王素青，許根源

（南京航空航天大學(xué) 金城學(xué)院，南京 211156）

隨著電子信息技術(shù)、傳感器技術(shù)、無(wú)線通信技術(shù)和全球衛(wèi)星定位技術(shù)的飛速發(fā)展，汽車防盜系統(tǒng)正在向多功能化、網(wǎng)絡(luò)化、可視化和便捷化方向發(fā)展。目前汽車防盜裝置按其結(jié)構(gòu)與功能可分為4大類[1-2]：機(jī)械式、電子式、芯片式和網(wǎng)絡(luò)式。電子防盜是目前應(yīng)用最多的防盜方式，而芯片式的數(shù)碼防盜和網(wǎng)絡(luò)式防盜則是汽車防盜技術(shù)的發(fā)展方向。射頻識(shí)別RFID技術(shù)又稱電子標(biāo)簽，它是一種非接觸式的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，具有無(wú)源、免接觸、安全性好、使用方便等特點(diǎn)。本文應(yīng)用RFID技術(shù)和成熟的遠(yuǎn)程控制GSM及GPS技術(shù)，設(shè)計(jì)出一個(gè)汽車防盜報(bào)警系統(tǒng)，該系統(tǒng)突破了距離的限制，覆蓋范圍廣，可用于實(shí)時(shí)高精度監(jiān)測(cè)車輛位置以及被盜車輛的定位追蹤，提高失竊車輛被找回的速度。

1 系統(tǒng)功能與總體方案

1.1 系統(tǒng)功能

按照網(wǎng)絡(luò)式智能化汽車防盜系統(tǒng)的功能要求和汽車防盜報(bào)警系統(tǒng)特點(diǎn)，總體功能要求如下：

（1）應(yīng)用RFID技術(shù)作為第一重防盜，系統(tǒng)通過(guò)RFID模塊對(duì)車主進(jìn)行識(shí)別。如果識(shí)別正確，車門將會(huì)打開，否則，車門將不會(huì)打開；

（2）系統(tǒng)可以識(shí)別車主的信息，以辨別控制信息是否為真正的車主發(fā)送。車主可以修改辨別控制信息，以便更換手機(jī)號(hào)碼后進(jìn)行修改；

（3）當(dāng)非法分子通過(guò)暴力手段盜走車輛后，車主可通過(guò)發(fā)送短信代碼對(duì)車輛進(jìn)行切斷主電路，使車輛無(wú)法繼續(xù)正常行駛和控制車輛發(fā)回車輛當(dāng)前的地理位置信息，以便車主和公安機(jī)關(guān)迅速找到失竊車輛的控制。

1.2 系統(tǒng)總體方案

根據(jù)系統(tǒng)的功能要求，所設(shè)計(jì)的汽車防盜報(bào)警系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Overall block diagram of the system

系統(tǒng)主要由外部信息檢測(cè)單元、MCU主控和執(zhí)行單元組成。外部信息檢測(cè)單元由車輛震動(dòng)傳感器、RFID用戶信息讀取單元、GPS車輛位置信息讀取單元組成。MCU主控和執(zhí)行單元主要由單片機(jī)、GSM短信無(wú)線收發(fā)模塊，汽車控制電路組成。汽車控制電路主要由繼電器組成，用來(lái)控制汽車的主電源電路和汽車的點(diǎn)火系統(tǒng)的通斷。

外部信息檢測(cè)單元獲得車輛信息通過(guò)UART接口與主控單元進(jìn)行數(shù)據(jù)交流，主控中心對(duì)獲得的車輛信息解析為用戶可識(shí)別的信息，再根據(jù)GSM模塊獲得的控制指令將做出相應(yīng)的控制動(dòng)作。

根據(jù)系統(tǒng)功能要求，設(shè)計(jì)了用戶刷卡進(jìn)入、修改控制密碼、修改用戶控制號(hào)碼、關(guān)閉和開啟汽車主電路、自動(dòng)返回車輛位置信息（經(jīng)度、緯度、海拔、運(yùn)動(dòng)速度等）和控制系統(tǒng)報(bào)警等軟件功能。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2.1 電源模塊

