一種基于RK3399的校園無(wú)人值守警戒系統*

摘要：多次測試結果表明，本校園無(wú)人值守警戒系統通過(guò)網(wǎng)絡(luò )化綜合智能控制和管理，能夠給用戶(hù)帶來(lái)“以人為本”的全新安防體驗。

社會(huì )的不斷發(fā)展使得人們對智能化和信息化的要求越來(lái)越高，與此同時(shí)，安全問(wèn)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，就目前的防護手段而言，主要還是以人工駕駛巡邏車(chē)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(shí)，防護能力會(huì )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(huì )發(fā)生一些意外事故。例如2015 年，著(zhù)" 學(xué)生裝" 大盜流竄12 省專(zhuān)偷高校財產(chǎn)，盜竊200 多臺電腦，給廣大師生的生命和財產(chǎn)安全帶來(lái)巨大的損害。^[1]

西方國家于20 世紀70 年代末80 年代初開(kāi)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(kāi)發(fā)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(fā)展較快。入侵探測傳感器問(wèn)世大約有幾十年的時(shí)間，最初多用于軍事機構及政府部門(mén)，價(jià)格非常昂貴，所以沒(méi)有進(jìn)入商業(yè)市場(chǎng)。而且當時(shí)的技術(shù)不夠成熟，對環(huán)境的要求非常高，在復雜多變的天氣以及惡劣的環(huán)境下可靠性較差。數字信號處理（DSP) 技術(shù)的產(chǎn)生，使得探測器在戶(hù)外的探測性能飛速提高，對環(huán)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(dòng)了防入侵探測報警系統向商業(yè)化和民用化方向發(fā)展。

綜上所述，在校園中引入無(wú)人值守警戒系統，防止非法外來(lái)人員的入侵有著(zhù)急切的需要?；谛@特點(diǎn)、安全問(wèn)題及系統性能要求等方面的考慮，本文采用激光探測技術(shù)，結合相應的算法，設計一套價(jià)格低廉、便于安裝、維護方便的無(wú)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(wú)人值守警戒系統的設計來(lái)展開(kāi)，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(wú)人值守警戒系統的構成

一個(gè)無(wú)人值守警戒系統可以分成物理層、網(wǎng)絡(luò )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(wǎng)絡(luò )層包括了核心控制器以及無(wú)線(xiàn)通信設計。應用層指的是云平臺以及移動(dòng)端APP（應用程序）的訪(fǎng)問(wèn)控制界面。傳感器和執行模塊是無(wú)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(guò)物理層來(lái)實(shí)現的。

圖1 無(wú)人值守警戒系統架構圖

本校園無(wú)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(jìn)行監測，通過(guò)Wi-Fi（無(wú)線(xiàn)保真）與云服務(wù)器進(jìn)行連接，在云服務(wù)器上進(jìn)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(shí)，報警音響會(huì )發(fā)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(wù)器，用戶(hù)可通過(guò)移動(dòng)APP 客戶(hù)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(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，泵浦源為激光工作物質(zhì)提供激發(fā)能量，光諧振腔負責對產(chǎn)生的激光信號進(jìn)行選型和相應的約束。泵浦源為處于低能級的粒子轉變?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。當然采用的工作介質(zhì)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(xué)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(fā)完激光后的低能級粒子“抽運”到高能級狀態(tài)，以維持粒子數反轉狀態(tài)。

激光接收裝置首先實(shí)現光電轉換，然后再對電信號進(jìn)行處理。光電轉換器件主要采用發(fā)光二極管實(shí)現，光電轉換過(guò)程的簡(jiǎn)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(fā)光二極管時(shí)，PIN 管會(huì )產(chǎn)生反向電流，該反向電流會(huì )通過(guò)R10 和R11轉換成電壓信號，當PIN 管導通時(shí)，產(chǎn)生正向電壓，輸出高電平；反之，當沒(méi)有激光照射時(shí)，PIN 管截止，輸出低電平。通過(guò)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(fā)射器的經(jīng)濟性和便捷性就至關(guān)重要。本文選用艾托森傳感器有限公司的可見(jiàn)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(cháng)選為650 nm，該波長(cháng)激光帶有可見(jiàn)紅光，其反射激光對人眼傷害較小。同時(shí)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(mǎn)足安裝需求，所以該器件總體滿(mǎn)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(xié)同處理器的雙核Cortex-A72 及四核Cortex-A53 組合架構。RK3399內置多個(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)控制和人臉識別設備等。

圖5 RK3399外觀(guān)

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(wú)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(kāi)發(fā)套件）集成開(kāi)發(fā)環(huán)境通過(guò)軟件程序的控制完成各個(gè)模塊之間接口的數據傳遞和協(xié)同工作，包括了數據采集、執行器響應和通信電路。

