基于RFID的網(wǎng)絡(luò)式汽車安防系統(tǒng)設(shè)計 - 全文

引言

　　隨著國民經(jīng)濟的飛速發(fā)展，汽車被盜事件越來越多，汽車的安全保護技術(shù)己經(jīng)引起廣泛重視。汽車防盜器主要分為4大類：機械式、電子式、芯片式和網(wǎng)絡(luò)式。電子式防盜是目前應(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。射頻識別（RadioFrequencyIdentification,RFID）技術(shù)通過射頻信號自動識別目標(biāo)對象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，有著無源、免接觸、安全性能好、使用方便等特點。全球移動通信系統(tǒng)（GlobalSystemforMobileCommunications,GSM）是目前移動通信體制中最為成熟、應(yīng)用廣泛的一種系統(tǒng)，能保證信息傳輸?shù)膶崟r性、安全性和可靠性，主要用于遠(yuǎn)程控制。本文結(jié)合芯片式和網(wǎng)絡(luò)式防盜技術(shù)，利用RFID和GSM技術(shù)各自的特點，設(shè)計出新型的汽車安防系統(tǒng)，是汽車安全領(lǐng)域值得推廣的一項智能化舉措。

　　1 系統(tǒng)原理

　　系統(tǒng)主要由3大部分組成：控制器部分、射頻識別部分及移動通信部分。如圖1所示。

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圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

　　1.1 控制器部分

　　系統(tǒng)以單片機為核心，包括監(jiān)控電路（檢測汽車的狀態(tài)），矩陣鍵盤，執(zhí)行機構(gòu)，聲光報警裝置（揚聲器及車燈），CAN通信及電源管理等模塊。假如傳感器檢測到汽車被惡意破壞的情況后，立即聲光報警，警示盜賊，并向車內(nèi)的主控制器（ElectronicControlUnit,ECU）發(fā)出報警信號，由主控制器控制繼電器切斷點火電路和油路，同時向車主發(fā)出求救短信，由車主控制汽車。主人可以隨意設(shè)置控制汽車的優(yōu)先級，是MCU,或是ECU,還是HOST（主人）。

　　1.2 射頻識別部分

　　射頻識別系統(tǒng)一般由3個部分組成，即天線、電子標(biāo)簽和讀寫器。RFID系統(tǒng)的工作原理如下：讀寫器將要發(fā)送的信號，經(jīng)編碼后加載在某一頻率的載波信號上經(jīng)天線向外發(fā)送，進(jìn)入讀寫器工作區(qū)域的電子標(biāo)簽接收此脈沖信號，卡內(nèi)芯片中的有關(guān)電路對此信號進(jìn)行調(diào)制、解碼、解密，然后對命令請求、密碼、權(quán)限等進(jìn)行判斷。若為讀命令，控制邏輯電路則從存儲器中讀取有關(guān)信息，經(jīng)加密、編碼、調(diào)制后通過卡內(nèi)天線再發(fā)送給讀寫器，讀寫器對接收到的信號進(jìn)行解調(diào)、解碼、解密后送至中央信息系統(tǒng)進(jìn)行有關(guān)數(shù)據(jù)處理；若為修改信息的寫命令，有關(guān)控制邏輯引起的內(nèi)部電荷泵提升工作電壓，提供擦寫E2PROM中的內(nèi)容進(jìn)行改寫，若經(jīng)判斷其對應(yīng)的密碼和權(quán)限不符，則返回出錯信息。

　　當(dāng)一個具有正確識別碼的鑰匙插入點火開關(guān)后，汽車才能用正確的方式進(jìn)行啟動。當(dāng)點火開關(guān)關(guān)閉時，讀寫器輸出1個13 56MHz的充電脈沖到車鑰匙頂部的標(biāo)簽里。標(biāo)簽接收到這個脈沖信號后就給電容器充電。從而使應(yīng)答器發(fā)射l個特定的代碼至讀寫器，信號的傳輸就發(fā)生在讀寫器的天線和標(biāo)簽的天線之間。讀寫器的控制模塊對此信號進(jìn)行解碼并把它與存儲在微處理器內(nèi)存中的代碼進(jìn)行比較。如果相同，控制模塊便啟動發(fā)動機的控制程序和點火開關(guān)；只要有一位不相同，系統(tǒng)就會發(fā)出相應(yīng)的報警信息。

　　1.3 移動通信部分

　　GSM模塊，是將GSM射頻芯片、基帶處理芯片、存儲器、功放器件等集成在一塊線路板上，具有獨立的操作系統(tǒng)、射頻處理、基帶處理并提供標(biāo)準(zhǔn)接口的功能模塊。GSM模塊具有發(fā)送SMS短信、語音通話、GPRS數(shù)據(jù)傳輸?shù)然竟δ堋?/p>

