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試論RFID和GSM的汽車防盜報警系統(tǒng)設計論文
隨著電子信息技術、傳感器技術、無線通信技術和全球衛(wèi)星定位技術的飛速發(fā)展，汽車防盜系統(tǒng)正在向多功能化、網絡化、可視化和便捷化方向發(fā)展。目前汽車防盜裝置按其結構與功能可分為4大類：機械式、電子式、芯片式和網絡式。電子防盜是目前應用最多的防盜方式，而芯片式的數碼防盜和網絡式防盜則是汽車防盜技術的發(fā)展方向。射頻識別RFID技術又稱電子標簽，它是一種非接觸式的自動識別技術，具有無源、免接觸、安全性好、使用方便等特點。本文應用RFID技術和成熟的遠程控制GSM及GPS技術，設計出一個汽車防盜報警系統(tǒng)，該系統(tǒng)突破了距離的限制，覆蓋范圍廣，可用于實時高精度監(jiān)測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
按照網絡式智能化汽車防盜系統(tǒng)的功能要求和汽車防盜報警系統(tǒng)特點，總體功能要求如下：
(1)應用RFID技術作為第一重防盜，系統(tǒng)通過RFID模塊對車主進行識別。如果識別正確，車門將會打開，否則，車門將不會打開;
(2)系統(tǒng)可以識別車主的信息，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，以便更換手機號碼后進行修改;
(3)當非法分子通過暴力手段盜走車輛后，車主可通過發(fā)送短信代碼對車輛進行切斷主電路，使車輛無法繼續(xù)正常行駛和控制車輛發(fā)回車輛當前的地理位置信息，以便車主和公安機關迅速找到失竊車輛的控制。
1.2系統(tǒng)總體方案
根據系統(tǒng)的功能要求，所設計的汽車防盜報警系統(tǒng)的總體結構框圖如圖1所示。系統(tǒng)主要由外部信息檢測單元、MCU主控和執(zhí)行單元組成。外部信息檢測單元由車輛震動傳感器、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、GSM短信無線收發(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，用來控制汽車的主電源電路和汽車的點火系統(tǒng)的通斷。
外部信息檢測單元獲得車輛信息通過UART接口與主控單元進行數據交流，主控中心對獲得的車輛信息解析為用戶可識別的信息，再根據GSM模塊獲得的控制指令將做出相應的控制動作。
根據系統(tǒng)功能要求，設計了用戶刷卡進入、修改控制密碼、修改用戶控制號碼、關閉和開啟汽車主電路、自動返回車輛位置信息(經度、緯度、海拔、運動速度等)和控制系統(tǒng)報警等軟件功能。
2系統(tǒng)的硬件設計
2.1電源模塊
穩(wěn)定可靠的電源是整個系統(tǒng)可靠穩(wěn)定運行的前提條件。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5V。而汽車采用12V電壓的蓄電池作為供電電源，因此，本系統(tǒng)需要設計一個將汽車蓄電池12V電壓降為5V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，內部還有過流、過熱保護電路，如能提供足夠的散熱片，就能提供大于1.5A的輸出電流。
2.2主控模塊
系統(tǒng)主控模塊包括單片機、復位電路、外部晶振電路，其中單片機采用STC12C5A60S2新一代8051單片機，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，但速度快8～12倍。有32個外部雙向I/O口，1280字節(jié)RAM，有E2PROM功能，內部集成MAX810專用復位電路，4個16位定時器，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，可通過串口直接下載用戶程序，無需專用的下載器。
