RFID實(shí)現(xiàn)胎壓監(jiān)測(cè)和安全防盜系統(tǒng)方案

針對(duì)現(xiàn)有汽車(chē)門(mén)禁系統(tǒng)和胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)相互獨(dú)立，硬件冗余和生產(chǎn)成本高的問(wèn)題，提出了一種基于射頻識(shí)別技術(shù)的汽車(chē)安全防盜系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。在射頻通信上，該系統(tǒng)采用434 MHz 的UHF 頻段與125 kHz 的LF 頻段相結(jié)合的方法，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)胎壓監(jiān)測(cè)、遙控門(mén)鎖和發(fā)動(dòng)機(jī)防盜鎖止等功能。調(diào)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)提高了汽車(chē)的防盜性與控制性，節(jié)約了系統(tǒng)空間，降低了生產(chǎn)成本，優(yōu)化了車(chē)身網(wǎng)絡(luò)。

隨著我國(guó)汽車(chē)工業(yè)的發(fā)展和人民生活水平的提高，汽車(chē)越來(lái)越多地進(jìn)入普通家庭。由于各種突發(fā)性道路交通事故與汽車(chē)盜竊案件的頻繁發(fā)生，人們對(duì)汽車(chē)安全與防盜的關(guān)注度也日益提高。開(kāi)發(fā)和研究汽車(chē)安全與防盜系統(tǒng)，是確保行車(chē)安全和防止盜竊的有效技術(shù)措施。與傳統(tǒng)單個(gè)獨(dú)立汽車(chē)胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和汽車(chē)遙控?zé)o鑰匙進(jìn)入系統(tǒng)相比，本系統(tǒng)的特點(diǎn)是，將胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與遙控?zé)o鑰匙進(jìn)入系統(tǒng)進(jìn)行整合，有效地實(shí)現(xiàn)了射頻（RF）模塊的復(fù)用，不僅節(jié)約了硬件開(kāi)銷(xiāo)，也提高了系統(tǒng)的集成度。

1 基于RFID 技術(shù)的汽車(chē)安全防盜系統(tǒng)

射頻識(shí)別技術(shù)（RFID）是一種非接觸式的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)。汽車(chē)安全防盜系統(tǒng)采用射頻識(shí)別技術(shù)，通過(guò)射頻信號(hào)自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)對(duì)象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)。RFID 技術(shù)采用射頻傳輸，可以透過(guò)外部材料讀取芯片數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)非接觸操作。通信數(shù)據(jù)使用加密算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)安全存儲(chǔ)、管理及通信。隨著電子技術(shù)的快速發(fā)展，電子芯片集成度的提高，RFID 系統(tǒng)成本也在不斷地降低，加快了智能化在汽車(chē)電子行業(yè)中的推廣與應(yīng)用。

智能汽車(chē)安全防盜系統(tǒng)由輪胎發(fā)射模塊、遙控鑰匙模塊和基站模塊組成。對(duì)RFID 系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，收發(fā)頻率大小決定了射頻識(shí)別系統(tǒng)的識(shí)別距離、電路實(shí)現(xiàn)的難易程度以及硬件設(shè)計(jì)成本。在汽車(chē)安全防盜設(shè)計(jì)中，125 kHz 等低頻（LF）頻段用于近距離、低速度，數(shù)據(jù)量要求較少的汽車(chē)引擎防盜系統(tǒng)的識(shí)別；434 MHz 等超高頻（UHF）頻段則用于遠(yuǎn)距離的射頻通信系統(tǒng)（汽車(chē)輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與遠(yuǎn)程無(wú)鑰匙進(jìn)入系統(tǒng)）的識(shí)別。

2 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1 所示，系統(tǒng)由輪胎模塊、鑰匙模塊和基站模塊組成。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

