曹莉凌，簡佳輝

（上海海洋大學(xué) 工程學(xué)院，上海 201306）

隨著經(jīng)濟的高速發(fā)展，汽車已經(jīng)開始進入千家萬戶。與此同時，汽車失竊事件也在逐日增加。汽車的失竊對于車主而言是一種巨大的損失。因此，汽車防盜系統(tǒng)和汽車定位系統(tǒng)擁有了巨大的市場需求。

當前市場上部分車輛防盜系統(tǒng)存在的功能單一，體積大，能耗高等缺點，使得車輛仍然存在一定安全隱患。因此，如何對現(xiàn)有汽車防盜報警裝置進行改進，使其能更好地實現(xiàn)報警功能，保護人民的私有財產(chǎn)，引起了眾多學(xué)者與電子產(chǎn)品廠商的關(guān)注。因此，文中基于單片機，利用GPS/GPRS技術(shù)設(shè)計了汽車防盜報警系統(tǒng)，實現(xiàn)了汽車定位功能的可靠性及報警功能的實時性。

1 總體設(shè)計

汽車防盜報警系統(tǒng)功能復(fù)雜，采用模塊化的設(shè)計方案，主要由4個部分組成，如圖1所示。防盜信息采集模塊采集到報警信號時，GPS定位模塊將立即啟動，并開始接收定位信號（緯度，經(jīng)度，高度等等），同時，核心微處理器通過多種通訊方式連接各模塊，控制其協(xié)同工作，并進行數(shù)據(jù)分析與處理，啟動GPRS防盜報警模塊將定位數(shù)據(jù)以短信形式發(fā)送至車主手機。

圖1 基于單片機的汽車防盜報警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of vehicle anti-theft and alarm system based on single chip

2 模塊設(shè)計

2.1 防盜信息采集模塊

本系統(tǒng)中選用紅外對管傳感器電路采集防盜信息，用于監(jiān)測當汽車停放無人看管時，是否有人非法入侵。該傳感器電路由紅外發(fā)射與接收對管組成，可及時向微處理器發(fā)送準確的監(jiān)測信號，使用簡單，易于觀察，靈敏度高。防盜信息采集模塊不是本系統(tǒng)核心功能模塊，在系統(tǒng)實現(xiàn)過程中僅用于模擬汽車是否被盜情景。

2.2 核心處理器模塊

采用GPS/GPRS技術(shù)的汽車防盜報警系統(tǒng)功能復(fù)雜，為了保證系統(tǒng)的實用性和可擴展性，需要選用高性能的核心處理器協(xié)調(diào)各模塊的工作，為了實現(xiàn)系統(tǒng)的體積小、集成度高、可靠性好等性能，設(shè)計中將采用高性價比的8位51系列單片機作為核心處理器。

2.3 GPS定位模塊

1）硬件部分

GPS全球定位系統(tǒng)作為迄今最好的導(dǎo)航定位系統(tǒng)，在實際生活中被廣泛應(yīng)用，是當今信息時代發(fā)展中的重要組成部分。GPS系統(tǒng)由空間衛(wèi)星、地面支撐系統(tǒng)、用戶設(shè)備三個部分組成，其定位的基本原理參考文獻[1]。用戶在使用GPS實現(xiàn)定位功能時只需設(shè)計用戶設(shè)備部分，即圖1中的GPS定位模塊，該部分用于接收GPS衛(wèi)星發(fā)射信號。

汽車定位選用GT－2525 GPS芯片。GT－2525 GPS具有12個獨立的采用異步串行通信方式的接收通道，可以提供經(jīng)度、緯度、速度、高度、世界協(xié)調(diào)時間、頻率和GPS衛(wèi)星軌道信息，具有低壓供電，靈敏度高，精度高，可信度高，使用簡單等特點。此外，為提高系統(tǒng)功能的可升級性，系統(tǒng)設(shè)計中應(yīng)盡量減少占用核心處理器管腳資源，因此，本模塊設(shè)計方案為：GT－2525 GPS接收到車輛位置信息后，利用8250芯片進行串并轉(zhuǎn)換，并通過8255并行接口芯片實現(xiàn)與單片機的連接，單片機對該數(shù)據(jù)進行分析與處理后顯示于OCMJ2X8（128X32）LCD上，其中，LCD顯示并非系統(tǒng)功能模塊，主要用于GPS定位模塊調(diào)試。GPS定位模塊結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2）軟件部分