穩(wěn)定可靠的電源是整個(gè)系統(tǒng)可靠穩(wěn)定運(yùn)行的前提條件。本系統(tǒng)中主要模塊：MCU模塊、GSM模塊、GPS模塊、RFID模塊、LCD模塊，它們的供電電源均為5 V。而汽車采用12 V電壓的蓄電池作為供電電源，因此，本系統(tǒng)需要設(shè)計(jì)一個(gè)將汽車蓄電池12 V電壓降為5 V電壓的電源模塊。

系統(tǒng)電源模塊采用LM7805三端穩(wěn)壓器芯片，其有一系列固定的電壓輸出。由它組成的穩(wěn)壓電源所需的外圍元器件極少，內(nèi)部還有過(guò)流、過(guò)熱保護(hù)電路，如能提供足夠的散熱片，就能提供大于1.5 A的輸出電流。5 V電源模塊電路如圖2所示。

圖2 5 V電源模塊的電路圖Fig.2 Circuit diagram of 5 V power supply module

2.2 主控模塊

系統(tǒng)主控模塊包括單片機(jī)、復(fù)位電路、外部晶振電路，其中單片機(jī)采用STC12C5A60S2新一代8051單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，但速度快8～12倍。有32個(gè)外部雙向I/O口，1280字節(jié)RAM，有E2PROM功能，內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路，4個(gè)16位定時(shí)器，7路外部中斷I/O口，通用全雙工異步串行口（UART），雙串口，具有 ISP/IAP編譯器，可通過(guò)串口直接下載用戶程序，無(wú)需專用的下載器。

2.3 RFID模塊

系統(tǒng)中RFID模塊選用的是MIFARE522模塊，該模塊的硬件電路主要包涵主控芯片和MF RC522芯片，MF RC522是與射頻IC卡實(shí)現(xiàn)無(wú)線通信的核心部件，也是讀寫器讀寫Mifare卡的關(guān)鍵接口芯片，是目前用于13.56 MHz頻段的非接觸式通信的主流讀卡IC，使用27.12 MHz的外部晶振，經(jīng)過(guò)內(nèi)部二分頻得到13.56 MHz頻段[3]。MF RC522是NXP公司針對(duì)“三表”應(yīng)用推出的一款低電壓、低成本、體積小的非接觸式讀寫卡芯片，是智能儀表的較好選擇。該芯片采用先進(jìn)的調(diào)制和解調(diào)技術(shù)，集成了13.56 MHz頻段所有類型的被動(dòng)非接觸式通信方式和協(xié)議，并支持ISO14443A所有的層，傳輸速度最高可達(dá)424 kb/s，內(nèi)部的發(fā)送器部分不需增加有源電路就能直接驅(qū)動(dòng)近距離天線，接收器部分提供了一個(gè)解調(diào)與解碼電路，用于處理ISO14443A兼容的應(yīng)答器信號(hào)。數(shù)字處理部分提供奇偶和CRC檢測(cè)功能。MF RC522具有3種接口方式可方便地與任何MCU通訊：SPI模式、UART模式、I2C模式。本系統(tǒng)中，MF RC522模塊與MCU之間采用的是UART模式進(jìn)行通訊的，采用如圖3所示的典型應(yīng)用電路。

圖3 MF RC522在系統(tǒng)中的應(yīng)用電路Fig.3 MF RC522 application circuit in the system

在電感耦合式射頻識(shí)別系統(tǒng)中，天線設(shè)計(jì)直接決定產(chǎn)品性能。本系統(tǒng)采用直接匹配的天線設(shè)計(jì)方式，分為發(fā)射電路、接收電路和天線及匹配電路，如圖3所示。由R2、C3和R1、C10組成的接收電路與由L1、L2、C4、C5組成的發(fā)射濾波電路中的元件參數(shù)一般采用推薦值，而天線匹配電路中的C6、C7、C8和C9的值由設(shè)計(jì)的天線來(lái)決定，為獲得良好性能，相關(guān)參數(shù)取值的選取還需經(jīng)過(guò)天線的調(diào)諧過(guò)程[4]。

MIFARE522 RFID模塊可以自動(dòng)讀取IC卡的ID號(hào)（即通電后，有IC卡靠近，就可自動(dòng)讀取16進(jìn)制的IC卡號(hào)，通過(guò)串口發(fā)出），及通過(guò)發(fā)送命令操作RFID模塊讀寫卡（被動(dòng)讀寫卡）功能。本RFID讀寫模塊默認(rèn)情況下是通過(guò)發(fā)送命令讀寫卡的，若要設(shè)置成自動(dòng)讀卡，需要將該模塊的J1接口的中間2個(gè)引腳（SWIM和GND）短接，然后給模塊通電，通電后只要有IC卡靠近，模塊就會(huì)自動(dòng)讀卡，通過(guò)串口發(fā)出16進(jìn)制的IC卡號(hào)。

