所示。 其中， A图 为 HB100 信号采集及处理电路， U1 为微波多普勒发生 /接收模块， U2 为 相关阻容器件构成滤波、放大电路， Rd5, Rd6, Cd5 用于设定输出电压 信号的中心值，并将监测电路的上电时间进行延迟以防止系统由于过早 启动引起误报警。 B 图 为模块电源输入接口。 C 图 为模块控制信号和信号输出端口。 D 图 为窗口式比较器，用以实现传感信息的初步融合 ： 即将 HB100 输出的电压信号与设定的闭值相比较，比较的结果是把模拟信号转换为数字信号 并送入中央处理模块。 这样不但能够实现传感器信息的初步融合，而且该信号可以作为其它传感器的开启信号，与开关电源联合使用能够实现降低系统功耗的功能。 E 图 为开关电源，采用电源管理芯片, 不但能为传感器及其信号处理电路提供高精度的电源电压，而且微处理器通过向其 SD 引脚输入高低电平控制电源输出的开闭，进而可以控制整个模块的开启与关闭。 微波多普勒监测模块是整个防盗系统的第一级模块，可以实现对设定的预警范围内运动物体的监测。 当预警范围内有特定速率的运动物体时，模块向中央 输出警报信号，由中央处理器进行数据处理。 2 利用加速度传感器对车体振动与倾斜进行监测 对车体的振动与倾斜状况进行测量，可以对窃贼采用拖吊法盗窃车辆以及破学院 毕业论文（设计） 坏车体的现象进行预警。 由于加速度传感器 ADXL202E 能够测量 0～ 5kHz，177。 2g范围内动态或静态加速度。 动态加速度的测量可以用于振动检测，利用静态的重力加速度作为输入矢量，就可以确定物体的空间方向。 因此可以利用 ADXL202E同时对车体的振动和倾斜角度进行监测。 ADXL202E 采用 LCC8 ( 8 pins Leadless Chip Carrier)封装，体积仅为 5 mm 5mm 2mm，其封装和引脚如图 所示 图 ADXL202E 封装引脚结构图 (1)利用 ADXL202E 进行振动与倾角测量的基本原理 ADXL202E 是 Analog Device 公司设计生产的低成本、低功耗、单芯片集成双轴加速度传感器。 3～ 单电源供电，工作电流小于 6mA，可以测量 05kHz，177。 2g 范围内动态或静态加速度， 60Hz 时分辨率为 2mg，可以输出数字信号和模拟信号，应用温度范围为 40～ +125oC。 在采用数 字信号进行测量时，只要利用微处理器的计数器 /定时器端口分别采集信号的工作周期脉宽 T1和工作周期的时间长度 T2，利用公式 ()就可以得出被测加速度的值。 计算公式为 ： A(g)=(T1 /T2－ )／ % () 信号示意图如图 所示 ： 图 数字输出加速度的计算方法 利用模拟信号进行测量时，可以直接应用从 XFILT、 YFILT引脚输出的模拟信号。 也可以将 XOUT、 YOUT引脚输出的数字信号进行 RC 滤波，重新恢复成模拟信号。 第一种方法输 出信号带宽比较宽，但需外加电压跟随器才能带载。 第二种方法可以对输出的模拟信号进行放大，但频率响应特性较低。 采用何种输出方法，需根据具体的使用条件进行确定。 (2)ADXL202E 的汽车防盗应用方案 ADXL202 采用 直流电源的供电，为降低电源对传感器的干扰，在引脚VDD和公共接地端 COM 之间须连接 F的去藕电容。 由于芯片与微处理器共用一个供电电源，在电源与 VDD 间需增加一个磁珠或 100Ω 的电阻，以减小数字信号对传感器输出信号的干扰。 T2引脚外接 625kΩ的 RSET电阻，将输出 的数字信号的周期确定为 5ms，即频学院 毕业论文（设计） 率为 200Hz。 从 XOUT、 YOUT输出的数字信号直接输入微处理器的计数器定时器端口，以便进行重力加速度的测量，从而可以得出车体倾角的变化。 从 XFILT、 YF1LT 引脚输出模拟信号经电压跟随器提高带载能力后，送入微处理器的户 A/D 端口，以进行对车体微小振动的测量。 汽车防盗中，车体倾斜角度的测量要求其信号具有很小的噪声，需限制信号带宽。 而对于振动的测量，则需要 10～ 200Hz 的较宽信号范围。 首先，将 XFILT、YFILT引脚的滤波电容 CX, CY设定为 F，这样输出的数字、模拟信号的带宽全都限制在 200Hz 以下，再将 ADXL202 输出的带宽为 200Hz 的数字和模拟信号分别经过低通滤波和高通滤波，就可以获得倾斜、振动监测所需。