GPS定位模塊軟件部分設(shè)計流程如圖2所示，各部分具體設(shè)計詳述如下。

圖2 GPS定位模塊軟件設(shè)計流程Fig.2 Software design process of GPS module

①8250芯片初始化[2]：設(shè)置8250傳輸線控制寄存器實現(xiàn)尋址除數(shù)鎖存器；根據(jù)8250外部時鐘頻率1.843 2 MHz，波特率4800 BPS設(shè)置除數(shù)鎖存器值；設(shè)置傳輸線控制寄存器實現(xiàn)字符數(shù)據(jù)格式為：8位數(shù)據(jù)位，2位停止位，無校驗位。

②8255芯片初始化[2]：通過寫方式選擇控制字，設(shè)置PA口為輸出，實現(xiàn)PA口對LCD模塊DB0～DB7進行數(shù)據(jù)寫入，同時置PC口為高4位輸入，低4位輸出，實現(xiàn)LCD模塊的BUSY口及REQ口的控制。

圖3 設(shè)置GPS輸出格式軟件設(shè)計流程Fig.3 Software design process of GPS output formats setting

③設(shè)置GPS輸出格式：

GT－2525 GPS采用的是NMEA－0183協(xié)議，該協(xié)議格式要求嚴格?；綨MEA命令指令是一個ASCII字符串，以’$’字符開始，以＜CR＞＜LF＞序列結(jié)束。根據(jù)文獻[3]可知，該GPS默認設(shè)置輸出為：$PFST，NMEA，E003，4800＜CR＞＜LF＞， 而本系統(tǒng)采用$GPGGA輸出格式，則設(shè)置GPS輸出格式命令為：$PFST，NMEA，2000＜CR＞＜LF＞。 此外，由于該 GPS 串口默認參數(shù)為：4800BPS，1個起始位，無校驗位，8個數(shù)據(jù)位，1個停止位，與8250設(shè)置的串口通訊參數(shù)一致，故不需重新設(shè)置。該部分軟件設(shè)計流程如圖3所示，單片機將ASCII字符串命令依次通過8250轉(zhuǎn)換后以串行方式發(fā)送給GPS，實現(xiàn)GPS輸出格式的設(shè)置。

④接收GPS模塊定位數(shù)據(jù)存儲于片外RAM

單片機在對GPS模塊發(fā)送輸出格式的設(shè)置命令后，單片機將首先接收到該命令的回顯，即單片機先接收到$PFST，NMEA，2000＜CR＞＜LF＞各字符后，然后才會接收 GPS 模塊發(fā)送的定位數(shù)據(jù)。

NMEA標準消息[4]以“GP”開始，接著是3個字符的消息標識碼。消息頭和消息內(nèi)容通過逗號進行分隔，消息以校檢碼結(jié)束（校檢碼由一個‘*’和兩個16位的校驗碼組成。校驗碼計算方法為：自“$”符后開始，到“*”符以前，第一個字與第二個字進行異或后的結(jié)果，再與第三個字進行異或運算，如此循環(huán)后得到的結(jié)果）。

GPS輸出的$GPGGA 格式為$GPGGA，hhmmss.dd，xxmm.dddd，＜N/S＞，yyymm.dddd，＜E/W＞，v，ss，d.d，h.h，M，g.g，M，a.a，xxxx*hh＜CR＞＜LF＞，各部分含義參照表 1 所示。

接收GPS數(shù)據(jù)存儲于片外RAM軟件設(shè)計流程如圖4所示，其中讀8250數(shù)據(jù)存儲于累加器A內(nèi)部小模塊的軟件設(shè)計如圖5所示。其中，接收GPS模塊定位數(shù)據(jù)的設(shè)計思路為：利用比較指令對開始符和“$”進行比較，當接收的開始信號為“$”時，開始進行外部RAM存儲，若接收到的開始信號不為“$”時，則不進行存儲，繼續(xù)接收信號。當接收到的結(jié)束信號為“0AH”（即換行符）時結(jié)束存儲，若接收到的結(jié)束信號不為“0AH”（即換行符）時，則繼續(xù)接收信號。

表1 $GPGGA格式各部分含義Tab.1 Meaning of formats in$GPGGA

⑤從片外RAM中提取經(jīng)度緯度數(shù)據(jù)，顯示于液晶屏等屬于系統(tǒng)附加功能，輔助調(diào)試GPS定位模塊的設(shè)計，因此不在本文贅述。

2.4 GPRS防盜報警模塊

1）硬件設(shè)計

目前采用的報警方式主要有聲，光，電，文字等形式。隨著信息化時代的到來，通過發(fā)送手機短消息提醒用戶，實現(xiàn)實時報警成為一種高效便捷的方式。因此，本系統(tǒng)選用基于SIM300通訊芯片[5]的GPRS模塊作為系統(tǒng)報警模塊，其優(yōu)點為速度快，可靠性強。GPRS模塊中插入開通被叫數(shù)據(jù)服務(wù)業(yè)務(wù)的用戶識別卡（Subscriber Identity Module，SIM 卡）[6]，即可通過SIM300通訊芯片實現(xiàn)語音傳輸和點對點數(shù)據(jù)傳輸。

