一種基于RK3399的校園無人值守警戒系統*

作者：黃學達,楊鵬,李翔,黃鐘平,顏瑜,楊顏睿(重慶郵電大學自動化學院,重慶400065) 時間：2022-04-01 來源：電子產品世界

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編者按：本校園無人值守警戒系統設計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行監測，通過Wi-Fi與云服務器進行連接，在云服務器上進行數據的收集、存儲與下放。當監測到非法人員闖入時，報警音響會發出勸告提示，并且系統攝像頭將對非法入侵人員拍照并將照片上傳到云服務器，用戶可通過移動APP客戶端查看報警消息和入侵人員照片。本文分別從器件原理和選型、系統整體設計、系統硬件設計、系統軟件設計、系統功能測試五個方面詳細闡述了本次設計的原理、過程以及實驗結果。

摘要：多次測試結果表明，本校園無人值守警戒系統通過網絡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。

本文引用地址：http://www.j9360.com/article/202204/432711.htm

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

西方國家于20 世紀70 年代末80 年代初開始對入侵防范技術進行研究。在此背景之下，國際民航組織(ICAO)、美國FAA（美國聯邦航空管理局）/NASA（美國國家航空航天局）、歐洲民用航空設備組織（EUROCAE）、歐洲航空安全組織(EUROCONTROL)等國際性組織紛紛于20 世紀90 年代開發出各自的監控報警系統。我們國家對報警系統的研究相對較晚，但發展較快。入侵探測傳感器問世大約有幾十年的時間，最初多用于軍事機構及政府部門，價格非常昂貴，所以沒有進入商業市場。而且當時的技術不夠成熟，對環境的要求非常高，在復雜多變的天氣以及惡劣的環境下可靠性較差。數字信號處理（DSP) 技術的產生，使得探測器在戶外的探測性能飛速提高，對環境的適應能力也逐漸增強，而且由于制造設備的升級，使得探測器的成本大大降低，從而推動了防入侵探測報警系統向商業化和民用化方向發展。

綜上所述，在校園中引入無人值守警戒系統，防止非法外來人員的入侵有著急切的需要?；谛@特點、安全問題及系統性能要求等方面的考慮，本文采用激光探測技術，結合相應的算法，設計一套價格低廉、便于安裝、維護方便的無人值守報警系統，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的設計來展開，本文主要完成了以下工作：

（1）系統的基本原理和設計；

（2）系統的硬件設計；

（3）系統的軟件設計及后端設計。

1 系統構成及原理

1.1 校園無人值守警戒系統的構成

一個無人值守警戒系統可以分成物理層、網絡層和應用層三層體系結構，如圖1 所示。物理層由各種檢測和執行模塊組成。網絡層包括了核心控制器以及無線通信設計。應用層指的是云平臺以及移動端APP（應用程序）的訪問控制界面。傳感器和執行模塊是無人值守警戒系統的最基本設備，系統中數據的采集和控制命令的執行都是通過物理層來實現的。

圖1 無人值守警戒系統架構圖

本校園無人值守警戒系統設計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行監測，通過Wi-Fi（無線保真）與云服務器進行連接，在云服務器上進行數據的收集、存儲與下放。整體設計如圖2 所示。當監測到非法人員闖入時，報警音響會發出勸告提示，并且系統攝像頭將對非法入侵人員拍照并將照片上傳到云服務器，用戶可通過移動APP 客戶端查看報警消息和入侵人員照片。^[3]

圖2 系統整體設計圖

1.2 激光對射傳感器的原理

激光探測器分為發送部分和接收部分。

激光發射裝置主要由激光工作物質、泵浦源和光諧振腔三部分組成，其中激光工作物質為產生激光的微粒存在區，泵浦源為激光工作物質提供激發能量，光諧振腔負責對產生的激光信號進行選型和相應的約束。泵浦源為處于低能級的粒子轉變為高能級粒子提供源源不斷的能量，從而能夠再次激發工作介質發出激光。當然采用的工作介質不同，使用的激勵方式和激勵源也不同。

目前常用的激勵方式包括光激勵、電激勵、熱激勵和化學激勵等，為了獲得持續的激光，泵浦源就必須持續不斷的將激發完激光后的低能級粒子“抽運”到高能級狀態，以維持粒子數反轉狀態。

激光接收裝置首先實現光電轉換，然后再對電信號進行處理。光電轉換器件主要采用發光二極管實現，光電轉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換電路

