摘 要： 通過分析用戶使用需求,，結(jié)合智能手機(jī)的行業(yè)應(yīng)用多元化,，論述了一種基于智能手機(jī)的車輛安全輔助系統(tǒng)的設(shè)計及應(yīng)用。作為一種運(yùn)動探測器,、攝像機(jī)和單片機(jī)控制系統(tǒng)在移動應(yīng)用程序上的新型集成,，該系統(tǒng)利用移動通信技術(shù)對車輛進(jìn)行遠(yuǎn)程控制并提供必要的安全保障。
關(guān)鍵詞： 智能手機(jī),；移動互聯(lián)網(wǎng),；車輛安全輔助；遠(yuǎn)程控制,；Android操作系統(tǒng),；AVR單片機(jī)
據(jù)世界著名的美國汽車行業(yè)雜志W(wǎng)ardsauto于2011年公布的數(shù)據(jù)顯示，中國汽車擁有量為7 800萬輛,，位居全球第二,，人均保有量已升至每17人擁有1輛汽車。汽車保有量的增加伴隨生活節(jié)奏的加快,，人們對車輛輔助系統(tǒng)在時間和空間跨度要求也更高,。另一方面，當(dāng)前智能手機(jī)的應(yīng)用已經(jīng)深入到人們生活的方方面面,，智能手機(jī)已經(jīng)不僅僅是單一的通信工具,，已經(jīng)漸漸變成移動多媒體和信息中心，智能手機(jī)的行業(yè)應(yīng)用迅速催生了行業(yè)合作的多元化經(jīng)濟(jì)模式,。
在這樣的一種背景下,，提出“移動設(shè)備—云端服務(wù)器—車輛”系統(tǒng)架構(gòu)。如圖1所示,，移動設(shè)備作為終端并借助于移動互聯(lián)網(wǎng)和云平臺的強(qiáng)大信息交互和處理能力,，實(shí)現(xiàn)車主對車輛的遠(yuǎn)程控制。同時,，車輛也可以實(shí)時地將自身的狀態(tài)信息及報警信息通過手機(jī)等移動設(shè)備呈現(xiàn)給車主,。
本文所提出的VSA系統(tǒng)正是基于這樣的系統(tǒng)架構(gòu),，采用智能手機(jī)作為人機(jī)交互平臺。同時,，該系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)以上功能的前提下,，并未改動車輛機(jī)械結(jié)構(gòu)及電子控制系統(tǒng)，不會由于該系統(tǒng)對車輛的安全性造成降低,，甚至破壞,；采用合理化的接口設(shè)計，提供故障檢測接口,，保證使用維修方便,。
1 系統(tǒng)概述
該系統(tǒng)主要分為兩個部分——車載端及手機(jī)客戶端。前者檢測車輛狀態(tài)信息,，后者發(fā)送請求，由前者返回查詢結(jié)果,；另一方面,，后者發(fā)送相應(yīng)執(zhí)行指令，前者接受分析后執(zhí)行,。兩者之間的通信及數(shù)據(jù)交互則是依托網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行,。
車載端由硬件電路、微型攝像頭,、視頻服務(wù)器及執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成,，安裝在車輛上。
手機(jī)客戶端在具有開源性和易開發(fā)性的Android操作系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn),。車載控制器和控制模塊（車門和車窗開/關(guān)）采用車載電力線,，方便接入車輛固有電源系統(tǒng)。圖2描述了系統(tǒng)硬件組成及實(shí)施,，包括設(shè)備,、手機(jī)及車載控制器之間的通信鏈路。圖3描述了基于手機(jī)端的系統(tǒng)工作流程,。
車載控制器內(nèi)置的辨別系統(tǒng)保證只有唯一的一個手機(jī)客戶端可以訪問,。視頻由車載端發(fā)送給手機(jī)客戶端，而控制和指令由手機(jī)客戶端發(fā)送給車載端,，必要時車載端主動發(fā)送車輛信息給手機(jī)端并自動執(zhí)行相應(yīng)的報警操作,。下面針對以上功用的實(shí)現(xiàn)方案進(jìn)行模塊化分析。
2 系統(tǒng)方案設(shè)計
2.1 車載端和手機(jī)客戶端通信
在VSA系統(tǒng)中用戶通過手機(jī)客戶端發(fā)送短信息與車載端進(jìn)行信息交互,。系統(tǒng)采用SIM300模塊進(jìn)行短信收發(fā),，單片機(jī)通過對接收到的短信息進(jìn)行解析，與數(shù)據(jù)庫中的信息進(jìn)行比對匹配,，進(jìn)行相應(yīng)的信息查詢及控制操作,。
SIM300是一款三頻段GSM/GPRS模塊,，提供了兩個不平衡異步操作串口。將GSM模塊設(shè)計成數(shù)據(jù)通信設(shè)備（DCE）,，與傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)終端設(shè)備（DCE-DTE）相連,，如圖4所示。SIM300內(nèi)部集成了TCP/IP協(xié)議棧,，并且擴(kuò)展了AT指令,。利用短信模塊的串行接口收發(fā)一系列的AT命令，控制手機(jī)模塊收發(fā)短信的目的,。短信交互流程如圖5所示,。