2.4 GSM無(wú)線通信模塊

系統(tǒng)中GSM模塊選用的是Simcom公司的SIM900A模塊，該模塊是一款內(nèi)置TCP/IP協(xié)議棧的GSM/GPRS模塊，可以工作在EGSM 900 MHz和DCS 1800 MHz 2個(gè)頻段，它可以自動(dòng)地搜尋2個(gè)頻段，也可以通過(guò)AT命令來(lái)設(shè)置頻段。SIM900A支持GPRS multi-slot class 10/class 8（可選）和 GPRS 編碼格式 CS-1，CS-2，CS-3，CS-4[5-6]。SIM900A模塊功能結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示，主要由GSM基帶、存儲(chǔ)器、GSM射頻、天線接口、電源接口、音頻接口、SIM卡接口、UART接口、LCD接口和GPIO/鍵盤接口幾部分組成。SIM900A提供2個(gè)非對(duì)稱的異步串行接口，一個(gè)用于通訊，另一個(gè)用于軟件調(diào)試。串口支持Modem設(shè)備，包含數(shù)據(jù)信號(hào)線TXD和RXD，狀態(tài)信號(hào)線RTS和CTS，控制信號(hào)線 DTR、DCD、DSR 和 RI。 串口可用于CSD傳真、GPRS服務(wù)、發(fā)送AT命令控制模塊。同樣也可以用于串口復(fù)用功能，SIM900A只支持基本的復(fù)用模式。SIM卡接口引腳為 SIM_VDD，SIM_DATA（SIM 卡數(shù) 據(jù) I/O），SIM_CLK，SIM_RST，SIM_PRESENCE（SIM卡檢測(cè)）。 此外，該模塊提供一路模擬音頻輸入通道可以用于連接麥克風(fēng)，提供一路音頻輸出通道可以用于連接喇叭。音頻接口引腳分別為 MIC_P，MIC_N，SPK_P，SPK_N，LINEIN_R，LINEIN_L。 SIM900A 提供一個(gè)串行LCD顯示接口，支持串行通訊的LCD顯示設(shè)備。SIM900A的鍵盤接口包含了5列鍵盤輸出和5行鍵盤的輸入。本系統(tǒng)中，SIM900A模塊和單片機(jī)之間的數(shù)據(jù)通訊是通過(guò)串口來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

圖4 SIM900A模塊功能結(jié)構(gòu)框圖Fig.4 SIM900A module functional block diagram

2.5 GPS模塊

系統(tǒng)中GPS模塊選用ATK-NEO-6M GPS定位模塊。該模塊采用u-blox NEO-6M模組，體積小，性能優(yōu)異；自帶MAXIM公司高增益（20.5 dB）LAN芯片與高性能陶瓷天線結(jié)合，組成接收天線，搜星能力強(qiáng)，具有多達(dá)50個(gè)衛(wèi)星通道接收功能；自帶E2PROM，可通過(guò)串口進(jìn)行各種參數(shù)設(shè)置，并可保存在E2PROM，使用方便；自帶IPX接口，可連接各種有源天線，適應(yīng)能力強(qiáng)；兼容3.3 V/5 V電平，方便連接各種單片機(jī)系統(tǒng)；自帶可充電后備電池，可掉電保持星歷數(shù)據(jù)。該模塊通信協(xié)議有：一種是NEMA-0183標(biāo)準(zhǔn)的串口數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議；另一種是UBX標(biāo)注的二進(jìn)制數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議[7]。本系統(tǒng)中，GPS模塊和單片機(jī)之間的數(shù)據(jù)通訊是通過(guò)串口來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)采用C語(yǔ)言設(shè)計(jì)，系統(tǒng)的軟件編程采用模塊化程序設(shè)計(jì)思想。系統(tǒng)的主程序作用主要是完成對(duì)各個(gè)模塊子程序的調(diào)用，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)功能的運(yùn)行。系統(tǒng)的模塊子程序主要包括：初始化程序、RFID模塊子程序、GSM模塊子程序、GPS模塊子程序和LCD顯示子程序等。

