发明内容
本发明的目的是提供一种车用主动式智能安全监控仪器及其监控方法。该仪器利用GPS实现定位、位移防盗、测速、计时，利用GSM实现辅助定位、SMS自动报警，利用CCD结合模式识别监控疲劳驾驶、盗窃、抢劫和交通事故状态，利用加速度传感器检测交通事故强度。本发明可达到GPS/GSM集成移动定位、高速公路超速报警、车辆定位防盗自动报警、车辆定位防抢报警、防疲劳驾驶警示、重大交通事故自动定位报警求助等功能。
本发明解决上述问题所采用的技术方案是：
车用主动式智能安全监控仪器(简称安监仪)，其特征在于：包括嵌入式系统(以嵌入式微处理器为核心，监控程序和相关算法固化在芯片中)、GPS模块、GSM模块、SIM卡读卡器、蜂鸣警报器、CCD摄像头、多轴加速度传感器、供电系统(包括锂离子电池、太阳能电池、电源适配器接口)、机壳(含锂电池和SIM卡盖)、功能板(位于机壳上，含电源指示灯、防盗遥控接收器、防抢遥控接收器、警报器中断按键)、集成电路板，无线电防盗遥控器、卡扣式无线电防抢遥控器、电源适配器。
嵌入式系统以嵌入式微处理器为核心，监控程序和相关算法固化在芯片中，通过集成电路与GPS模块、GSM模块、蜂鸣警报器、CCD摄像头、多轴加速度传感器、供电系统、功能板、锂电池和SIM卡盖连接，接收GPS、GSM、CCD、多轴加速度传感器、功能板和锂电池和SIM卡盖的信息，并发送控制信号给GSM、蜂鸣警报器；
GPS模块通过集成电路与嵌入式微处理器和供电系统连接，接收卫星定位数据并将格式数据(含经度、纬度、日期、时间、速度、方位角等)不断传送给嵌入式微处理器；
GSM模块通过集成电路与嵌入式微处理器、供电系统和SIM卡读卡器连接，接受嵌入式系统的指令以SMS方式通过SIM卡向特定接收人发送报警求助信息，或通过SIM卡接受外部定位指令，GSM利用基站三角定位法通过AT指令(需在移动服务提供商处开通)将所在区域的位置信息以SMS发送给外部接收人；
SIM卡读卡器通过连接电路与GSM模块连接，容纳SIM卡片；
蜂鸣警报器通过集成电路与嵌入式微处理器和供电系统连接，接收嵌入式系统的控制指令发出警报鸣叫；
CCD摄像头通过连接电路与集成电路板之嵌入式微处理器、供电系统连接，将采集到的视频信号传送给嵌入式系统，嵌入式系统利用模式识别技术和算法进行信息处理和信号检测，判定环境状态，当达到设定阀值则向相应部件发出控制信号；
多轴加速度传感器通过集成电路与嵌入式微处理器和供电系统连接，将检测到的各轴向加速度或减速度变化转化成电压值送给嵌入式系统，嵌入式系统利用模式识别技术和算法进行信息处理和信号检测，判定环境状态，当达到设定阀值则向相应部件发出控制信号；
供电系统通过输电电路与锂电池和SIM卡盖、功能板、集成电路板连接，通过集成电路板与嵌入式微处理器、GPS模块、GSM模块、蜂鸣警报器、CCD摄像头、多轴加速度传感器连接起来，提供所需电力。供电系统由锂离子电池和太阳能电池构成，可用电源适配器接口连接电源适配器通过车内点烟器接口给锂离子电池充电或直接使用车载蓄电池电力；
机壳为安监仪外壳，所述功能板位于机壳上，通过连接电路和集成电路板上的嵌入式微处理器、供电系统连接。防盗遥控接收器接收防盗遥控器启动指令并传送给嵌入式系统，启动防盗程序，车辆进入布防状态；防盗遥控接收器接收防盗遥控器关闭指令并传送给嵌入式系统，关闭防盗程序，车辆进入撤防状态；防抢遥控接收器接收卡扣式防抢遥控器报警指令并传送给嵌入式系统，启动防抢程序，GSM模块在嵌入式系统控制下向特定接收人发出抢劫报警信息；按压警报器中断按键被则继电器断开，蜂鸣警报器停止鸣叫；电源灯直接和供电系统连接，有电红灯长亮，低电红灯闪烁，没电灯熄灭；