為避免系統(tǒng)處理過程中新短信到來造成的時序混亂，系統(tǒng)采用全雙工處理方式進(jìn)行容錯處理,。過程如下：當(dāng)系統(tǒng)正在處理執(zhí)行一條短信息的過程中,，將系統(tǒng)置于BUSY狀態(tài)，通過中斷程序來檢測和存儲系統(tǒng)在忙的過程中接收的短信息,，不讓其進(jìn)入GSM時序控制程序中來,。只有當(dāng)系統(tǒng)處理完當(dāng)前的信息后，處于非BUSY狀態(tài),，此時開始處理新到的信息,。
2.2 視頻監(jiān)控方案
在VSA系統(tǒng)中采用模擬攝像機(jī)+網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器(DVS)的方式，使用微型攝像頭進(jìn)行視頻采集,，網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器對視頻進(jìn)行H.264壓縮處理,，轉(zhuǎn)換為基于TCP/IP網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)包，通過網(wǎng)絡(luò)模塊進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)傳輸,。視頻服務(wù)器內(nèi)置SD卡,、485通信口及I/O口可以與單片機(jī)相連，實(shí)現(xiàn)報警視頻存儲及圖片抓拍,。
Android手機(jī)客戶端接收H.264壓縮數(shù)據(jù)流,，利用ffmpeg開源音視頻解碼庫，開發(fā)H.264解碼類[1],。對數(shù)據(jù)流進(jìn)行解碼處理,，存儲在內(nèi)存緩沖區(qū)，通過java中Bitmap類的copyPixelsFromBuffer方法生成位圖,，利用圖像幀的方式進(jìn)行播放[2],。部分代碼如下：
ByteBuffer pRGBBuffer=ByteBuffer.allocate(VideoWidth *
VideoHeight * 3)；//指定緩沖區(qū)
While（!isExit）{
…
bmp=Bitmap.createBitmap(VideoWidth,，VideoHeight,，
Bitmap.Config.RGB_565)；//為位圖制定大小格式
bmp.copyPixelsFromBuffer(pRGBBuffer),；//復(fù)制指定內(nèi)存
區(qū)域給位圖
…
}
同時,，當(dāng)車輛出現(xiàn)報警信息,，除了單片機(jī)可以直接控制視頻服務(wù)器進(jìn)行相應(yīng)報警操作外，手機(jī)客戶端也可以自行進(jìn)行報警圖片抓拍,，直接將bmp圖片轉(zhuǎn)換為JPEG或PNG圖片保存在手機(jī)SD卡中,。
2.3 車門車窗控制方案設(shè)計
為提高汽車使用的便利性和行車的安全性，現(xiàn)代汽車越來越多地安裝中控鎖,?；窘M成主要有門鎖開關(guān)、門鎖執(zhí)行機(jī)構(gòu)和門鎖控制器,。門鎖執(zhí)行機(jī)構(gòu)有電磁式,、直流電動機(jī)式和永磁電動機(jī)式3種驅(qū)動方式。門鎖控制器是為門鎖執(zhí)行機(jī)構(gòu)提供鎖止/開啟脈沖電流的控制裝置,。通過通電電流方向控制執(zhí)行機(jī)構(gòu),，實(shí)現(xiàn)門鎖的鎖止和開啟[3]；為了方便乘客操作車窗,，車輛一般采用電動車窗系統(tǒng),。電動車窗系統(tǒng)主要由電動機(jī)、車窗,、升降器及繼電器等組成。通過給直流永磁電動機(jī)接通額定電流,，從而達(dá)到控制車窗升降的目的[4],。
綜上所述，當(dāng)前車門車窗都是通過接通電流來實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的執(zhí)行操作,。下面以車門開啟為例進(jìn)行說明,。
如圖6所示，當(dāng)單片機(jī)給MZ加以高電平時,，三極管T3導(dǎo)通,，進(jìn)而繼電器接通，觸電吸合,，VCC-3,、DGND分別與M1、FUJI2接通,，電機(jī)正轉(zhuǎn),，實(shí)現(xiàn)車門上鎖功能；同理,，當(dāng)單片機(jī)給MF高電平時,，三極管T4導(dǎo)通，VCC-3,、DGND分別與FUJI2,、M1接通,，電機(jī)反轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)車門解鎖功能,。
2.4 信號檢測
信號檢測包括車門車窗狀態(tài),、車輛行駛狀態(tài)及車輛自身的安全狀態(tài)。