當有激光照射PIN（本征摻雜）發光二極管時，PIN 管會產生反向電流，該反向電流會通過R10 和R11轉換成電壓信號，當PIN 管導通時，產生正向電壓，輸出高電平；反之，當沒有激光照射時，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 電平的穩定輸出。

由于本系統需應用在校園內廣泛安裝使用，所以激光發射器的經濟性和便捷性就至關重要。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。同時考慮到不同地區的氣候原因，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計需求。^[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用處理器芯片，該芯片基于Big.Little（大小核）架構，即具有獨立的NEON（ARM 架構處理器擴展結構）協同處理器的雙核Cortex-A72 及四核Cortex-A53 組合架構。RK3399內置多個高性能硬件處理引擎，能夠支持多種格式的視頻解碼，因此具有超強的視頻處理能力和超高清視頻輸出的優勢，適合做工業控制和人臉識別設備等。

圖5 RK3399外觀

圖6 RK3399接口圖

2 系統的硬件設計

2.1 系統硬件設計整體結構

校園無人值守警戒系統硬件整體框架如圖7 所示，以RK3399 為主控芯片，使用MDK（ARM Keil 微控制器開發套件）集成開發環境通過軟件程序的控制完成各個模塊之間接口的數據傳遞和協同工作，包括了數據采集、執行器響應和通信電路。

實現的主要功能是，通過激光傳感器檢測是否有人闖入無人值守的區域，如果有人闖入，則通過音響模塊進行報警，并且觸發攝像頭進行圖像采集，RK3399 主控板將采集到的信息通過Wi-Fi 傳到云服務器上進行后端數據處理。除此之外，RK3399 還將處理從云服務器上獲取的開門信息，通過APP 端實現開門的門禁操作。^[5]

圖7 系統硬件框架圖

2.2 激光傳感器模塊

為了實現對闖入人員的精確判斷，本次系統采用激光傳感器，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，受灰塵和強光影響較大。由于本次應用場景是戶外，因此，選用抗干擾能力較強的激光傳感器。

激光收發裝置正常工作時，接收端和發送端通過激光線連通，接收端將此時的信號狀態用高電平予以表示，當收發端之間的激光信號被阻擋時或者收到的信號非常弱時，接收端將此時的高電平置低，從而出現下降沿，并啟動相應的定時器計算斷路時間，單片機將激光束阻擋的個數以及低電平的持續時間作為重要的采樣參數傳至上位機進行判斷。^[6]

激光傳感器部分的電路連接如圖8，負載需要連接一個外部電源進行供電。其次，激光傳感器連接一個繼電器，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激光傳感器檢測到有人時，使它動作，以改變控制電路的工作狀態，從而實現既定的控制或保護的目的。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

當激光傳感器檢測到有人闖入以后，觸發啟動攝像頭。在RK3399 上面安裝搭建Python 運行環境，運行攝像頭的驅動程序，當攝像頭接收指令后便開始啟動攝像頭，獲取相應的設備信息和圖像信息，初始化窗口、顏色模式、幀狀態等；隨后進行流媒體圖像的傳輸，將視頻流傳輸至云服務器。在本設計中可以輕松地使用Python 編程寫出清晰易懂的程序，實現攝像頭傳輸視頻的功能，從而達到遠程監控校園無人值守區域的作用。

2.4 通信

首先主控板RK3399 通過Wi-Fi 模塊入網，入網成功以后，再連接云服務器，實現數據傳輸和通信操作。由上述可知，主控板上已經部署了Python 環境，故此處同樣采用Python 語言編程實現。

使用云服務器可以根據開發需求構建及托管開發軟件，減少軟件開發周期，降低后期運維成本。在云平臺的物聯網控制臺進行產品創建，創建產品時數據格式選擇了“透傳/ 自定義”，以減輕終端負擔和減少網絡流量占用。節點終端通過Wi-Fi 網絡將自定義協議的數據幀透傳到云端并解析。^[7]

另外，除了與數據庫的通信交互采用云服務器以外，APP 請求打開門禁時，采用HTTP（超文本傳輸協議）請求服務器，并與服務器建立連接。首先，RK3399 與服務器通過Socket 建立連接，當APP 點擊“打開門禁”，執行操作時向服務器發送打開門禁的數據信息；服務器接收到這一數據后，將其發給RK3399。主控板在收到信息后，將對應位置的I/O 口置于高電平，驅動門禁開關即可實現遠程打開門禁操作。