锂电池和SIM卡盖位于机壳上，设置常开电路，通过连接电路和供电系统、集成电路板上的微处理器连接，当车处于布防状态时，锂电池和SIM卡盖被打开则常开电路中断，嵌入式系统检测到该信号启动防盗报警程序；当车处于撤防状态时，锂电池和SIM卡盖常开电路处于中断状态；
集成电路板承载嵌入式微处理器、GPS模块、GSM模块、多轴加速度传感器、蜂鸣警报器和其它一些辅助电气元件，通过印刷电路与各部件边为一体；
无线电防盗遥控器，由芯片、触发电路、按钮、钮扣电池和发射器组成，布防和撤防时按相应按钮。无线电遥控可进行编码设计，保证一机一码；
卡扣式无线电防抢遥控器，可卡在方向盘左手边，以利于驾驶员在紧急情况下隐蔽触发，由芯片、触发电路、按钮、钮扣电池和发射器组成，抢劫发生时按下按钮，可发射无线电信号进而启动安监仪的防抢程序。无线电遥控可进行编码设计，保证一机一码；
电源适配器由仪器接口、电路、变压器和车载点烟器接口组成，将点烟器12V输入电压转换需要的输出电压，在安监仪低电或无电时进行充电或直接给安监仪供电。
所述的车用主动式智能安全监控仪器CCD采用红外摄像头，俯仰角度和左右角度可在一定范围内调整。
所述的车用主动式智能安全监控仪器多轴加速度传感器是线加速度计。
所述的车用主动式智能安全监控仪器无线电防盗遥控器可与车钥匙一体化设计，锁车则启动防盗程序进入布防状态，开门则关闭防盗程序进入撤防状态。
所述的车用主动式智能安全监控仪器可以吸盘方式安装于汽车前挡风玻璃左上部或中间下部，亦可以粘贴方式安装于操作台顶部中间。
本发明所述的监控方法特征在于，根据安监仪的不同功能，其监控方法不同，安监仪具有GPS/GSM集成移动定位、高速公路超速报警、定位防盗自动报警、定位防抢报警、防疲劳驾驶警示、重大交通事故自动定位报警求助等6种功能及监控方法，其中：
GPS/GSM集成移动定位监控方法如下：
(1)车辆通过安监仪GPS模块将自身有关信息传送给监控中心的监控计算机；
(2)监控中心的监控计算机将有关信息转换到GIS系统或存储的电子地图中；
(3)GIS或电子地图根据坐标数据显示车辆具体位置；
(4)若在城市等建筑物密集区，GPS无法定位时，监控中心通过短消息广播请求各监控对象位置；
(5)车辆通过安监仪GSM模块(三角定位法)将自身信息以SMS全部发送到短消息业务中心；
(6)监控中心通过中继线路(如DDN)从短消息业务中心获取数据并利用GIS或电子地图确定车辆具体位置。
高速公路超速报警监控方法如下：
(1)安监仪根据不同区域高速公路对不同种类车辆限速标准设定超速阀值(如辽宁省高速公路轿车限速120km/h，客车限速110km/h，货车限速100km/h)；
(2)车辆通过安监仪GPS模块采集相对位移速度并传送给嵌入式系统；
(3)当车辆行驶速度超过设定阀值，嵌入式系统发送报警控制信号给蜂鸣警报器逻辑电路继电器；
(4)继电器接通电路蜂鸣警报器鸣叫，车辆降到阀值速度以下，在嵌入式系统控制下30秒后断开电路，亦可人工按压警报器中断按键断开电路，停止鸣叫；
(5)车辆降到阀值速度以下后，安监仪启动新一轮超速报警程序。
定位防盗自动报警监控方法如下：