3.1 初始化程序

系統(tǒng)的初始化程序主要包括串口初始化、LCD初始化、GPS初始化和GSM初始化4部分。串口初始化包括設(shè)置串口通信模式、通信波特率、打開串口中斷、啟動(dòng)相應(yīng)定時(shí)器等。串口初始化作用是將單片機(jī)的2個(gè)串口初始化為和GSM、GPS模塊相同數(shù)據(jù)格式，即一幀的數(shù)據(jù)格式為1個(gè)起始位、8個(gè)數(shù)據(jù)位、無(wú)奇偶校驗(yàn)位、1個(gè)停止位，波特率固定為9600。GPS初始化是對(duì)各個(gè)GPS數(shù)據(jù)寄存器初始化，同時(shí)對(duì)串口接收到的GPS數(shù)據(jù)的完整性進(jìn)行判斷，確認(rèn)可視衛(wèi)星個(gè)數(shù)。GSM初始化包括開啟GSM模塊、發(fā)送AT聯(lián)機(jī)指令、設(shè)置GSM終端模式、設(shè)置新消息提醒、設(shè)置短信息模式、清空收件箱等操作。

3.2 RFID模塊子程序

RFID模塊的作用是對(duì)用戶卡內(nèi)的信息進(jìn)行讀取，并將讀取的信息通過(guò)串口發(fā)送給單片機(jī)，單片機(jī)對(duì)用戶信息進(jìn)行比對(duì)操作，若信息比對(duì)后確定用戶的合法性后，會(huì)控制繼電器打開相應(yīng)的權(quán)限，比如打開車門或者開啟報(bào)警等。RFID模塊子程序包括：復(fù)位、認(rèn)證權(quán)限和讀取用戶數(shù)據(jù)等。當(dāng)有用戶卡進(jìn)入到射頻天線的有效范圍，讀卡程序?qū)㈤_始一系列操作，將卡唯一的64位ID讀出，與E2PROM中的已存的ID進(jìn)行比對(duì)，以確定車主的身份是否合法[2]。

3.3 GSM模塊子程序

短信的發(fā)送與接收由GSM模塊完成，短信可分2種：一種是主控模塊根據(jù)系統(tǒng)傳感器采集的信息，向車主發(fā)送報(bào)警信息；另一種是車主向主控模塊發(fā)送控制信息，當(dāng)收到信息時(shí)，主控模塊自動(dòng)讀取新信息內(nèi)容并判別信息來(lái)源及所含控制指令，主控模塊根據(jù)收到的指令完成相應(yīng)的操作。GSM模塊子程序包括GSM初始化、發(fā)送短消息、接收短消息3部分，發(fā)送接收消息均按照標(biāo)準(zhǔn)AT指令操作。

GSM模塊子程序中發(fā)送短信的流程如圖5所示。發(fā)送短信主要根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)AT指令集控制GSM模塊，在GSM初始化程序中已設(shè)置好GSM模塊的工作方式，發(fā)送短信時(shí)只需通過(guò)單片機(jī)串口1發(fā)送相關(guān)的指令和數(shù)據(jù)即可，發(fā)送的數(shù)據(jù)為TEXT格式。

圖5 GSM模塊發(fā)送短信的流程圖Fig.5 Flow chart of GSM module to send SMS

GSM模塊子程序中接收短信的流程圖如圖6所示。接收短信程序也是在設(shè)置好GSM模塊工作方式的前提下，初始化中已經(jīng)設(shè)置了收到信息提醒，當(dāng)收到新信息時(shí)GSM模塊會(huì)自動(dòng)傳回“+GMTI”的數(shù)據(jù)，根據(jù)串口是否接收到此數(shù)據(jù)來(lái)判斷是否收到新信息，當(dāng)收到信息時(shí)再發(fā)送“AT+CMGR=1”，讀取收到的新信息內(nèi)容，將收到的新信息做分析比對(duì)，如果是用戶號(hào)碼發(fā)來(lái)的相關(guān)控制指令則根據(jù)控制指令完成相應(yīng)的操作，最后刪除該新信息，等待下一條信息到來(lái)。