GPRS模塊采用標準串口[7]與核心處理器進行通訊，其連接電路圖如圖6所示。其中，GPRS模塊的底層設(shè)計可參考文獻[5]。

2）軟件設(shè)計

單片機可通過AT命令集[8]控制SIM300芯片進行短信編寫，并利用SIM卡通過GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給指定手機號。其中，短信內(nèi)容為GPS定位數(shù)據(jù)，由單片機從片外RAM中讀取。系統(tǒng)設(shè)計中主要AT命令如表2所示。該模塊的程序設(shè)計流程圖如圖7所示。

圖4 接收GPS數(shù)據(jù)存儲于片外RAM軟件設(shè)計流程Fig.4 Software design process of storing GPS data in external RAM

圖5 讀8250數(shù)據(jù)存儲于累加器AFig.5 Storing data from 8250 in accumulator A

3 系統(tǒng)運行

根據(jù)文中上述方案設(shè)計汽車防盜報警硬件電路，編寫程序，進行軟硬件調(diào)試。系統(tǒng)運行地點為上海海洋大學(xué)（上海滬城環(huán)路999號），調(diào)試流程為，用手放置于紅外發(fā)射管與接收管中間，模擬汽車被盜情景，經(jīng)過極短的時間延遲后，手機成功接受到定位報警信息，如圖9所示，同時，GPS定位模塊的輔助調(diào)試LCD模塊上也顯示了汽車定位信息，如圖10所示。此外，查詢百度地圖得到系統(tǒng)運行地點經(jīng)度，緯度數(shù)據(jù)如圖11所示，定位誤差在0.6度以內(nèi)。

4 結(jié) 論

對系統(tǒng)運行結(jié)果與百度地圖查詢結(jié)果進行比較可知，本文設(shè)計的汽車防盜報警系統(tǒng)準確性高，及時性強。文中采用的是簡易紅外傳感器電路模擬汽車盜竊情景，因此，進一步的研究工作可圍繞如何優(yōu)化盜竊信息采集模塊的設(shè)計進行開展，完善整個系統(tǒng)的設(shè)計，提高其實用性。

圖6 GPRS防盜報警模塊硬件電路Fig.6 Hardware circuit of GPRS anti－theft and alarm system module

圖7 GPRS防盜報警模塊軟件設(shè)計流程Fig.7 Software design process of GPRS anti－theft and alarm system modul

圖9 LCD顯示報警信息Fig.9 Alarm information shown on LCD

圖10 百度地圖顯示定位數(shù)據(jù)Fig.10 Position data shown on the map in Baidu website

[1]徐紹銓，張華海，楊志強.GPS測量原理及應(yīng)用[M].武漢：武漢大學(xué)出版社，2008.

[2]尹建華.微型計算機原理與接口技術(shù)[M].北京：高等教育出版社，2010.

[3]曹婷婷，高玉.GPS中NMEA－0183協(xié)議的應(yīng)用[J].電子工程師，2006，32（10）:8－11，35.CAO Ting-ting， GAO Yu.Application ofNMEA－0183 protocol for GPS[J].Electronic Engineer，2006，32（10）:8－11，35.

[4]錢德俊，張哲，胡晨.NMEA0183協(xié)議解析[J].電子器件，2007，30（2）:698－701.QIANDe-jun，ZHANGZhe，HUChen.OnparsingofNMEA0183 protocol[J].Chinese Journal of Electron Devices，2007，30（2）:698－701.

[5]陳家敏，吳強，陳家麗.GPRS無線通訊模塊SIM300C及其外圍電路設(shè)計[J].電子制作，2013（5）:146-147.CHEN Gu-min，WU Jiang，CHEN Gu-li.Design of SIM300C GPRS wireless communication module and peripheral circuit[J].Practical Electronics，2013（5）:146-147.

[6]周劼男，石江宏，王洪.SIM卡讀卡器的研究與設(shè)計[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2007（8）:51-55.ZHOU Jie-nan，DAN Jiang-hong，WANG Hong.Research and design on subscriber identity module reader[J].Modern Electronics Technique，2007（8）:51-55.

[7]呂捷.GPRS技術(shù)[M].北京：北京郵電大學(xué)出版社，2001.

[8]李志偉.基于AT指令的串行通信程序的設(shè)計[J].微計算機信息，2007，23（9）:272-274.LI Zhi-wei.Based on AT commands serial communication program[J].Microcomputer Information，2007，23（9）:272-274.