(1)车辆停泊，司机锁车或按下防盗遥控器启动按钮；
(2)安监仪接收无线指令启动防盗程序，车辆布防；
(3)GPS/GSM标定初始坐标并向嵌入式系统传送数据；
(4)CCD进入监控状态记录视野内初始画面并向嵌入式系统传送数据；
(5)锂电池和SIM卡盖常开电路接通；
(6)嵌入式系统记录初始数据、检测常开电路状态并进入防盗程序；
(7)如果车辆被移动，GPS/GSM坐标发生变化；
(8)嵌入式系统将新坐标与初始坐标进行比对，当发生变化则向GSM模块发出防盗报警指令；
(9)如果窃贼将安监仪撤除，CCD视野内画面发生变化
(10)嵌入式系统将新画面与初始画面进行比对，当发生变化则向GSM模块发出防盗报警指令；
(11)如果窃贼将安监仪电池和SIM卡盖打开把电池或SIM卡拔出，则常开电路中断；
(12)嵌入式系统检测到电池和SIM卡盖常开电路中断则向GSM模块发出防盗报警指令；
(13)GSM模块接受防盗报警指令以SMS向特定接收人发出报警信息(theft+坐标+速度+时间)
(14)特定接收人收到信息可迅速查明情况或报警；
(15)在车辆被非法移动情况中，安监仪将间隔一定时间向特定接收人发出报警信息，可追踪车辆位置，为破案和寻车提供直接线索。
定位防抢报警监控方法如下：
(1)当抢劫发生，司机可隐蔽按下卡在方向盘左手边的防抢遥控器按钮；
(2)安监仪接收无线指令并传送给嵌入式系统；
(3)嵌入式系统启动防抢程序并向GPS/GSM请求定位数据；
(4)嵌入式系统定时向GSM模块发送防抢报警指令和最新数据；
(5)GSM模块接受指令以SMS不断向特定接收人发出报警信息(rob+坐标+速度+时间)
(6)特定接收人收到信息可迅速报警并跟踪和标定位置，为解救被劫持者、缉拿犯罪嫌疑人赢得时间和机会；
防疲劳驾驶警示监控方法如下：
(1)防盗程序关闭，防疲劳驾驶程序启动；
(2)CCD摄像头采集司机头部状态进行视频处理并将处理后的数据传送给嵌入式系统(疲劳驾驶时，司机会出现瞌睡打盹、点头的规律动作，实验发现点头的动作和瞌睡有非常好的相关性)；
(3)当司机长时间驾驶，出现疲劳打盹点头状态；
(4)嵌入式系统采用模式识别技术和算法提取特征并与疲劳驾驶特征库进行特征比对；
(5)GPS将坐标、速度信息不断并传送给嵌入式系统；
(6)如果连续一定时间坐标无变化或速度为零则嵌入式系统判定车辆处于停泊状态，
(7)如果停泊状态被打破则嵌入式微处理器开始计时，记录连续驾驶时间
(8)嵌入式系统检测驾驶持续时间；
(9)当点头视频数据特征比对符合疲劳驾驶且持续驾驶时间检测值达到或超过设定阀值，嵌入式系统判定司机疲劳驾驶；
(10)嵌入式系统控制接通继电器，蜂鸣警报器接通电路并持续鸣叫；
(11)司机可人工按压警报器中断按键关闭警报器，停车休息；
(12)当警报器被关闭后，嵌入式系统启动新一轮疲劳驾驶检测。
重大交通事故自动定位报警求助监控方法如下：
(1)车辆行驶或停泊中；
(2)发生严重碰撞或坠落事故；
(3)多轴加速度传感器检测各轴向加速度或减速度并将变化值转换成电压信号传送给嵌入式系统
(4)嵌入式系统判断电压值是否达到或超过阀值
(5)CCD摄像头采集画面信息；
(6)当发生重大交通事故时，车辆产生巨大振动，CCD摄像头采集的画面发生剧烈抖动，该视频信息经过模数转换传送给嵌入式系统；
(7)嵌入式系统采用模式识别技术和相应算法提取特征值并与特征库进行比对，判断是否出现剧烈振动；