　　開發(fā)人員使用微控制器通過RS232串口與GSM模塊通信，使用標(biāo)準(zhǔn)的AT命令來控制GSM模塊實現(xiàn)各種無線通信功能，例如：發(fā)送短信、撥打電話、GPRS撥號上網(wǎng)等。這里主要采用模塊的短信功能，來實現(xiàn)遠(yuǎn)程遙控，成本低廉，實時性好。

　　2 硬件設(shè)計

　　2.1 控制電路

　　微控制器選用ST公司的STM8AF51AA。該器件是專為汽車量身打造的高可靠性、強魯棒性及低成本的8位單片機。內(nèi)置真數(shù)據(jù)E2PROM,具有豐富的通訊接口，包括CAN2 0B,USARTL,INUARTLIN2 1,SPI及I2C等，運行速度可達(dá)10MIPS（16MHz）。監(jiān)控電路采用熱釋電紅外傳感器CS9803GP型紅外成品組件、振動傳感器CHJ ZD01,執(zhí)行機構(gòu)是繼電器，CAN總線驅(qū)動接口采用PCA82C250,電源轉(zhuǎn)換模塊LM7805以及AS1117,由于系統(tǒng)需要3種電壓，12V、5V、3 3V,故通過穩(wěn)壓器LM7805將汽車蓄電池電壓降為5V,然后再通過AS1117降為3 3V供MFRC522所用。

　　電源管理芯片MAX708,當(dāng)突然掉電時，將單片機掉電前瞬間的狀態(tài)信息保存到E2PROM中，以備重新上電時讀取，當(dāng)電源電壓過低時也會產(chǎn)生一個復(fù)位脈沖，防止程序跑飛。

2.2 射頻接口電路

　　NXP公司的Mifare卡現(xiàn)在是市場的主流。MFRC522是NXP公司針對“三表”應(yīng)用新推出的一款非接觸式低功耗讀寫基站芯片。該讀卡芯片完全集成了13 56MHz下所有類型的被動非接觸式通讀方式和協(xié)議。MFRC522支持ISO14443A所有的層，傳輸速度最高達(dá)424kbps.數(shù)字處理部分提供奇偶和CRC檢測功能。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。甚至可通過RS232或RS485通訊方式直接與PC機相聯(lián)，給終端設(shè)計提供了前所未有的靈活性。

　　由于MFRC522支持的數(shù)字接口形式多種多樣，芯片在每次復(fù)位時都會檢測外部引腳連接關(guān)系。除了通用的4條SPI信號線（時鐘線SCK、輸入數(shù)據(jù)線MOSI、輸出數(shù)據(jù)線MISO和選通線NSS），MFRC522要求額外的兩個引腳I2C和EA分別固定接低電平和高電平。這兩個引腳不參與SPI總線傳輸，只起設(shè)定MFRC522數(shù)字界面采用SPI接口的作用。另外，片選信號保證在寫入數(shù)據(jù)流期間為低電平，而在無數(shù)據(jù)流寫入時則為高電平。MFRC522與STM8AF51AA的硬件電路連接如圖2所示，在本系統(tǒng)中這兩者之間的通訊采用的是SPI方式。

　　在圖中省略了一些STM8AF51AA沒有用到的引腳和那些相對簡單的電源、外部晶振等電路。

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圖2 射頻接口電路圖

　　2. 3 GSM接口電路

　　本系統(tǒng)的GSM模塊選用Simcom公司的GSM900/1800MHz網(wǎng)絡(luò)雙頻模塊SIM300DZ,模塊是三頻（900/1800/1900）的GPRS系列，具有睡眠模式功能，具有嵌入式的TCP/IP與透明模式，能夠自動解析波特率，改善公共服務(wù)電子化性能。

　　SIM300DZ的外圍電路主要有SIM卡座和模塊的通信接口。通信接口分別為SIM_CLK,SIM_RST,VCC和SIMI/O,其中SIM_CLK,SIMI/O是SIM卡與模塊時鐘和數(shù)據(jù)的通訊線，SIM_RST,VCC為復(fù)位口和電源；另外還有與MCU串口相連的串口接口RXD和TX,AT指令就是通過兩個通道在MCU和GSM模塊之間進(jìn)行收發(fā)的；除此之外，GSM模塊還包括系統(tǒng)語音通道和MIC通道，這兩個通道是MCU通過AT指令進(jìn)行切換的，主要運用于放到監(jiān)控器中系統(tǒng)語音和麥克風(fēng)之間的切換；最后還有雙音多頻（DualToneMultiFrequency,DTMF）信號的發(fā)送端口IN+和IN-,當(dāng)用戶和放到監(jiān)控器的車載電話處于通話狀態(tài)時，如果有按鍵行為，這時所產(chǎn)生的DTMF信號就是通過IN+和IN-發(fā)送到雙音多頻解碼芯片解析并產(chǎn)生Q信號的，此時，MCU根據(jù)Q信號來決定該如何進(jìn)行操作。

