一種基于RK3399的校園無人值守警戒系統(tǒng)*

摘要：多次測試結(jié)果表明，本校園無人值守警戒系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)化綜合智能控制和管理，能夠給用戶帶來“以人為本”的全新安防體驗(yàn)。

社會的不斷發(fā)展使得人們對智能化和信息化的要求越來越高，與此同時(shí)，安全問題在各個(gè)領(lǐng)域的重要性也日益明顯。校園的突出特點(diǎn)是占地廣闊、人口多、人員流動(dòng)性強(qiáng)，就目前的防護(hù)手段而言，主要還是以人工駕駛巡邏車的傳統(tǒng)防護(hù)手段為主。這種防護(hù)手段不僅耗費(fèi)人力和精力，而且在諸如雷電和雨雪等惡劣天氣時(shí)，防護(hù)能力會受到極大的限制，很難達(dá)到預(yù)期的效果，再加上人工防護(hù)手段不能全天候全方位監(jiān)視的缺陷，難免會發(fā)生一些意外事故。例如2015 年，著" 學(xué)生裝" 大盜流竄12 省專偷高校財(cái)產(chǎn)，盜竊200 多臺電腦，給廣大師生的生命和財(cái)產(chǎn)安全帶來巨大的損害。^[1]

西方國家于20 世紀(jì)70 年代末80 年代初開始對入侵防范技術(shù)進(jìn)行研究。在此背景之下，國際民航組織(ICAO)、美國FAA（美國聯(lián)邦航空管理局）/NASA（美國國家航空航天局）、歐洲民用航空設(shè)備組織（EUROCAE）、歐洲航空安全組織(EUROCONTROL)等國際性組織紛紛于20 世紀(jì)90 年代開發(fā)出各自的監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)。我們國家對報(bào)警系統(tǒng)的研究相對較晚，但發(fā)展較快。入侵探測傳感器問世大約有幾十年的時(shí)間，最初多用于軍事機(jī)構(gòu)及政府部門，價(jià)格非常昂貴，所以沒有進(jìn)入商業(yè)市場。而且當(dāng)時(shí)的技術(shù)不夠成熟，對環(huán)境的要求非常高，在復(fù)雜多變的天氣以及惡劣的環(huán)境下可靠性較差。數(shù)字信號處理（DSP) 技術(shù)的產(chǎn)生，使得探測器在戶外的探測性能飛速提高，對環(huán)境的適應(yīng)能力也逐漸增強(qiáng)，而且由于制造設(shè)備的升級，使得探測器的成本大大降低，從而推動(dòng)了防入侵探測報(bào)警系統(tǒng)向商業(yè)化和民用化方向發(fā)展。

綜上所述，在校園中引入無人值守警戒系統(tǒng)，防止非法外來人員的入侵有著急切的需要。基于校園特點(diǎn)、安全問題及系統(tǒng)性能要求等方面的考慮，本文采用激光探測技術(shù)，結(jié)合相應(yīng)的算法，設(shè)計(jì)一套價(jià)格低廉、便于安裝、維護(hù)方便的無人值守報(bào)警系統(tǒng)，并且其對安全防范能力的提高非常有必要。^[2]

本文主要是圍繞校園無人值守警戒系統(tǒng)的設(shè)計(jì)來展開，本文主要完成了以下工作：

（1）系統(tǒng)的基本原理和設(shè)計(jì)；

（2）系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)；

（3）系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)及后端設(shè)計(jì)。

1   系統(tǒng)構(gòu)成及原理

1.1   校園無人值守警戒系統(tǒng)的構(gòu)成

一個(gè)無人值守警戒系統(tǒng)可以分成物理層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層三層體系結(jié)構(gòu)，如圖1 所示。物理層由各種檢測和執(zhí)行模塊組成。網(wǎng)絡(luò)層包括了核心控制器以及無線通信設(shè)計(jì)。應(yīng)用層指的是云平臺以及移動(dòng)端APP（應(yīng)用程序）的訪問控制界面。傳感器和執(zhí)行模塊是無人值守警戒系統(tǒng)的最基本設(shè)備，系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的采集和控制命令的執(zhí)行都是通過物理層來實(shí)現(xiàn)的。

