雙重車載智能安防系統(tǒng)設(shè)計

【摘要】本文利用飛思卡爾基于Cortex-A9內(nèi)核的i.MX 6Dual應(yīng)用級處理器設(shè)計搭建車載安全防護系統(tǒng)的理論框架，基于傳感器的數(shù)據(jù)采集并通過GSM無線網(wǎng)絡(luò)采用UDP協(xié)議傳輸、并依托存儲模塊完成圖像的保存，從而確保事發(fā)圖像的完整傳輸，增強后續(xù)問責處理依據(jù)的可靠性。

【關(guān)鍵詞】Cortex-A9；Linux系統(tǒng)；GSM；UDP協(xié)議；SATA接口

1.引言

隨著汽車產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展使人們對車輛的安防性能提出了更高的要求。而嵌入式安防系統(tǒng)由于其高集成度、多功能、性價比優(yōu)越以及強穩(wěn)定性受到社會的認可。

傳統(tǒng)的車載安防系統(tǒng)在圖像傳輸中完全依賴于網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，而忽視了由于其不穩(wěn)定或者無線設(shè)備的異常而導(dǎo)致圖像傳輸中斷，以至于無法獲取完整圖像的問題。本設(shè)計提出具有多功能的防盜系統(tǒng)并添加存儲單元，采用UDP協(xié)議解決圖像傳輸過程中的異常問題，提高傳輸速度而且使圖像具有了多次提取的功能。

2.系統(tǒng)框架設(shè)計

設(shè)計基于Cortex-A9的車載智能安防系統(tǒng)主要包括i.MX6Dual核心控制模塊、存儲模塊、無線網(wǎng)絡(luò)模塊、檢測傳感器、電源等模塊。總體結(jié)構(gòu)如圖一所示。

圖一 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

其中i.MX 6Dual是總體的控制核心，通過GPRS無線網(wǎng)絡(luò)收發(fā)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)車輛所處環(huán)境的綜合監(jiān)控。

系統(tǒng)完成的任務(wù)目標是當車門、窗、車身受到外力時，廂內(nèi)、外攝像頭啟動拍攝擠壓方向，并根據(jù)紅外傳感器鎖定目標，周期性拍攝侵入車內(nèi)的當事人圖片，并通過無線網(wǎng)絡(luò)將圖像實時傳輸給車主并存儲圖像數(shù)據(jù)。

一旦車輛發(fā)生上述異常時，系統(tǒng)將會立即通知主人，已達到維護車輛安全的目標。圖二為系統(tǒng)工作流程圖。

圖二 系統(tǒng)工作流程圖

3.智能安防系統(tǒng)硬件設(shè)計

3.1 i.MX 6Dual開發(fā)板

i.MX 6Dual應(yīng)用級處理器利用動態(tài)長度、八級超標量結(jié)構(gòu)、多事件管道及推斷性亂序執(zhí)行，它能在頻率超過1GHz的設(shè)備中并在每個循環(huán)中執(zhí)行多達四條指令，同時還能減少目前主流八級處理器的成本并提高效率。i.MX 6Dual除具有常用接口外還具有千兆以太網(wǎng)接口，并支持SATAⅡ接口的擴展。硬件設(shè)計時，目標板采用八層結(jié)構(gòu)，從而使開發(fā)板空間減小，穩(wěn)固性增強。

GPRS通信模塊具有遠程控制作用，它由GSM核心模塊、UDP協(xié)議與PPP協(xié)議模塊等組成。GSM由U轉(zhuǎn)串口接入，DDR存儲器用于存放Linux系統(tǒng)，4G Flash作為內(nèi)存使用，外界硬盤存儲拍攝的數(shù)據(jù)。三個USB口分別連接三個攝像頭；通用I/O分別連接門窗傳感器、熱釋電紅外傳感器和壓力傳感器。SATA接口接入存儲硬盤用于存儲拍攝數(shù)據(jù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的多次提取功能。

