一种基于RK3399的校园无人值守警戒系统*

作者：黄学达,杨鹏,李翔,黄钟平,颜瑜,杨颜睿(重庆邮电大学自动化学院,重庆400065)时间：2022-04-01来源：电子产品世界收藏

编者按：本校园无人值守警戒系统设计采用多传感器融合的方式，以RK3399作为核心控制器，利用激光对射传感器对非法入侵人员进行监测，通过Wi-Fi与云服务器进行连接，在云服务器上进行数据的收集、存储与下放。当监测到非法人员闯入时，报警音响会发出劝告提示，并且系统摄像头将对非法入侵人员拍照并将照片上传到云服务器，用户可通过移动APP客户端查看报警消息和入侵人员照片。本文分别从器件原理和选型、系统整体设计、系统硬件设计、系统软件设计、系统功能测试五个方面详细阐述了本次设计的原理、过程以及实验结果。

摘要：多次测试结果表明，本校园无人值守警戒系统通过网络化综合智能控制和管理，能够给用户带来“以人为本”的全新安防体验。

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

社会的不断发展使得人们对智能化和信息化的要求越来越高，与此同时，安全问题在各个领域的重要性也日益明显。校园的突出特点是占地广阔、人口多、人员流动性强，就目前的防护手段而言，主要还是以人工驾驶巡逻车的传统防护手段为主。这种防护手段不仅耗费人力和精力，而且在诸如雷电和雨雪等恶劣天气时，防护能力会受到极大的限制，很难达到预期的效果，再加上人工防护手段不能全天候全方位监视的缺陷，难免会发生一些意外事故。例如2015 年，着" 学生装" 大盗流窜12 省专偷高校财产，盗窃200 多台电脑，给广大师生的生命和财产安全带来巨大的损害。^[1]

西方国家于20 世纪70 年代末80 年代初开始对入侵防范技术进行研究。在此背景之下，国际民航组织(ICAO)、美国FAA（美国联邦航空管理局）/NASA（美国国家航空航天局）、欧洲民用航空设备组织（EUROCAE）、欧洲航空安全组织(EUROCONTROL)等国际性组织纷纷于20 世纪90 年代开发出各自的监控报警系统。我们国家对报警系统的研究相对较晚，但发展较快。入侵探测传感器问世大约有几十年的时间，最初多用于军事机构及政府部门，价格非常昂贵，所以没有进入商业市场。而且当时的技术不够成熟，对环境的要求非常高，在复杂多变的天气以及恶劣的环境下可靠性较差。数字信号处理（DSP) 技术的产生，使得探测器在户外的探测性能飞速提高，对环境的适应能力也逐渐增强，而且由于制造设备的升级，使得探测器的成本大大降低，从而推动了防入侵探测报警系统向商业化和民用化方向发展。

综上所述，在校园中引入无人值守警戒系统，防止非法外来人员的入侵有着急切的需要。基于校园特点、安全问题及系统性能要求等方面的考虑，本文采用激光探测技术，结合相应的算法，设计一套价格低廉、便于安装、维护方便的无人值守报警系统，并且其对安全防范能力的提高非常有必要。^[2]

本文主要是围绕校园无人值守警戒系统的设计来展开，本文主要完成了以下工作：

（1）系统的基本原理和设计；

（2）系统的硬件设计；

（3）系统的软件设计及后端设计。

1 系统构成及原理

1.1 校园无人值守警戒系统的构成

一个无人值守警戒系统可以分成物理层、网络层和应用层三层体系结构，如图1 所示。物理层由各种检测和执行模块组成。网络层包括了核心控制器以及无线通信设计。应用层指的是云平台以及移动端APP（应用程序）的访问控制界面。传感器和执行模块是无人值守警戒系统的最基本设备，系统中数据的采集和控制命令的执行都是通过物理层来实现的。

图1 无人值守警戒系统架构图

本校园无人值守警戒系统设计采用多传感器融合的方式，以RK3399 作为核心控制器，利用激光对射传感器对非法入侵人员进行监测，通过Wi-Fi（无线保真）与云服务器进行连接，在云服务器上进行数据的收集、存储与下放。整体设计如图2 所示。当监测到非法人员闯入时，报警音响会发出劝告提示，并且系统摄像头将对非法入侵人员拍照并将照片上传到云服务器，用户可通过移动APP 客户端查看报警消息和入侵人员照片。^[3]

图2 系统整体设计图

1.2 激光对射传感器的原理

激光探测器分为发送部分和接收部分。

激光发射装置主要由激光工作物质、泵浦源和光谐振腔三部分组成，其中激光工作物质为产生激光的微粒存在区，泵浦源为激光工作物质提供激发能量，光谐振腔负责对产生的激光信号进行选型和相应的约束。泵浦源为处于低能级的粒子转变为高能级粒子提供源源不断的能量，从而能够再次激发工作介质发出激光。当然采用的工作介质不同，使用的激励方式和激励源也不同。