圖1 無人值守警戒系統(tǒng)架構(gòu)圖

本校園無人值守警戒系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用多傳感器融合的方式，以RK3399 作為核心控制器，利用激光對射傳感器對非法入侵人員進(jìn)行監(jiān)測，通過Wi-Fi（無線保真）與云服務(wù)器進(jìn)行連接，在云服務(wù)器上進(jìn)行數(shù)據(jù)的收集、存儲與下放。整體設(shè)計(jì)如圖2 所示。當(dāng)監(jiān)測到非法人員闖入時(shí)，報(bào)警音響會發(fā)出勸告提示，并且系統(tǒng)攝像頭將對非法入侵人員拍照并將照片上傳到云服務(wù)器，用戶可通過移動(dòng)APP 客戶端查看報(bào)警消息和入侵人員照片。^[3]

圖2 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)圖

1.2 激光對射傳感器的原理

激光探測器分為發(fā)送部分和接收部分。

激光發(fā)射裝置主要由激光工作物質(zhì)、泵浦源和光諧振腔三部分組成，其中激光工作物質(zhì)為產(chǎn)生激光的微粒存在區(qū)，泵浦源為激光工作物質(zhì)提供激發(fā)能量，光諧振腔負(fù)責(zé)對產(chǎn)生的激光信號進(jìn)行選型和相應(yīng)的約束。泵浦源為處于低能級的粒子轉(zhuǎn)變?yōu)楦吣芗壛Ｗ犹峁┰丛床粩嗟哪芰?，從而能夠再次激發(fā)工作介質(zhì)發(fā)出激光。當(dāng)然采用的工作介質(zhì)不同，使用的激勵(lì)方式和激勵(lì)源也不同。

目前常用的激勵(lì)方式包括光激勵(lì)、電激勵(lì)、熱激勵(lì)和化學(xué)激勵(lì)等，為了獲得持續(xù)的激光，泵浦源就必須持續(xù)不斷的將激發(fā)完激光后的低能級粒子“抽運(yùn)”到高能級狀態(tài)，以維持粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)。

激光接收裝置首先實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換，然后再對電信號進(jìn)行處理。光電轉(zhuǎn)換器件主要采用發(fā)光二極管實(shí)現(xiàn)，光電轉(zhuǎn)換過程的簡要描述如圖3 所示。

圖3 激光接收裝置的光電轉(zhuǎn)換電路

當(dāng)有激光照射PIN（本征摻雜）發(fā)光二極管時(shí)，PIN 管會產(chǎn)生反向電流，該反向電流會通過R10 和R11轉(zhuǎn)換成電壓信號，當(dāng)PIN 管導(dǎo)通時(shí)，產(chǎn)生正向電壓，輸出高電平；反之，當(dāng)沒有激光照射時(shí)，PIN 管截止，輸出低電平。通過檢測比較器的輸出電平值即可檢測激光的阻擋情況，從而進(jìn)行判斷。后半部分的作用主要是作為恒定電流源保證TTL 電平的穩(wěn)定輸出。

由于本系統(tǒng)需應(yīng)用在校園內(nèi)廣泛安裝使用，所以激光發(fā)射器的經(jīng)濟(jì)性和便捷性就至關(guān)重要。本文選用艾托森傳感器有限公司的可見紅光M12 對射光電傳感器，器件型號。外形如圖4 所示。

圖4 艾托森激光對射傳感器

激光波長選為650 nm，該波長激光帶有可見紅光，其反射激光對人眼傷害較小。同時(shí)考慮到不同地區(qū)的氣候原因，在選擇工作溫度上盡量選擇有一定跨度。激光器體積小也足以滿足安裝需求，所以該器件總體滿足本設(shè)計(jì)需求。^[4]

1.3 主控制器

主控制器采用瑞芯微公司的RK3399，RK3399 是一款低功耗、高性能且有豐富的接口的應(yīng)用處理器芯片，該芯片基于Big.Little（大小核）架構(gòu)，即具有獨(dú)立的NEON（ARM 架構(gòu)處理器擴(kuò)展結(jié)構(gòu)）協(xié)同處理器的雙核Cortex-A72 及四核Cortex-A53 組合架構(gòu)。RK3399內(nèi)置多個(gè)高性能硬件處理引擎，能夠支持多種格式的視頻解碼，因此具有超強(qiáng)的視頻處理能力和超高清視頻輸出的優(yōu)勢，適合做工業(yè)控制和人臉識別設(shè)備等。

圖5 RK3399外觀

圖6 RK3399接口圖

2   系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)整體結(jié)構(gòu)

校園無人值守警戒系統(tǒng)硬件整體框架如圖7 所示，以RK3399 為主控芯片，使用MDK（ARM Keil 微控制器開發(fā)套件）集成開發(fā)環(huán)境通過軟件程序的控制完成各個(gè)模塊之間接口的數(shù)據(jù)傳遞和協(xié)同工作，包括了數(shù)據(jù)采集、執(zhí)行器響應(yīng)和通信電路。