2.3RFID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MFRC522芯片，MFRC522是與射頻IC卡實現(xiàn)無線通信的核心部件，也是讀寫器讀寫Mifare卡的關鍵接口芯片，是目前用于13.56MHz頻段的非接觸式通信的主流讀卡IC，使用27.12MHz的外部晶振，經過內部二分頻得到13.56MHz頻段。MFRC522是NXP公司針對“三表”應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。該芯片采用先進的調制和解調技術，集成了13.56MHz頻段所有類型的被動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424kb/s，內部的發(fā)送器部分不需增加有源電路就能直接驅動近距離天線，接收器部分提供了一個解調與解碼電路，用于處理ISO14443A兼容的應答器信號。數字處理部分提供奇偶和CRC檢測功能。MFRC522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，MFRC522模塊與MCU之間采用的是UART模式進行通訊的。
在電感耦合式射頻識別系統(tǒng)中，天線設計直接決定產品性能。本系統(tǒng)采用直接匹配的天線設計方式，分為發(fā)射電路、接收電路和天線及匹配電路。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的值由設計的天線來決定，為獲得良好性能，相關參數取值的選取還需經過天線的調諧過程。
MIFARE522RFID模塊可以自動讀取IC卡的ID號(即通電后，有IC卡靠近，就可自動讀取16進制的IC卡號，通過串口發(fā)出)，及通過發(fā)送命令操作RFID模塊讀寫卡(被動讀寫卡)功能。本RFID讀寫模塊默認情況下是通過發(fā)送命令讀寫卡的，若要設置成自動讀卡，需要將該模塊的J1接口的中間2個引腳(SWIM和GND)短接，然后給模塊通電，通電后只要有IC卡靠近，模塊就會自動讀卡，通過串口發(fā)出16進制的IC卡號。
2.4GSM無線通信模塊
系統(tǒng)中GSM模塊選用的是Simcom公司的SIM900A模塊，該模塊是一款內置TCP/IP協(xié)議棧的GSM/GPRS模塊，可以工作在EGSM900MHz和DCS1800MHz2個頻段，它可以自動地搜尋2個頻段，也可以通過AT命令來設置頻段。SIM900A支持GPRSmulti-slotclass10/class8(可選)和GPRS編碼格式CS-1，CS-2，CS-3，CS-4。
主要由GSM基帶、存儲器、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個非對稱的異步串行接口，一個用于通訊，另一個用于軟件調試。串口支持Modem設備，包含數據信號線TXD和RXD，狀態(tài)信號線RTS和CTS，控制信號線DTR、DCD、DSR和RI。串口可用于CSD傳真、GPRS服務、發(fā)送AT命令控制模塊。同樣也可以用于串口復用功能，SIM900A只支持基本的復用模式。SIM卡接口引腳為SIM_VDD，SIM_DATA(SIM卡數據I/O)，SIM_CLK，SIM_RST，SIM_PRESENCE(SIM卡檢測)。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，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提供一個串行LCD顯示接口，支持串行通訊的LCD顯示設備。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模塊和單片機之間的數據通訊是通過串口來實現(xiàn)的。
2.5GPS模塊
系統(tǒng)中GPS模塊選用ATK-NEO-6MGPS定位模塊。該模塊采用u-bloxNEO-6M模組，體積小，性能優(yōu)異;自帶MAXIM公司高增益(20.5dB)LAN芯片與高性能陶瓷天線結合，組成接收天線，搜星能力強，具有多達50個衛(wèi)星通道接收功能;自帶E2PROM，可通過串口進行各種參數設置，并可保存在E2PROM，使用方便;自帶IPX接口，可連接各種有源天線，適應能力強;兼容3.3V/5V電平，方便連接各種單片機系統(tǒng);自帶可充電后備電池，可掉電保持星歷數據。該模塊通信協(xié)議有：一種是NEMA-0183標準的串口數據傳輸協(xié)議;另一種是UBX標注的二進制數據傳輸協(xié)議[7]。本系統(tǒng)中，GPS模塊和單片機之間的數據通訊是通過串口來實現(xiàn)的。
3系統(tǒng)的軟件設計