　　3 軟件設(shè)計

　　安防系統(tǒng)控制軟件需要完成傳感信號檢測、車主身份識別、收發(fā)短消息、對汽車上的主要部件的控制、聲光報警等功能。在完成初始化及開中斷之后系統(tǒng)，處于低功耗的待機狀態(tài)。一有中斷，就結(jié)束閑置方式在中斷服務(wù)子程序中對引起中斷的事件作相應(yīng)的處理，并使相應(yīng)的標(biāo)志位置位，在中斷結(jié)束后，程序?qū)⒏鶕?jù)標(biāo)志位的狀態(tài)去執(zhí)行各自相應(yīng)的處理程序。采用模塊化編程思想，防盜系統(tǒng)程序模塊主要包括主控模塊、身份識別模塊、GSM處理模塊和報警處理模塊等。

　　3.1 主程序流程

　　此模塊是本系統(tǒng)的核心，包括對相關(guān)設(shè)備初始化函數(shù)的調(diào)用和設(shè)置，以及在它的程序主函數(shù)中調(diào)用其他模塊中的相關(guān)函數(shù)以完成程序功能。其基本思想是采用輪詢方式，在一個大主循環(huán)里調(diào)用各個功能模塊中各自的小循環(huán)，并在各關(guān)鍵部位設(shè)置看門狗，以防系統(tǒng)死機。主程序流程如圖3所示。

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圖3 主程序流程圖

　　3.2 身份識別流程

　　STM8A首先對MFRC522進(jìn)行初始化配置，寄存器設(shè)置好后MFRC522就可以接收MCU的命令執(zhí)行操作，實現(xiàn)與Mifare卡片通信。Mifare卡可以根據(jù)接收到的指令進(jìn)行相應(yīng)操作。但是STM8A并不是通過簡單的指令就可以讀寫IC卡片，需要一系列的操作才能完成通信。主要包括：（1）請求喚醒；（2）防重疊（防止多張卡片重疊造成的數(shù)據(jù)錯誤）；（3）選擇卡片；（4）密碼認(rèn)證；（5）讀寫操作。STM8A對Mifare卡片的這一系列操作流程必須按固定的順序進(jìn)行。當(dāng)有Mifare卡進(jìn)入到射頻天線的有效范圍，讀卡程序?qū)㈤_始進(jìn)行上述一系列的操作，將卡片唯一的64位ID讀出，與E2PROM中的已存的ID進(jìn)行對比，以確定車主的身份是否合法。

　　3.3 GSM操作流程

　　GSM模塊為本課題的重點和難點。當(dāng)串口檢測到有新短信發(fā)送至SIM卡時，此任務(wù)將被激活。通過初始化任務(wù)調(diào)用AT+CNMI指令，可以使短消息送達(dá)時模塊自動發(fā)送+CMTI:,到STM8A,其中表示新短消息在SIM卡存儲器中的位置，以便方便讀取。系統(tǒng)正是依靠判斷是否收到+CMTI來激活此任務(wù)。

　　此任務(wù)的流程圖如圖4所示。首先通過AT+CMGR指令將短消息的協(xié)議數(shù)據(jù)單元（ProtocolDataUnit,PDU）讀入一個專門的數(shù)組中，向模塊發(fā)送AT+CMGR=/r/n指令，模塊則會將SIM卡存儲器中位置的短消息送出，具體格式為+CMGR:,[],OK.通過指針尋找，可以方便的將PDU讀出。其后從PDU中提取發(fā)送方電話號碼、UD中的密碼、內(nèi)容。只要辨認(rèn)出關(guān)鍵詞，就可以判斷是何種操作類型。所以可以將“密碼設(shè)置”、“用戶號碼”、“供油供電”、“斷油斷電”這些關(guān)鍵詞在的PDU中的編碼存入固定的常量數(shù)組中，將收到的PDU內(nèi)容通過“strncmp ”函數(shù)與之比較即可得出操作類型。這里需要注意的是，PDU中的短消息內(nèi)容以unicode碼的“hex ”形式表示，每一個字均占4個字節(jié)。如“供”字的unicode碼為兩個字節(jié)“0x4F ”和“0x9B ”,在PDU中，則表示為4個字節(jié)“4F9B ”。

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圖4 GSM操作流程圖

　　4 結(jié)束語

　　本汽車安防系統(tǒng)綜合了RFID和GSM的優(yōu)點，車鑰匙即射頻卡，非接觸，安全，便捷，用戶手機實現(xiàn)對汽車的遠(yuǎn)程監(jiān)控和分級響應(yīng)，報警覆蓋面廣，采用了車用微控制器，現(xiàn)場的抗干擾能力增強，可靠性高，較好地達(dá)到了汽車防盜要求的各項指標(biāo)，在實際試用中取得了很好的效果。另外功能易于擴展，如果需要定位跟蹤功能，可添加GPS模塊，如果要進(jìn)入物聯(lián)網(wǎng)，也只需要在軟件上進(jìn)行修改。因此完全可以取代目前使用的無線電防盜技術(shù)，有著可觀的實用價值和市場前景。

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