實(shí)現的主要功能是，通過(guò)激光傳感器檢測是否有人闖入無(wú)人值守的區域，如果有人闖入，則通過(guò)音響模塊進(jìn)行報警，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(guò)Wi-Fi 傳到云服務(wù)器上進(jìn)行后端數據處理。除此之外，RK3399 還將處理從云服務(wù)器上獲取的開(kāi)門(mén)信息，通過(guò)APP 端實(shí)現開(kāi)門(mén)的門(mén)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(shí)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(chǎng)景是戶(hù)外，因此，選用抗干擾能力較強的激光傳感器。

激光收發(fā)裝置正常工作時(shí)，接收端和發(fā)送端通過(guò)激光線(xiàn)連通，接收端將此時(shí)的信號狀態(tài)用高電平予以表示，當收發(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，從而出現下降沿，并啟動(dòng)相應的定時(shí)器計算斷路時(shí)間，單片機將激光束阻擋的個(gè)數以及低電平的持續時(shí)間作為重要的采樣參數傳至上位機進(jìn)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(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(guò)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(shí)，使它動(dòng)作，以改變控制電路的工作狀態(tài)，從而實(shí)現既定的控制或保護的目的。在此過(guò)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(fā)啟動(dòng)攝像頭。在RK3399 上面安裝搭建Python 運行環(huán)境，運行攝像頭的驅動(dòng)程序，當攝像頭接收指令后便開(kāi)始啟動(dòng)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(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。在本設計中可以輕松地使用Python 編程寫(xiě)出清晰易懂的程序，實(shí)現攝像頭傳輸視頻的功能，從而達到遠程監控校園無(wú)人值守區域的作用。

2.4 通信

首先主控板RK3399 通過(guò)Wi-Fi 模塊入網(wǎng)，入網(wǎng)成功以后，再連接云服務(wù)器，實(shí)現數據傳輸和通信操作。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(yǔ)言編程實(shí)現。

使用云服務(wù)器可以根據開(kāi)發(fā)需求構建及托管開(kāi)發(fā)軟件，減少軟件開(kāi)發(fā)周期，降低后期運維成本。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)數據格式選擇了“透傳/ 自定義”，以減輕終端負擔和減少網(wǎng)絡(luò )流量占用。節點(diǎn)終端通過(guò)Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò )將自定義協(xié)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(wù)器以外，APP 請求打開(kāi)門(mén)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(guò)Socket 建立連接，當APP 點(diǎn)擊“打開(kāi)門(mén)禁”，執行操作時(shí)向服務(wù)器發(fā)送打開(kāi)門(mén)禁的數據信息；服務(wù)器接收到這一數據后，將其發(fā)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(dòng)門(mén)禁開(kāi)關(guān)即可實(shí)現遠程打開(kāi)門(mén)禁操作。

3   系統的軟件設計

3.1 客戶(hù)端APP設計概要

為了用戶(hù)能夠簡(jiǎn)單方便地對校園無(wú)人值守警戒系統進(jìn)行控制，設計使用手機APP 客戶(hù)端作為移動(dòng)終端。該APP 采用Android（安卓）studio 開(kāi)發(fā)環(huán)境開(kāi)發(fā)，本設計中核心的三個(gè)功能是（1）用戶(hù)登錄注冊；（2）實(shí)現開(kāi)門(mén)功能；（3）查詢(xún)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(hù)注冊登錄功能、校區公告發(fā)布、查詢(xún)、遠程開(kāi)門(mén)功能詳細闡述系統設計的方法和思路。[8]

3.2 用戶(hù)注冊登錄功能設計

用戶(hù)注冊登錄功能設計實(shí)際上即是客戶(hù)端與服務(wù)器通信功能設計。Android 客戶(hù)端的UI（用戶(hù)接口）界面，時(shí)刻被監聽(tīng)程序關(guān)注，隨時(shí)抓取用戶(hù)的輸入，把用戶(hù)的操作請求和數據經(jīng)過(guò)一定規則的封裝發(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，最后把處理結果返回。這一過(guò)程涉及客戶(hù)端與服務(wù)器端之間的通信問(wèn)題。Android 客戶(hù)端與Web（網(wǎng)頁(yè)）服務(wù)器端有多種通信方式，常見(jiàn)的可采用HTTP、Socket 等，本系統APP 在用戶(hù)登錄注冊功能上選用了HTTP 通信方式與服務(wù)器交互。設計Httputils(context cont，string url，Map<String，String>params，int show) 構造方法來(lái)實(shí)現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，以鍵值對的形式存儲，show 控制是否顯示進(jìn)度對話(huà)框，通過(guò)1 顯示、0 不顯示來(lái)表示。

圖9 Httputils實(shí)現流程圖

用戶(hù)注冊邏輯功能實(shí)現：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(jiǎn)譜）數據包，判斷狀態(tài)，給出提示，其流程圖如圖10 所示。用戶(hù)登錄邏輯功能實(shí)現與注冊類(lèi)似設計。