實(shí)現(xiàn)的主要功能是，通過激光傳感器檢測是否有人闖入無人值守的區(qū)域，如果有人闖入，則通過音響模塊進(jìn)行報(bào)警，并且觸發(fā)攝像頭進(jìn)行圖像采集，RK3399 主控板將采集到的信息通過Wi-Fi 傳到云服務(wù)器上進(jìn)行后端數(shù)據(jù)處理。除此之外，RK3399 還將處理從云服務(wù)器上獲取的開門信息，通過APP 端實(shí)現(xiàn)開門的門禁操作。^[5]

圖7 系統(tǒng)硬件框架圖

2.2 激光傳感器模塊

為了實(shí)現(xiàn)對闖入人員的精確判斷，本次系統(tǒng)采用激光傳感器，其捕獲信息的性能和可靠性較高。相比普通的紅外對射式光電傳感器，雖然其成本較低，但其抗干擾性能較差，受灰塵和強(qiáng)光影響較大。由于本次應(yīng)用場景是戶外，因此，選用抗干擾能力較強(qiáng)的激光傳感器。

激光收發(fā)裝置正常工作時(shí)，接收端和發(fā)送端通過激光線連通，接收端將此時(shí)的信號狀態(tài)用高電平予以表示，當(dāng)收發(fā)端之間的激光信號被阻擋時(shí)或者收到的信號非常弱時(shí)，接收端將此時(shí)的高電平置低，從而出現(xiàn)下降沿，并啟動(dòng)相應(yīng)的定時(shí)器計(jì)算斷路時(shí)間，單片機(jī)將激光束阻擋的個(gè)數(shù)以及低電平的持續(xù)時(shí)間作為重要的采樣參數(shù)傳至上位機(jī)進(jìn)行判斷。^[6]

激光傳感器部分的電路連接如圖8，負(fù)載需要連接一個(gè)外部電源進(jìn)行供電。其次，激光傳感器連接一個(gè)繼電器，繼電器通過GPIO（通用輸入輸出）口與RK3399主控板相連接。繼電器的工作方式是當(dāng)激光傳感器檢測到有人時(shí)，使它動(dòng)作，以改變控制電路的工作狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)既定的控制或保護(hù)的目的。在此過程中，繼電器主要起了傳遞信號的作用。

圖8 激光傳感器模塊連接電路

2.3 攝像頭模塊

當(dāng)激光傳感器檢測到有人闖入以后，觸發(fā)啟動(dòng)攝像頭。在RK3399 上面安裝搭建Python 運(yùn)行環(huán)境，運(yùn)行攝像頭的驅(qū)動(dòng)程序，當(dāng)攝像頭接收指令后便開始啟動(dòng)攝像頭，獲取相應(yīng)的設(shè)備信息和圖像信息，初始化窗口、顏色模式、幀狀態(tài)等；隨后進(jìn)行流媒體圖像的傳輸，將視頻流傳輸至云服務(wù)器。在本設(shè)計(jì)中可以輕松地使用Python 編程寫出清晰易懂的程序，實(shí)現(xiàn)攝像頭傳輸視頻的功能，從而達(dá)到遠(yuǎn)程監(jiān)控校園無人值守區(qū)域的作用。

2.4 通信

首先主控板RK3399 通過Wi-Fi 模塊入網(wǎng)，入網(wǎng)成功以后，再連接云服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸和通信操作。由上述可知，主控板上已經(jīng)部署了Python 環(huán)境，故此處同樣采用Python 語言編程實(shí)現(xiàn)。

使用云服務(wù)器可以根據(jù)開發(fā)需求構(gòu)建及托管開發(fā)軟件，減少軟件開發(fā)周期，降低后期運(yùn)維成本。在云平臺的物聯(lián)網(wǎng)控制臺進(jìn)行產(chǎn)品創(chuàng)建，創(chuàng)建產(chǎn)品時(shí)數(shù)據(jù)格式選擇了“透傳/ 自定義”，以減輕終端負(fù)擔(dān)和減少網(wǎng)絡(luò)流量占用。節(jié)點(diǎn)終端通過Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)將自定義協(xié)議的數(shù)據(jù)幀透傳到云端并解析。^[7]

另外，除了與數(shù)據(jù)庫的通信交互采用云服務(wù)器以外，APP 請求打開門禁時(shí)，采用HTTP（超文本傳輸協(xié)議）請求服務(wù)器，并與服務(wù)器建立連接。首先，RK3399 與服務(wù)器通過Socket 建立連接，當(dāng)APP 點(diǎn)擊“打開門禁”，執(zhí)行操作時(shí)向服務(wù)器發(fā)送打開門禁的數(shù)據(jù)信息；服務(wù)器接收到這一數(shù)據(jù)后，將其發(fā)給RK3399。主控板在收到信息后，將對應(yīng)位置的I/O 口置于高電平，驅(qū)動(dòng)門禁開關(guān)即可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程打開門禁操作。