(8)当嵌入式系统判定某轴向加速度传感器输出电压达到或超过设定阀值而且监控画面出现剧烈振动则启动重大交通事故自动定位报警求助程序；
(9)嵌入式系统发送交通事故报警控制信号给蜂鸣警报器逻辑电路继电器；
(10)继电器接通电路蜂鸣警报器并持续鸣叫；
(11)无论司机清醒与否，在15秒之内蜂鸣警报器没有关闭，嵌入式系统向GSM发出事故报警求助指令和坐标数据；
(12)GSM模块接受指令以SMS向特定接收人发出报警信息(SOS+坐标+速度+时间)，每隔3分钟发送一条信息，共发送3条信息；
(13)特定接收人收到信息可迅速报警并跟踪和标定位置，为救助事故伤者赢得时间和机会；
(14)若15秒内蜂鸣警报器被关闭，则嵌入式系统不发出求助指令。
本发明的有益效果在于：
(1)本发明设计思想来源于汽车主动安全仪器的实际需求，目前为国内外第一款功能集成性汽车主动安全监控仪器。本发明集多种实用功能于一体，所采用和创新的技术提高了安全监控效果且价格低廉。产品功能并不是简单累加，而是关键技术相互补充，达到一加一大于二的效果。嵌入式系统是核心，用于所有功能；GPS即用于定位监控，还用于定位防盗、防抢定位，交通事故定位、防疲劳驾驶计时、超速警示测速；GSM即用于无线定位，还用于防盗SMS报警、防抢SMS报警、交通事故SMS报警；CCD和模式识别即用于防疲劳驾驶警示，还用于防盗监控，CCD还可用来对抢劫监视，交通事故中的驾驶员状态监视。
(2)GPS/GSM集成移动定位技术使定位更全面准确。GPS在城市建筑密集区将无法定位，GSM定位利用成熟的GSM通信网络，采用基站三角定位方法，精度可达到300米，越发达的城市基站越多，定位精度越高。而且GSM还具有短信收发功能，通信成本低。实验结果表明，这种GPS/GSM集成移动定位技术可达到准确、实时、全天候、无盲点定位。
(3)主动防盗技术缩短了车辆被盗时的报警响应时间，增加了监控点，可使车主在最短的时间内得到信息并可以随时跟踪被盗车辆，为侦破提供最直接的线索，提高侦破效率。
(4)主动防抢技术为被抢劫司机提供了隐蔽的报警手段，赢得了被救援的时间和机会，同时能够使警方随时跟踪被劫持车辆，为实施救援和抓获犯罪嫌疑人提供支持。
(5)疲劳驾驶头部视频检测技术提高了疲劳驾驶判别率。目前国内外在疲劳驾驶视频检测技术中广泛使用的是对驾驶员眼部的检测，如眨眼次数、瞳孔扫描，或是对车道标线扫描。眼部检测很不准确，眼睛扫描面积小，对于眼睛很小的人或戴墨镜的驾驶员几乎不起作用；车道标线扫描受环境限制很大，在雨、雪、雾天气或车道标线很不清晰、无标线道路基本不起作用。本发明采用驾驶员头部状态扫描、图像模式识别的方法和相应算法、特征库，能够大大提高对疲劳驾驶的判断，疲劳驾驶时，司机会出现瞌睡打盹、点头的规律动作。实验发现点头的动作和瞌睡有非常好的相关性。头部扫描面积大、点头信息容易采集，算法容易设计，特征库容易建立，而且不受气候、环境和司机个体差异的影响。
(6)重大交通事故自动报警技术使求助时间大大缩短。目前国内尚无此方面的研究。欧盟的求助系统是发生碰撞安全气囊打开而触发报警。如果安全气囊不爆出，如坠落、多数车侧碰等，则无法实现。本项目开发的自动报警技术利用三轴加速度传感器，在正、侧碰或坠落情况下，减速度达到设计值，安监仪辅助CCD视频抖动参量来判定发生重大车祸，准确性和实用性更高。据预测，利用这种自动报警技术可以使救助时间平均缩短50％。