圖10 注冊邏輯實(shí)現流程圖圖

圖11 校園公告查詢(xún)實(shí)現流程

3.3   校園公告查詢(xún)功能設計

在本系統的校園公告查詢(xún)功能中，在用戶(hù)登錄以后，進(jìn)入主頁(yè)面。在主頁(yè)面中，用戶(hù)可以看見(jiàn)最新的校園公告，也可以輸入公告的名稱(chēng)進(jìn)行模糊查詢(xún)。當服務(wù)器獲取用戶(hù)的查詢(xún)請求后，會(huì )查詢(xún)公告數據庫，根據輸入條件匹配最合適的公告，并將查詢(xún)的結果返回給用戶(hù)；其在查詢(xún)時(shí)，系統獲取查詢(xún)條件中公告的名稱(chēng)等條件，然后將查詢(xún)條件轉化為SQL（結構化查詢(xún)語(yǔ)言）查詢(xún)語(yǔ)句，在后臺數據庫中進(jìn)行查詢(xún)。查詢(xún)結果返回后，APP 顯示查詢(xún)的結果。校園公告查詢(xún)模塊流程圖如圖11 所示。

3.4   遠程開(kāi)門(mén)禁功能設計

開(kāi)門(mén)禁功能的實(shí)現是基于A(yíng)ndroid 客戶(hù)端通過(guò)HTTP 與服務(wù)器通信完成的。每當有人經(jīng)過(guò)本系統時(shí)，硬件平臺的攝像頭會(huì )進(jìn)行拍照，并將人像照片傳給服務(wù)器存起來(lái)。Android 手機客戶(hù)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HTTP請求后，客戶(hù)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(fǎng)問(wèn)網(wǎng)絡(luò )圖片的形式，一張一張的顯示在A(yíng)PP 的ListView 內。從而實(shí)現終端遠程查看門(mén)禁的出入人員。

當用戶(hù)在A(yíng)ndroid 客戶(hù)端軟件內發(fā)起一個(gè)開(kāi)門(mén)命令時(shí)，客戶(hù)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(guò)輪詢(xún)的方式判斷open 的值是否被置1。若檢測到open 值為1，則將開(kāi)門(mén)指令下發(fā)給RK3399，觸發(fā)硬件平臺的開(kāi)門(mén)動(dòng)作。Android 客戶(hù)端、RK3399 與服務(wù)器的通信流程如圖12 所示。

RK3399 通過(guò)Socket 與服務(wù)器通信，連接建立后就可隨意向服務(wù)端發(fā)送數據和接收服務(wù)端返回的數據。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(guò)虛擬鏈路進(jìn)行通信?？蛻?hù)端通?？梢允褂肧ocket 的構造器來(lái)連接到指定服務(wù)器，客戶(hù)端程序僅僅使用Socket 建立與指導IP（互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議）地址、指定端口的連接，并使用Socket 獲取輸入流讀取數據。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 系統通信流程圖

3.5   后端服務(wù)器和數據庫

本次校園無(wú)人值守警戒系統建立了兩個(gè)后端服務(wù)器，一個(gè)用于用戶(hù)注冊和登錄的信息存儲的數據庫部署、闖入時(shí)硬件搜集到的圖片數據獲取與處理以及執行開(kāi)門(mén)操作的請求轉發(fā)；另一個(gè)用于A(yíng)PP 上公告信息的獲取。在此，重點(diǎn)介紹第一個(gè)服務(wù)器的搭建以及數據庫的部署。^[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，再為操作系統安裝MySQL。

接著(zhù)，為本次設計的校園無(wú)人值守警戒系統創(chuàng )建三張數據表，分別為用戶(hù)信息表、闖入消息記錄表、圖片記錄表。

（1）用戶(hù)信息表用于存儲用戶(hù)的賬戶(hù)信息，表頭有id（手機號）、name（姓名）和password（密碼）三個(gè)字符串信息。用戶(hù)通過(guò)終端APP 注冊，即可對此數據庫進(jìn)行用戶(hù)信息添加；用戶(hù)通過(guò)終端APP 登錄時(shí)，需要調用此接口，對用戶(hù)輸入信息進(jìn)行查詢(xún)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(hù)進(jìn)入此無(wú)人值守區域的信息。

（3）圖片記錄表用于記錄闖入人員的圖片。隨后，為數據庫寫(xiě)接口，供APP 客戶(hù)端、RK3399的調用，以方便其執行存儲數據和查詢(xún)數據等操作。

4   結論

完成系統的設計研發(fā)后，通過(guò)檢測圖片是否上傳成功和Socket 通信是否成功來(lái)對該系統功能進(jìn)行驗證，并通過(guò)“檢測到人經(jīng)過(guò)報警聲時(shí)延”、“服務(wù)器獲取圖片所用時(shí)間”等參數來(lái)反應該系統的性能。隨機測試結果如表1 所示。

本次設計實(shí)現了無(wú)人值守警戒系統的基本功能，并且能夠有效地應用到實(shí)際校園需求中，大大地減少了人工對于復雜環(huán)境下非法闖入的管理負擔。但對于人流量密集的場(chǎng)所，該系統靈敏度的控制仍有待改進(jìn)之處。

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（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2022年3月期）