3   系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

3.1 客戶端APP設(shè)計(jì)概要

為了用戶能夠簡單方便地對校園無人值守警戒系統(tǒng)進(jìn)行控制，設(shè)計(jì)使用手機(jī)APP 客戶端作為移動(dòng)終端。該APP 采用Android（安卓）studio 開發(fā)環(huán)境開發(fā)，本設(shè)計(jì)中核心的三個(gè)功能是（1）用戶登錄注冊；（2）實(shí)現(xiàn)開門功能；（3）查詢公告信息。其中涉及的技術(shù)難點(diǎn)是注冊和登錄的后端處理和Android 與云服務(wù)器的通信。

下面將從用戶注冊登錄功能、校區(qū)公告發(fā)布、查詢、遠(yuǎn)程開門功能詳細(xì)闡述系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方法和思路。[8]

3.2 用戶注冊登錄功能設(shè)計(jì)

用戶注冊登錄功能設(shè)計(jì)實(shí)際上即是客戶端與服務(wù)器通信功能設(shè)計(jì)。Android 客戶端的UI（用戶接口）界面，時(shí)刻被監(jiān)聽程序關(guān)注，隨時(shí)抓取用戶的輸入，把用戶的操作請求和數(shù)據(jù)經(jīng)過一定規(guī)則的封裝發(fā)送給服務(wù)器，服務(wù)器收到封裝信息進(jìn)行解析和處理，最后把處理結(jié)果返回。這一過程涉及客戶端與服務(wù)器端之間的通信問題。Android 客戶端與Web（網(wǎng)頁）服務(wù)器端有多種通信方式，常見的可采用HTTP、Socket 等，本系統(tǒng)APP 在用戶登錄注冊功能上選用了HTTP 通信方式與服務(wù)器交互。設(shè)計(jì)Httputils(context cont，string url，Map<String，String>params，int show) 構(gòu)造方法來實(shí)現(xiàn)Post 請求，cont 是上下文環(huán)境，url 是請求地址，Map<string，stringparams> 表示要發(fā)送的參數(shù)，以鍵值對的形式存儲，show 控制是否顯示進(jìn)度對話框，通過1 顯示、0 不顯示來表示。

圖9 Httputils實(shí)現(xiàn)流程圖

用戶注冊邏輯功能實(shí)現(xiàn)：首先拼接地址，發(fā)起請求，解析服務(wù)器返回的JSON（JS 對象簡譜）數(shù)據(jù)包，判斷狀態(tài)，給出提示，其流程圖如圖10 所示。用戶登錄邏輯功能實(shí)現(xiàn)與注冊類似設(shè)計(jì)。

圖10 注冊邏輯實(shí)現(xiàn)流程圖圖

圖11 校園公告查詢實(shí)現(xiàn)流程

3.3   校園公告查詢功能設(shè)計(jì)

在本系統(tǒng)的校園公告查詢功能中，在用戶登錄以后，進(jìn)入主頁面。在主頁面中，用戶可以看見最新的校園公告，也可以輸入公告的名稱進(jìn)行模糊查詢。當(dāng)服務(wù)器獲取用戶的查詢請求后，會查詢公告數(shù)據(jù)庫，根據(jù)輸入條件匹配最合適的公告，并將查詢的結(jié)果返回給用戶；其在查詢時(shí)，系統(tǒng)獲取查詢條件中公告的名稱等條件，然后將查詢條件轉(zhuǎn)化為SQL（結(jié)構(gòu)化查詢語言）查詢語句，在后臺數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行查詢。查詢結(jié)果返回后，APP 顯示查詢的結(jié)果。校園公告查詢模塊流程圖如圖11 所示。

3.4   遠(yuǎn)程開門禁功能設(shè)計(jì)

開門禁功能的實(shí)現(xiàn)是基于Android 客戶端通過HTTP 與服務(wù)器通信完成的。每當(dāng)有人經(jīng)過本系統(tǒng)時(shí)，硬件平臺的攝像頭會進(jìn)行拍照，并將人像照片傳給服務(wù)器存起來。Android 手機(jī)客戶端采用GET方式給WEB（互聯(lián)網(wǎng)）服務(wù)器發(fā)送一個(gè)HTTP 請求。服務(wù)器響應(yīng)HTTP請求后，客戶端以json 格式解析代碼，獲取人像圖片的統(tǒng)一資源定位符URL（統(tǒng)一資源定位器）；并將獲取到的人像照片以訪問網(wǎng)絡(luò)圖片的形式，一張一張的顯示在APP 的ListView 內(nèi)。從而實(shí)現(xiàn)終端遠(yuǎn)程查看門禁的出入人員。