目前常用的激励方式包括光激励、电激励、热激励和化学激励等，为了获得持续的激光，泵浦源就必须持续不断的将激发完激光后的低能级粒子“抽运”到高能级状态，以维持粒子数反转状态。

激光接收装置首先实现光电转换，然后再对电信号进行处理。光电转换器件主要采用发光二极管实现，光电转换过程的简要描述如图3 所示。

图3 激光接收装置的光电转换电路

当有激光照射PIN（本征掺杂）发光二极管时，PIN 管会产生反向电流，该反向电流会通过R10 和R11转换成电压信号，当PIN 管导通时，产生正向电压，输出高电平；反之，当没有激光照射时，PIN 管截止，输出低电平。通过检测比较器的输出电平值即可检测激光的阻挡情况，从而进行判断。后半部分的作用主要是作为恒定电流源保证TTL 电平的稳定输出。

由于本系统需应用在校园内广泛安装使用，所以激光发射器的经济性和便捷性就至关重要。本文选用艾托森传感器有限公司的可见红光M12 对射光电传感器，器件型号。外形如图4 所示。

图4 艾托森激光对射传感器

激光波长选为650 nm，该波长激光带有可见红光，其反射激光对人眼伤害较小。同时考虑到不同地区的气候原因，在选择工作温度上尽量选择有一定跨度。激光器体积小也足以满足安装需求，所以该器件总体满足本设计需求。^[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、高性能且有丰富的接口的应用处理器芯片，该芯片基于Big.Little（大小核）架构，即具有独立的NEON（ARM 架构处理器扩展结构）协同处理器的双核Cortex-A72 及四核Cortex-A53 组合架构。RK3399内置多个高性能硬件处理引擎，能够支持多种格式的视频解码，因此具有超强的视频处理能力和超高清视频输出的优势，适合做工业控制和人脸识别设备等。

图5 RK3399外观

图6 RK3399接口图

2 系统的硬件设计

2.1 系统硬件设计整体结构

校园无人值守警戒系统硬件整体框架如图7 所示，以RK3399 为主控芯片，使用MDK（ARM Keil 微控制器开发套件）集成开发环境通过软件程序的控制完成各个模块之间接口的数据传递和协同工作，包括了数据采集、执行器响应和通信电路。

实现的主要功能是，通过激光传感器检测是否有人闯入无人值守的区域，如果有人闯入，则通过音响模块进行报警，并且触发摄像头进行图像采集，RK3399 主控板将采集到的信息通过Wi-Fi 传到云服务器上进行后端数据处理。除此之外，RK3399 还将处理从云服务器上获取的开门信息，通过APP 端实现开门的门禁操作。^[5]

图7 系统硬件框架图

2.2 激光传感器模块

为了实现对闯入人员的精确判断，本次系统采用激光传感器，其捕获信息的性能和可靠性较高。相比普通的红外对射式光电传感器，虽然其成本较低，但其抗干扰性能较差，受灰尘和强光影响较大。由于本次应用场景是户外，因此，选用抗干扰能力较强的激光传感器。

激光收发装置正常工作时，接收端和发送端通过激光线连通，接收端将此时的信号状态用高电平予以表示，当收发端之间的激光信号被阻挡时或者收到的信号非常弱时，接收端将此时的高电平置低，从而出现下降沿，并启动相应的定时器计算断路时间，单片机将激光束阻挡的个数以及低电平的持续时间作为重要的采样参数传至上位机进行判断。^[6]

激光传感器部分的电路连接如图8，负载需要连接一个外部电源进行供电。其次，激光传感器连接一个继电器，继电器通过GPIO（通用输入输出）口与RK3399主控板相连接。继电器的工作方式是当激光传感器检测到有人时，使它动作，以改变控制电路的工作状态，从而实现既定的控制或保护的目的。在此过程中，继电器主要起了传递信号的作用。

图8 激光传感器模块连接电路

2.3 摄像头模块

当激光传感器检测到有人闯入以后，触发启动摄像头。在RK3399 上面安装搭建Python 运行环境，运行摄像头的驱动程序，当摄像头接收指令后便开始启动摄像头，获取相应的设备信息和图像信息，初始化窗口、颜色模式、帧状态等；随后进行流媒体图像的传输，将视频流传输至云服务器。在本设计中可以轻松地使用Python 编程写出清晰易懂的程序，实现摄像头传输视频的功能，从而达到远程监控校园无人值守区域的作用。

2.4 通信

首先主控板RK3399 通过Wi-Fi 模块入网，入网成功以后，再连接云服务器，实现数据传输和通信操作。由上述可知，主控板上已经部署了Python 环境，故此处同样采用Python 语言编程实现。