以4 個(gè)輪胎的轎車(chē)為例，系統(tǒng)由4 個(gè)輪胎模塊、1個(gè)鑰匙模塊和1 個(gè)基站模塊構(gòu)成，其中基站模塊包括RF 接收器、LF 收發(fā)器、中央控制部分、人機(jī)界面以及用來(lái)傳送點(diǎn)火、門(mén)控命令的汽車(chē)區(qū)域互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)（LIN）總線。4 個(gè)輪胎模塊分別安裝在汽車(chē)的4 個(gè)輪胎中，對(duì)每個(gè)輪胎的壓力、溫度與電池電壓參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的測(cè)量，并將測(cè)量的數(shù)據(jù)通過(guò)RF 通信方式發(fā)送到基站模塊進(jìn)行處理?；灸K，一方面接收來(lái)自輪胎模塊的RF數(shù)據(jù)，并進(jìn)一步判斷輪胎參數(shù)是否正常，如果發(fā)現(xiàn)異常則進(jìn)行實(shí)時(shí)報(bào)警；另一方面接收來(lái)自鑰匙模塊的RF控制數(shù)據(jù)，并驗(yàn)證鑰匙的ID是否合法，如果發(fā)現(xiàn)異常，則及時(shí)進(jìn)行報(bào)警，如果正常，基站向門(mén)控執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)送確認(rèn)信息，實(shí)現(xiàn)啟/ 閉鎖的動(dòng)作；同時(shí)，基站模塊通過(guò)LF 通信方式與鑰匙模塊進(jìn)行通信，利用鑰匙模塊中應(yīng)答器的密碼與基站模塊中的密碼進(jìn)行匹配來(lái)控制發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)，以達(dá)到防盜的目的?；究梢酝ㄟ^(guò)汽車(chē)總線與汽車(chē)內(nèi)部的其他電子系統(tǒng)相連，實(shí)時(shí)地共享數(shù)據(jù)和控制信息。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 輪胎模塊電路

輪胎模塊由輪胎狀態(tài)的數(shù)據(jù)采集與發(fā)射電路組成，如圖2 所示。

圖2 輪胎模塊電路

輪胎模塊電路采用FREESCALE公司的智能嵌入式傳感器MPXY8300.該系列傳感器集成了該公司的低功耗S08 核，內(nèi)含512 字節(jié)RAM和16 KB Flash,同時(shí)還集成了低功耗電容式壓力、溫度傳感器和單通道的低頻輸入接口。其RF發(fā)射支持315 MHz 和434 MHz 兩種載波頻率，并可通過(guò)編程配置使寄存器為幅移鍵控（ASK）或頻移鍵控（FSK）調(diào)制方式。它還集成了電荷泵功能，當(dāng)電池電壓較低時(shí)，可提高RF 發(fā)射部分供電電壓，從而使其仍能達(dá)到一定的R F 發(fā)射強(qiáng)度。

MPXY8300 是一款將壓力溫度傳感器、8 位微控制器（MCU）、RF 發(fā)射器和雙軸（XY）加速器全部集成到一個(gè)片上的系統(tǒng)級(jí)芯片（SOC）。MPXY8300 壓力測(cè)量范圍：轎車(chē)100~800 kPa,卡車(chē)100~1 400 kPa,溫度測(cè)量范圍：-40~125 ℃。

3.2 鑰匙模塊電路

鑰匙模塊芯片采用NXP 公司生產(chǎn)的PCF7961。

PCF7961是一個(gè)基于低功耗8位MRKII架構(gòu)的精簡(jiǎn)指令集（RISC）處理器，它集成了UHF發(fā)射器與LF頻收發(fā)器的芯片。這種芯片能夠完成射頻發(fā)射和應(yīng)答器低頻通信認(rèn)證，適合于機(jī)動(dòng)車(chē)輛遙控防盜裝置。它采用快速相互鑒別算法，使用隨機(jī)數(shù)字、密鑰和口令，具有靈敏度高（遠(yuǎn)距離）和鑒別時(shí)間短（39 ms）的特點(diǎn)。

PCF7961 還提供了出廠時(shí)已經(jīng)固化了的32 位身份識(shí)別碼（ID）。圖3 是鑰匙模塊的電路原理圖。

圖3 鑰匙模塊電路

3.3 基站模塊電路

基站模塊主要由射頻接收電路、低頻收發(fā)電路、主控芯片MCU、LIN 接口以及人機(jī)接口組成。射頻接收電路采用FREESCALE 公司的UHF 射頻接收芯片MC33596,完成信號(hào)解調(diào)和數(shù)據(jù)曼切斯特解碼后，將數(shù)據(jù)傳送到基站主控芯片MC9S08DZ60,進(jìn)行數(shù)據(jù)處理（RKE 數(shù)據(jù)解密）和指令執(zhí)行。

低頻收發(fā)器采用NXP公司生產(chǎn)的PJF7992.PJF7992集成了所有必需的功能方便讀寫(xiě)應(yīng)答器，基站微處理器通過(guò)PJF7992 帶有的LIN串行接口控制PJF7992 和應(yīng)答器之間的通訊。