當(dāng)用戶在Android 客戶端軟件內(nèi)發(fā)起一個(gè)開門命令時(shí)，客戶端向服務(wù)器提交一個(gè)POST請求，置open 值為1。服務(wù)器通過輪詢的方式判斷open 的值是否被置1。若檢測到open 值為1，則將開門指令下發(fā)給RK3399，觸發(fā)硬件平臺的開門動(dòng)作。Android 客戶端、RK3399 與服務(wù)器的通信流程如圖12 所示。

RK3399 通過Socket 與服務(wù)器通信，連接建立后就可隨意向服務(wù)端發(fā)送數(shù)據(jù)和接收服務(wù)端返回的數(shù)據(jù)。在通信的兩端各建立一個(gè)Socket，從而在通信的兩端之間形成網(wǎng)絡(luò)虛擬鏈路。一旦建立了虛擬的網(wǎng)絡(luò)鏈路，兩端的程序就可以通過虛擬鏈路進(jìn)行通信?？蛻舳送ǔ？梢允褂肧ocket 的構(gòu)造器來連接到指定服務(wù)器，客戶端程序僅僅使用Socket 建立與指導(dǎo)IP（互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議）地址、指定端口的連接，并使用Socket 獲取輸入流讀取數(shù)據(jù)。RK3399 上傳人像照片功能使用HTTP 協(xié)議與服務(wù)器通信。移動(dòng)端與服務(wù)器以及RK3399 的通信關(guān)系如圖12所示。

圖12 系統(tǒng)通信流程圖

3.5   后端服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫

本次校園無人值守警戒系統(tǒng)建立了兩個(gè)后端服務(wù)器，一個(gè)用于用戶注冊和登錄的信息存儲的數(shù)據(jù)庫部署、闖入時(shí)硬件搜集到的圖片數(shù)據(jù)獲取與處理以及執(zhí)行開門操作的請求轉(zhuǎn)發(fā)；另一個(gè)用于APP 上公告信息的獲取。在此，重點(diǎn)介紹第一個(gè)服務(wù)器的搭建以及數(shù)據(jù)庫的部署。^[9]

首先，借助騰訊云平臺，獲取云服務(wù)器，為云服務(wù)器配置Linux 的操作系統(tǒng)，再為操作系統(tǒng)安裝MySQL。

接著，為本次設(shè)計(jì)的校園無人值守警戒系統(tǒng)創(chuàng)建三張數(shù)據(jù)表，分別為用戶信息表、闖入消息記錄表、圖片記錄表。

（1）用戶信息表用于存儲用戶的賬戶信息，表頭有id（手機(jī)號）、name（姓名）和password（密碼）三個(gè)字符串信息。用戶通過終端APP 注冊，即可對此數(shù)據(jù)庫進(jìn)行用戶信息添加；用戶通過終端APP 登錄時(shí)，需要調(diào)用此接口，對用戶輸入信息進(jìn)行查詢對比，有即可登錄成功，反之亦然。

（2）闖入消息記錄表用于記錄用戶進(jìn)入此無人值守區(qū)域的信息。

（3）圖片記錄表用于記錄闖入人員的圖片。隨后，為數(shù)據(jù)庫寫接口，供APP 客戶端、RK3399的調(diào)用，以方便其執(zhí)行存儲數(shù)據(jù)和查詢數(shù)據(jù)等操作。

4   結(jié)論

完成系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研發(fā)后，通過檢測圖片是否上傳成功和Socket 通信是否成功來對該系統(tǒng)功能進(jìn)行驗(yàn)證，并通過“檢測到人經(jīng)過報(bào)警聲時(shí)延”、“服務(wù)器獲取圖片所用時(shí)間”等參數(shù)來反應(yīng)該系統(tǒng)的性能。隨機(jī)測試結(jié)果如表1 所示。

本次設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了無人值守警戒系統(tǒng)的基本功能，并且能夠有效地應(yīng)用到實(shí)際校園需求中，大大地減少了人工對于復(fù)雜環(huán)境下非法闖入的管理負(fù)擔(dān)。但對于人流量密集的場所，該系統(tǒng)靈敏度的控制仍有待改進(jìn)之處。

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（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2022年3月期）