3.2 GSM模塊與UDP協(xié)議

GSM 系統(tǒng)是由若干各子系統(tǒng)或功能實體組成。其中基站子系統(tǒng)（BBS）在移動臺（MS）和交換網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)（NSS）之間，提供和管理傳輸通道，特別是包括了 MS 與 GSM 系統(tǒng)的功能實體之間的無線接口管理。NSS 必須管理通信業(yè)務(wù)，保證 MS 與相關(guān)的公用通信網(wǎng)或與其他 MS 之間建立通信。GSM 系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)如圖三所示。

圖三 GSM整體結(jié)構(gòu)

①移動臺（MS）

移動臺（MS）是用戶使用的終端設(shè)備，它由兩部分組成：移動終端設(shè)備（M E）和用戶身份模塊（SIM）。移動臺采用分離設(shè)計的原因一方面在于可以將 MS 端的安全功能集中于 SIM．便于控制：另一方面通過分離 ME 和 SIM 的功能，用戶可以方便地更換移動臺，只需要將原來的 SIM 卡插入到新的 ME，網(wǎng)絡(luò)即可識別用戶的身份。

② 無線基站子系統(tǒng)（BSS）

BSS 系統(tǒng)是在一定的無線覆蓋區(qū)中由 MSC 控制，與 MS 進行通信的系統(tǒng)設(shè)備，它主要負責完成無線發(fā)送接收和無線資源管理等功能。BSS 在 GSM 網(wǎng)絡(luò)的固定部分和無線部分之間提供中繼，實現(xiàn)移動用戶間或移動用戶與固定網(wǎng)用戶間的通信，傳送系統(tǒng)信號和用戶信息等。

③ 交換網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)（NSS）

交換網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)主要完成交換功能和用戶數(shù)據(jù)與移動性管理、安全性管理所需的數(shù)據(jù)庫功能。

④ 操作維護子系統(tǒng)（OMC）

GSM 系統(tǒng)中還有一個操作維護子系統(tǒng)（OMC），它主要是對整個 GSM 網(wǎng)絡(luò)進行管理和監(jiān)控。通過 OMC 實現(xiàn)對 GSM 網(wǎng)內(nèi)各種部件功能的監(jiān)視、系統(tǒng)的自檢、報警與備用設(shè)備的激活、系統(tǒng)的故障診斷與處理、話務(wù)量的統(tǒng)計和計費數(shù)據(jù)的記錄與傳遞，以及各種資料的收集、分析與顯示等功能。

本設(shè)計中采用TC35i模塊是一個支持中文短信息的工業(yè)級GSM模塊，工作在EGSM900和GSM1800雙頻段，電源范圍為直流3.3～4.8V，可傳輸語音和數(shù)據(jù)信號。TC35i由供電模塊閃存、ZIF連接器、天線接口等6部分組成。圖四為TC35i模塊。

圖四TC35i模塊

UDP協(xié)議特性

（1）UDP是一個無連接協(xié)議，當UDP傳送數(shù)據(jù)時就直接抓取來自應(yīng)用程序的數(shù)據(jù)，并盡可能快地把它扔到網(wǎng)絡(luò)上。在發(fā)送端，UDP傳送數(shù)據(jù)的速度僅僅是受應(yīng)用程序生成數(shù)據(jù)的速度、計算機的能力和傳輸帶寬的限制；在接收端，UDP把每個消息段放在隊列中，應(yīng)用程序每次從隊列中讀一個消息段。

（2）由于傳輸數(shù)據(jù)不建立連接，因此也就不需要維護連接狀態(tài)，包括收發(fā)狀態(tài)等，因此一臺服務(wù)機可同時向多個客戶機傳輸相同的消息。