基站主控芯片采用F RE E SC A L E 公司生產(chǎn)的MC9S08DZ60,它可以通過(guò)SPI 串行總線對(duì)射頻接收芯片MC33596 參數(shù)進(jìn)行配置與通信。MC9S08DZ60 內(nèi)部集成了2 個(gè)SCI（LIN）模塊，可通過(guò)一路LIN 總線實(shí)現(xiàn)對(duì)低頻收發(fā)芯片PJF7992 的控制，另一路LIN總線實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)電控單元（ECU）與門(mén)控相關(guān)執(zhí)行機(jī)構(gòu)傳送命令。在汽車(chē)安全防盜系統(tǒng)中加入LIN總線接口，可使該系統(tǒng)能夠與汽車(chē)內(nèi)部其他電子控制系統(tǒng)共享數(shù)據(jù)與控制信息，極大地提高了系統(tǒng)的安全性與靈活性。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 無(wú)線通信協(xié)議

無(wú)線傳輸采用FSK 調(diào)制方式，其曼徹斯特編碼與解碼由片內(nèi)硬件自動(dòng)完成。輪胎模塊和鑰匙模塊中門(mén)控命令都是以數(shù)據(jù)包（幀）的形式發(fā)送數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)幀格式分別如表1,2 所示。

表1 輪胎模塊RF 數(shù)據(jù)幀格式

表2 鑰匙模塊RF 數(shù)據(jù)幀格式

4.2 輪胎模塊軟件流程

汽車(chē)在靜止或低速狀態(tài)下，即使胎壓發(fā)生變化，也不會(huì)對(duì)安全行駛造成威脅，此時(shí)可以不采集壓力、溫度等信號(hào)或者減少采集次數(shù)。流程如圖4 所示。

系統(tǒng)上電復(fù)位后，初始化配置啟動(dòng)測(cè)量加速度，判斷汽車(chē)狀態(tài)。如果車(chē)速在25 km/h 以下，則進(jìn)入休眠狀態(tài)，并延時(shí)一段時(shí)間后再次判斷汽車(chē)狀態(tài)；如果汽車(chē)行駛的速度大于25 km/h,則進(jìn)入正常的工作模式，進(jìn)行信號(hào)采集、處理與發(fā)射。然后經(jīng)過(guò)一段休眠延時(shí)再回到加速度測(cè)量狀態(tài)。

圖4 輪胎模塊軟件流程

4.3 鑰匙模塊流程

用戶可以通過(guò)鑰匙模塊上的按鈕開(kāi)關(guān)發(fā)送射頻數(shù)據(jù)來(lái)打開(kāi)和關(guān)閉車(chē)門(mén)。為了系統(tǒng)的安全性，對(duì)發(fā)送數(shù)據(jù)進(jìn)行滾動(dòng)碼加密，發(fā)送完畢進(jìn)入到停止模式。遙控門(mén)鎖的軟件流程如圖5 所示。

圖5 鑰匙模塊軟件流程

4.4 基站模塊流程

汽車(chē)沒(méi)有發(fā)動(dòng)時(shí)，基站模塊執(zhí)行遙控門(mén)鎖功能，需要監(jiān)聽(tīng)來(lái)自鑰匙模塊的RF 門(mén)控信號(hào)（用戶按下鑰匙上的按鍵）。當(dāng)遙控鑰匙插入點(diǎn)火鎖里并旋轉(zhuǎn)到啟動(dòng)位置時(shí)，鑰匙中應(yīng)答器（Transponder）和基站模塊的PJF7992 進(jìn)行點(diǎn)火驗(yàn)證，然后通過(guò)LIN總線傳送允許啟動(dòng)的命令。汽車(chē)發(fā)動(dòng)后，基站模塊進(jìn)入輪胎參量監(jiān)測(cè)模式，通過(guò)設(shè)置合理的輪詢間隔可以減少輪胎模塊的RF 響應(yīng)次數(shù)，降低系統(tǒng)功耗。軟件流程如圖6 所示。

圖6 基站模塊軟件流程

5 結(jié)論

本文提出了一種基于RFID 技術(shù)的汽車(chē)安全防盜系統(tǒng)，在試驗(yàn)臺(tái)上完成了相關(guān)的功能調(diào)試，實(shí)現(xiàn)了輪胎壓力監(jiān)測(cè)，遙控門(mén)鎖和發(fā)動(dòng)機(jī)防盜鎖止功能等，在系統(tǒng)中加入了LIN 總線接口，可使該系統(tǒng)能夠與汽車(chē)內(nèi)部其他電子控制系統(tǒng)共享數(shù)據(jù)與控制信息，極大地提高了系統(tǒng)的靈活性與安全性、節(jié)約了系統(tǒng)空間、降低了生產(chǎn)成本，在汽車(chē)電子領(lǐng)域具有較廣的應(yīng)用前景。