使用云服务器可以根据开发需求构建及托管开发软件，减少软件开发周期，降低后期运维成本。在云平台的物联网控制台进行产品创建，创建产品时数据格式选择了“透传/ 自定义”，以减轻终端负担和减少网络流量占用。节点终端通过Wi-Fi 网络将自定义协议的数据帧透传到云端并解析。^[7]

另外，除了与数据库的通信交互采用云服务器以外，APP 请求打开门禁时，采用HTTP（超文本传输协议）请求服务器，并与服务器建立连接。首先，RK3399 与服务器通过Socket 建立连接，当APP 点击“打开门禁”，执行操作时向服务器发送打开门禁的数据信息；服务器接收到这一数据后，将其发给RK3399。主控板在收到信息后，将对应位置的I/O 口置于高电平，驱动门禁开关即可实现远程打开门禁操作。

3 系统的软件设计

3.1 客户端APP设计概要

为了用户能够简单方便地对校园无人值守警戒系统进行控制，设计使用手机APP 客户端作为移动终端。该APP 采用Android（安卓）studio 开发环境开发，本设计中核心的三个功能是（1）用户登录注册；（2）实现开门功能；（3）查询公告信息。其中涉及的技术难点是注册和登录的后端处理和Android 与云服务器的通信。

下面将从用户注册登录功能、校区公告发布、查询、远程开门功能详细阐述系统设计的方法和思路。[8]

3.2 用户注册登录功能设计

用户注册登录功能设计实际上即是客户端与服务器通信功能设计。Android 客户端的UI（用户接口）界面，时刻被监听程序关注，随时抓取用户的输入，把用户的操作请求和数据经过一定规则的封装发送给服务器，服务器收到封装信息进行解析和处理，最后把处理结果返回。这一过程涉及客户端与服务器端之间的通信问题。Android 客户端与Web（网页）服务器端有多种通信方式，常见的可采用HTTP、Socket 等，本系统APP 在用户登录注册功能上选用了HTTP 通信方式与服务器交互。设计Httputils(context cont，string url，Map<String，String>params，int show) 构造方法来实现Post 请求，cont 是上下文环境，url 是请求地址，Map<string，stringparams> 表示要发送的参数，以键值对的形式存储，show 控制是否显示进度对话框，通过1 显示、0 不显示来表示。

图9 Httputils实现流程图

用户注册逻辑功能实现：首先拼接地址，发起请求，解析服务器返回的JSON（JS 对象简谱）数据包，判断状态，给出提示，其流程图如图10 所示。用户登录逻辑功能实现与注册类似设计。

图10 注册逻辑实现流程图图

图11 校园公告查询实现流程

3.3 校园公告查询功能设计

在本系统的校园公告查询功能中，在用户登录以后，进入主页面。在主页面中，用户可以看见最新的校园公告，也可以输入公告的名称进行模糊查询。当服务器获取用户的查询请求后，会查询公告数据库，根据输入条件匹配最合适的公告，并将查询的结果返回给用户；其在查询时，系统获取查询条件中公告的名称等条件，然后将查询条件转化为SQL（结构化查询语言）查询语句，在后台数据库中进行查询。查询结果返回后，APP 显示查询的结果。校园公告查询模块流程图如图11 所示。

3.4 远程开门禁功能设计

开门禁功能的实现是基于Android 客户端通过HTTP 与服务器通信完成的。每当有人经过本系统时，硬件平台的摄像头会进行拍照，并将人像照片传给服务器存起来。Android 手机客户端采用GET方式给WEB（互联网）服务器发送一个HTTP 请求。服务器响应HTTP请求后，客户端以json 格式解析代码，获取人像图片的统一资源定位符URL（统一资源定位器）；并将获取到的人像照片以访问网络图片的形式，一张一张的显示在APP 的ListView 内。从而实现终端远程查看门禁的出入人员。

当用户在Android 客户端软件内发起一个开门命令时，客户端向服务器提交一个POST请求，置open 值为1。服务器通过轮询的方式判断open 的值是否被置1。若检测到open 值为1，则将开门指令下发给RK3399，触发硬件平台的开门动作。Android 客户端、RK3399 与服务器的通信流程如图12 所示。

RK3399 通过Socket 与服务器通信，连接建立后就可随意向服务端发送数据和接收服务端返回的数据。在通信的两端各建立一个Socket，从而在通信的两端之间形成网络虚拟链路。一旦建立了虚拟的网络链路，两端的程序就可以通过虛拟链路进行通信。客户端通常可以使用Socket 的构造器来连接到指定服务器，客户端程序仅仅使用Socket 建立与指导IP（互联网协议）地址、指定端口的连接，并使用Socket 获取输入流读取数据。RK3399 上传人像照片功能使用HTTP 协议与服务器通信。移动端与服务器以及RK3399 的通信关系如图12所示。