（3）UDP信息包的標題很短，只有8個字節(jié)，相對于TCP的20個字節(jié)信息包的額外開銷很小。

（4）吞吐量不受擁擠控制算法的調(diào)節(jié)，只受應(yīng)用數(shù)據(jù)的速率、傳輸帶寬、源端和終端主機性能的限制。

3.3存儲單元

傳統(tǒng)設(shè)計中，采用計算機平臺的存儲模式，即采集圖像數(shù)據(jù)通過GSM傳輸?shù)椒?wù)器，然后通過PCI總線存儲到硬盤中，或者是利用網(wǎng)絡(luò)直接實現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)的在線下載，整個過程需要依托于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的好壞，并且上述兩種方式的存儲速度最高只能達到70MB/s左右，無法為圖像的完整傳輸和實時性提供保障。為了避免上述問題的發(fā)生，在系統(tǒng)中添加存儲單元是一個很好的解決方法。

本設(shè)計中采用SATA 接口，SATA規(guī)范將硬盤的外部傳輸速率理論值提高到了150MB/s，從其發(fā)展計劃來看，未來SATA也將通過提升時鐘頻率來提高接口傳輸速率，讓硬盤也能夠超頻。

SATA采用串行連接方式，使用嵌入式時鐘信號，具備了更強的糾錯能力，與以往相比其最大的區(qū)別在于能對傳輸指令（不僅僅是數(shù)據(jù)）進行檢查，如果發(fā)現(xiàn)錯誤會自動矯正，這在很大程度上提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴D五為在開發(fā)板上外擴的SATA接口。

圖五外擴SATA接口

4．安防系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心、以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)，并且軟硬件可裁減，適用對功能、可靠性等有嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)。主要由嵌入式處理器為核心的硬件系統(tǒng)、嵌入式操作系統(tǒng)及應(yīng)用軟件系統(tǒng)等組成。

Liunx系統(tǒng)的ARM平臺移植，主要有以下幾個方面制作，符合開發(fā)需要的BootLoader、移植內(nèi)核、設(shè)備驅(qū)動、文件系統(tǒng)等，其步驟如圖六所示。

圖六Linux系統(tǒng)的ARM平臺移植流程圖

Linux在內(nèi)核啟動后，要裝載根文件系統(tǒng)。圖七、八分別為內(nèi)核和busybox的編譯。

圖七 內(nèi)核編譯

圖八 busybox編譯

由于系統(tǒng)設(shè)計中擴展了硬件設(shè)備和接口，所以對操作系統(tǒng)源代碼進行了修改，添加完善的硬件驅(qū)動程序。圖九是系統(tǒng)的軟件模塊示意圖。

圖九 軟件模塊

5.結(jié)束語

基于Cortex-A9內(nèi)核處理器的車載智能安防系統(tǒng)是一個具有先進性和數(shù)據(jù)收發(fā)保障性的車輛防盜系統(tǒng)。本文首次將Cortex-A9系列的處理器應(yīng)用于遠程車載防盜系統(tǒng)中，而且添加了數(shù)據(jù)存儲單元并協(xié)同UDP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議不僅提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣?，而且確保了數(shù)據(jù)的完整性。它的傳輸速度要高于傳統(tǒng)TCP協(xié)議，而在數(shù)據(jù)的可靠性方面有很大增強，存儲單元的增加又能使數(shù)據(jù)被多次提取。由于Cortex-A9系列處理器本身的高擴展性，使用者可以根據(jù)自身實際需求進行功能擴展，大大減少了開發(fā)的成本，所以具有較高的性價比。

參考文獻：

[1]葉朝鋒，黃松嶺，徐云，童允，袁燕嶺.基于SATA的嵌入式高速大容量數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)設(shè)計[J].電測與儀表.2008，46（506）：41-44

[2]朱巖.基于閃存的星載高速大容量存儲技術(shù)的研究[D]：[博士學位論文].北京：中國科學院研究生院，2006

[3]郭峰.基于千兆以太網(wǎng)的視頻圖像存儲系統(tǒng)[D].西安電子科技大學碩士學位論文，2009

[4]楊琛.智能家居物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控終端的研究與設(shè)計[D].太原：太原理工大學，2011.

[5]王全清.遠程無線智能車載監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[D].湖南：國防科技大學，2008