車門車窗狀態(tài),，即開啟或關(guān)閉,，通過微動開關(guān)來檢測。當(dāng)微動開關(guān)動作簧片未被按下時,，COM端和NC端接通,；當(dāng)微動開關(guān)動作簧片被按下時，COM端與NO端相接通,。將微動開關(guān)COM端接地DGND,。單片機(jī)通過檢測NO端是否為低電平，即可判斷車門車窗是否已經(jīng)關(guān)閉,。
車輛行駛狀態(tài)及車輛自身的安全狀態(tài)的檢測通過檢測車輛是否被碰撞,，以及行駛過程中行駛平穩(wěn)狀態(tài)來判斷。采用加速度傳感器來檢測,，VSA系統(tǒng)中采用MMA7361振動加速度模塊來模擬實(shí)現(xiàn)[5],。
3 系統(tǒng)評估
系統(tǒng)性能的好壞主要取決于指令執(zhí)行效率及視頻流暢性，為了系統(tǒng)的改進(jìn)研究,，主要針對通信延遲,、視頻流暢性進(jìn)行測試。
3.1 通信延遲測試
通信延遲測試實(shí)驗(yàn)包括查詢指令測試及控制指令測試,。測試一個指令周期時間（發(fā)送指令和接收到返回指令之間的時間間隔）,，其中查詢指令即查詢車門及車窗狀態(tài)，而控制指令測試包括開門指令,、關(guān)門指令及開窗,、關(guān)窗指令測試。每組測試10次,，取時間平均值,，測試結(jié)果如表1所示。
3.2 視頻流暢性測試
視頻流暢性的影響因素包括網(wǎng)速,、視頻分辨率,、視頻壓縮質(zhì)量及操作系統(tǒng)等。通過對在手機(jī)客戶端和PC機(jī)客戶端上的視頻延遲情況進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn),，在手機(jī)客戶端視頻滯后較為嚴(yán)重,，一般為8 s～10 s；而在PC機(jī)上為1 s～2 s。這表明,，最長的延遲來自于手機(jī)操作系統(tǒng)本身,，而不是網(wǎng)絡(luò)速度及VSA系統(tǒng)本身。
單片機(jī)處理速度在微秒級,，通過測試發(fā)現(xiàn)即使是查詢指令,，單片機(jī)只需處理傳感器檢測信號，而指令周期也在10 s左右,，可見采用短信的通信方式,，延遲性較大；而視頻的流暢性主要受手機(jī)處理速度所限,。
本文所提出的VSA系統(tǒng)是“移動設(shè)備—云端服務(wù)器—車輛”系統(tǒng)框架在智能手機(jī)上的一種探索性應(yīng)用,，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制車門車窗、實(shí)時監(jiān)控,、報警提示及視頻圖片抓拍等功能,，完成了便宜、廣泛使用的現(xiàn)有設(shè)備,、接口,，以及用戶可視化界面軟件的集成。為用戶提供了一個易于使用的基于Android操作系統(tǒng)的移動應(yīng)用程序,，從而可以遠(yuǎn)程控制和監(jiān)控車輛及安全,。
該系統(tǒng)的車門車窗控制機(jī)構(gòu)已經(jīng)通過了模擬測試，下一階段需要進(jìn)行基于實(shí)車的改裝測試,。另外,，采用短信的通信方式，簡單,、可靠，但延遲較大,，滿足現(xiàn)有的提示性為主的功能需求,，但不適于實(shí)時性操作要求較高的場合。
未來將對視頻服務(wù)器與控制器進(jìn)行集成小型化設(shè)計,，完成視頻及通信數(shù)據(jù)的流式傳輸,，降低使用成本并提高實(shí)時性?？紤]車輛添加多個攝像頭,，采集多個攝像頭視頻信息進(jìn)行合成，獲得車輛周圍3D全景信息,，并感知周圍障礙物距離,，配上合理的計算，提供一種基于手機(jī)的輔助倒車功能,。將所有車輛的信息傳送到云端服務(wù)器,，由服務(wù)器通過手機(jī)給車主提供車輛安保,、導(dǎo)航等功能。例如當(dāng)用戶打開監(jiān)控功能時,，視頻監(jiān)控信息傳遞給服務(wù)器,，服務(wù)器對視頻信息進(jìn)行分析識別（闖入者是否是車主或車主提供的親近人員信息），進(jìn)而發(fā)出報警指令并提供給警方,。
參考文獻(xiàn)
[1] 吳張順,，張王旬.基于FFmpeg的視頻編碼存儲研究與實(shí)現(xiàn)[J].杭州電子科技大學(xué)學(xué)報，2006,，26(3)：30-34.
[2] BURNETTE E.Android基礎(chǔ)教程：introducing Google′s mobile development platform[M].田俊靜,，張波，黃湘情,，等譯.北京：人民郵電出版社,，2010.
[3] 韓超，梁泉.Android系統(tǒng)級深入開發(fā)：移植與調(diào)試[M].北京：電子工業(yè)出版社,，2011.
[4] 孫余凱,，項(xiàng)綺明.新型汽車電子單元電路原理與維修圖說[M].北京：電子工業(yè)出版社，2004.
[5] 沙占友.集成化智能傳感器原理與應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社,，2004.