3 系統的軟件設計

3.1 客戶端APP設計概要

為了用戶能夠簡單方便地對校園無人值守警戒系統進行控制，設計使用手機APP 客戶端作為移動終端。該APP 采用Android（安卓）studio 開發環境開發，本設計中核心的三個功能是（1）用戶登錄注冊；（2）實現開門功能；（3）查詢公告信息。其中涉及的技術難點是注冊和登錄的后端處理和Android 與云服務器的通信。

下面將從用戶注冊登錄功能、校區公告發布、查詢、遠程開門功能詳細闡述系統設計的方法和思路。[8]

3.2 用戶注冊登錄功能設計

用戶注冊登錄功能設計實際上即是客戶端與服務器通信功能設計。Android 客戶端的UI（用戶接口）界面，時刻被監聽程序關注，隨時抓取用戶的輸入，把用戶的操作請求和數據經過一定規則的封裝發送給服務器，服務器收到封裝信息進行解析和處理，最后把處理結果返回。這一過程涉及客戶端與服務器端之間的通信問題。Android 客戶端與Web（網頁）服務器端有多種通信方式，常見的可采用HTTP、Socket 等，本系統APP 在用戶登錄注冊功能上選用了HTTP 通信方式與服務器交互。設計Httputils(context cont，string url，Map<String，String>params，int show) 構造方法來實現Post 請求，cont 是上下文環境，url 是請求地址，Map<string，stringparams> 表示要發送的參數，以鍵值對的形式存儲，show 控制是否顯示進度對話框，通過1 顯示、0 不顯示來表示。

圖9 Httputils實現流程圖

用戶注冊邏輯功能實現：首先拼接地址，發起請求，解析服務器返回的JSON（JS 對象簡譜）數據包，判斷狀態，給出提示，其流程圖如圖10 所示。用戶登錄邏輯功能實現與注冊類似設計。

圖10 注冊邏輯實現流程圖圖

圖11 校園公告查詢實現流程

3.3 校園公告查詢功能設計

在本系統的校園公告查詢功能中，在用戶登錄以后，進入主頁面。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行模糊查詢。當服務器獲取用戶的查詢請求后，會查詢公告數據庫，根據輸入條件匹配最合適的公告，并將查詢的結果返回給用戶；其在查詢時，系統獲取查詢條件中公告的名稱等條件，然后將查詢條件轉化為SQL（結構化查詢語言）查詢語句，在后臺數據庫中進行查詢。查詢結果返回后，APP 顯示查詢的結果。校園公告查詢模塊流程圖如圖11 所示。

3.4 遠程開門禁功能設計

開門禁功能的實現是基于Android 客戶端通過HTTP 與服務器通信完成的。每當有人經過本系統時，硬件平臺的攝像頭會進行拍照，并將人像照片傳給服務器存起來。Android 手機客戶端采用GET方式給WEB（互聯網）服務器發送一個HTTP 請求。服務器響應HTTP請求后，客戶端以json 格式解析代碼，獲取人像圖片的統一資源定位符URL（統一資源定位器）；并將獲取到的人像照片以訪問網絡圖片的形式，一張一張的顯示在APP 的ListView 內。從而實現終端遠程查看門禁的出入人員。

當用戶在Android 客戶端軟件內發起一個開門命令時，客戶端向服務器提交一個POST請求，置open 值為1。服務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，則將開門指令下發給RK3399，觸發硬件平臺的開門動作。Android 客戶端、RK3399 與服務器的通信流程如圖12 所示。

RK3399 通過Socket 與服務器通信，連接建立后就可隨意向服務端發送數據和接收服務端返回的數據。在通信的兩端各建立一個Socket，從而在通信的兩端之間形成網絡虛擬鏈路。一旦建立了虛擬的網絡鏈路，兩端的程序就可以通過虛擬鏈路進行通信?？蛻舳送ǔ？梢允褂肧ocket 的構造器來連接到指定服務器，客戶端程序僅僅使用Socket 建立與指導IP（互聯網協議）地址、指定端口的連接，并使用Socket 獲取輸入流讀取數據。RK3399 上傳人像照片功能使用HTTP 協議與服務器通信。移動端與服務器以及RK3399 的通信關系如圖12所示。