系統(tǒng)的程序設計采用C語言設計，系統(tǒng)的軟件編程采用模塊化程序設計思想。系統(tǒng)的主程序作用主要是完成對各個模塊子程序的調用，從而實現(xiàn)整個系統(tǒng)功能的運行。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。串口初始化包括設置串口通信模式、通信波特率、打開串口中斷、啟動相應定時器等。串口初始化作用是將單片機的2個串口初始化為和GSM、GPS模塊相同數據格式，即一幀的數據格式為1個起始位、8個數據位、無奇偶校驗位、1個停止位，波特率固定為9600。GPS初始化是對各個GPS數據寄存器初始化，同時對串口接收到的GPS數據的完整性進行判斷，確認可視衛(wèi)星個數。GSM初始化包括開啟GSM模塊、發(fā)送AT聯(lián)機指令、設置GSM終端模式、設置新消息提醒、設置短信息模式、清空收件箱等操作。
3.2RFID模塊子程序
RFID模塊的作用是對用戶卡內的信息進行讀取，并將讀取的信息通過串口發(fā)送給單片機，單片機對用戶信息進行比對操作，若信息比對后確定用戶的合法性后，會控制繼電器打開相應的權限，比如打開車門或者開啟報警等。RFID模塊子程序包括：復位、認證權限和讀取用戶數據等。當有用戶卡進入到射頻天線的有效范圍，讀卡程序將開始一系列操作，將卡唯一的64位ID讀出，與E2PROM中的已存的ID進行比對，以確定車主的身份是否合法。
3.3GSM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系統(tǒng)傳感器采集的信息，向車主發(fā)送報警信息;另一種是車主向主控模塊發(fā)送控制信息，當收到信息時，主控模塊自動讀取新信息內容并判別信息來源及所含控制指令，主控模塊根據收到的指令完成相應的操作。
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準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)送短信主要根據標準AT指令集控制GSM模塊，在GSM初始化程序中已設置好GSM模塊的工作方式，發(fā)送短信時只需通過單片機串口1發(fā)送相關的指令和數據即可，發(fā)送的數據為TEXT格式。
接收短信程序也是在設置好GSM模塊工作方式的前提下，初始化中已經設置了收到信息提醒，當收到新信息時GSM模塊會自動傳回“+GMTI”的數據，根據串口是否接收到此數據來判斷是否收到新信息，當收到信息時再發(fā)送“AT+CMGR=1”，讀取收到的新信息內容，將收到的新信息做分析比對，如果是用戶號碼發(fā)來的相關控制指令則根據控制指令完成相應的操作，最后刪除該新信息，等待下一條信息到來。
3.4GPS模塊子程序
GPS模塊子程序主要功能是對GPS模塊輸出到單片機的數據流進行分析和讀取，以方便單片機對這些數據加以利用。GPS數據接收通過單片機的串口2來完成，當串口2收到的數據符合NMEA0183格式的字符時，解析程序根據數據信息中的特殊字符來分辨數據的類型，分別提取出時間、經度、緯度、日期等信息，然后將解析好的數據存放在不同的數據變量中。
GPS模塊輸出的數據以數據流為基本形式，每一秒更新一次。本系統(tǒng)只對GPRMC數據包進行解析，它的數據包內容是：$GPRMC，<1>，<2>，<3>，<4>，<5>，<6>，<7>，，<9>，<10>，<11>：UTC時間，格式為(時分秒)。時、分、秒均為2位。：定位情況，V表示無效定位，A表示有效定位。：緯度，格式為(度分)，需要把它轉換成度分秒的格式。：南北半球S(南半球)或者N(北半球)。：經度，格式為(度分)，經度的算法和緯度的算法一樣。：東西半球W(西經)或E(東經)。：地面速率，其單位是節(jié)，如果把它轉化成km/h，將取得的速度乘上1.85。：地面航向，是它偏離正北的角度。：UTC日期，格式為(日月年)。：磁偏角。<11>：校驗和。以上數據中，UTC時間代表的是世界時間，如果要換算成北京時間，需要將該值加上8h。
4結語
汽車防盜報警系統(tǒng)綜合應用了RFID技術、GSM技術和GPS技術，應用RFID技術作為第一重防盜，對車主身份進行識別;應用GSM和GPS技術作為第二重防盜，當車輛被盜時進行短信報警提示，通過GPS定位技術可準確、實時地了解車輛的狀態(tài)和位置等信息，以便車主能實時地對失竊車輛進行遠程監(jiān)控。該系統(tǒng)具有可靠性高、報警范圍廣、監(jiān)測定位精度高等優(yōu)點，在實際試用中取得很好的防盜效果，具有廣闊的應用前景。
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