圖6 GSM模塊接收短信的流程圖Fig.6 Flow chart of GSM module to receive SMS

3.4 GPS模塊子程序

GPS模塊子程序流程如圖7所示。GPS模塊子程序主要功能是對(duì)GPS模塊輸出到單片機(jī)的數(shù)據(jù)流進(jìn)行分析和讀取，以方便單片機(jī)對(duì)這些數(shù)據(jù)加以利用。GPS數(shù)據(jù)接收通過(guò)單片機(jī)的串口2來(lái)完成，當(dāng)串口2收到的數(shù)據(jù)符合NMEA0183格式的字符時(shí)，解析程序根據(jù)數(shù)據(jù)信息中的特殊字符來(lái)分辨數(shù)據(jù)的類型，分別提取出時(shí)間、經(jīng)度、緯度、日期等信息，然后將解析好的數(shù)據(jù)存放在不同的數(shù)據(jù)變量中。

圖7 GPS模塊子程序的流程圖Fig.7 Flow chart of GPS module subprogram

GPS模塊輸出的數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)流為基本形式，每一秒更新一次。本系統(tǒng)只對(duì)GPRMC數(shù)據(jù)包進(jìn)行解析，它的數(shù)據(jù)包內(nèi)容是：

$GPRMC，<1>，<2>，<3>，<4>，<5>，<6>，<7>，<8>，<9>，<10>，<11>

<1>：UTC 時(shí)間，格式為（時(shí)分秒）。時(shí)、分、秒均為2位。<2>：定位情況，V表示無(wú)效定位，A表示有效定位。<3>：緯度，格式為（度分），需要把它轉(zhuǎn)換成度分秒的格式。<4>：南北半球S（南半球）或者N（北半球）。<5>：經(jīng)度，格式為（度分），經(jīng)度的算法和緯度的算法一樣。<6>：東西半球W（西經(jīng)）或E（東經(jīng)）。<7>：地面速率，其單位是節(jié)，如果把它轉(zhuǎn)化成km/h，將取得的速度乘上1.85。<8>：地面航向，是它偏離正北的角度。<9>：UTC日期，格式為（日月年）。<10>：磁偏角。<11>：校驗(yàn)和。以上數(shù)據(jù)中，UTC時(shí)間代表的是世界時(shí)間，如果要換算成北京時(shí)間，需要將該值加上8 h。

4 結(jié)語(yǔ)

汽車防盜報(bào)警系統(tǒng)綜合應(yīng)用了RFID技術(shù)、GSM技術(shù)和GPS技術(shù)，應(yīng)用RFID技術(shù)作為第一重防盜，對(duì)車主身份進(jìn)行識(shí)別；應(yīng)用GSM和GPS技術(shù)作為第二重防盜，當(dāng)車輛被盜時(shí)進(jìn)行短信報(bào)警提示，通過(guò)GPS定位技術(shù)可準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)地了解車輛的狀態(tài)和位置等信息，以便車主能實(shí)時(shí)地對(duì)失竊車輛進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。該系統(tǒng)具有可靠性高、報(bào)警范圍廣、監(jiān)測(cè)定位精度高等優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)際試用中取得很好的防盜效果，具有廣闊的應(yīng)用前景。

[1]彭華，李燦平.射頻識(shí)別技術(shù)和GSM網(wǎng)絡(luò)在汽車防盜中的應(yīng)用[J].中國(guó)集成電路，2012（5）：87-91.

[2]歐陽(yáng)宏志，王新林，朱衛(wèi)華，等.基于RFID技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)式汽車安防系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2011，19（7）：1719-1721.

[3]徐紹娟，邱琳.基于RC522模塊的水控機(jī)一卡通讀寫控制器設(shè)計(jì)[J].科技傳播，2011（19）：128-129.

[4]鄧偉，劉暾東，鄭中杰.MF RC522射頻模塊在門禁系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2012（12）：38-41.

[5]翟順，王衛(wèi)紅，張衍，等.基于SIM900A的物聯(lián)網(wǎng)短信報(bào)警系統(tǒng)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2012，35（5）：86-89.

[6]荊世勇，周景龍，劉明鑫，等.基于SIM900A和LPC2378無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子科技，2012，25（11）：66-68.

[7]劉振武，宋蟄存，王海濱.基于GPS技術(shù)的公交車智能報(bào)站及液晶顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用，2013，32（12）：102-105.