汽車防盜報(bào)警監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

汽車日益成為人們生活中不可缺少的部分，然而，令汽車用戶擔(dān)憂的是車輛被盜現(xiàn)象呈逐年上升趨勢。本文旨在設(shè)計(jì)一個(gè)方便可靠，功能強(qiáng)大的汽車報(bào)警器。當(dāng)汽車遭遇到危險(xiǎn)情況時(shí)，立即啟動(dòng)警報(bào)，同時(shí)發(fā)送相應(yīng)信息到指定的手機(jī)上，通知車主有異常情況。車主可以通過手機(jī)監(jiān)聽車內(nèi)情況并控制汽車，以有效地防止汽車被盜。此外，若在車內(nèi)加一個(gè)緊急按鈕，不僅可以在車主遇到搶劫或其他危險(xiǎn)情況時(shí)，向外界求助，也可以幫助警方對(duì)車子進(jìn)行定位?？紤]到時(shí)間和成本問題，本文僅針對(duì)振動(dòng)信息的檢測、車輛信息的傳輸與控制問題進(jìn)行重點(diǎn)研究。

    振動(dòng)信息檢測

    圖1中，當(dāng)物體有向右的加速度時(shí)，由于慣性，中間擋板與電容板間距隨之變化，從而造成電容值的變化（也有通過改變電容板的面積實(shí)現(xiàn)電容變化的）。經(jīng)過后續(xù)開關(guān)電容、單位增益放大、電荷放大電路等一系列處理就可以得到與加速度信息成正比關(guān)系的電壓信號(hào)。系統(tǒng)采用的MMA7260QT加速度傳感器就是基于上述原理。

    傳統(tǒng)的防盜報(bào)警器側(cè)重于對(duì)瞬時(shí)振動(dòng)、沖擊的檢測，雖然可以識(shí)別出車門遭遇暴力打開的情況，但極易造成誤判報(bào)警（如附近的異響導(dǎo)致報(bào)警）。針對(duì)以上問題，本文采取了以下三點(diǎn)改進(jìn)措施：

    （1）增加了對(duì)車門打開動(dòng)作的檢測，提取車門打開時(shí)的加速度信息作為車輛被盜的依據(jù)之一。

    （2）適當(dāng)選取車門被暴力打開的特征時(shí)間，而不是單純依靠加速度峰值越界作為車輛被盜的依據(jù)。

    （3）增加了對(duì)車體傾斜角度的測量，防范拖車和整車搬運(yùn)等盜竊手段。

    車輛信息的傳輸與控制

    將傳統(tǒng)防盜報(bào)警技術(shù)與現(xiàn)代GSM數(shù)字移動(dòng)通信技術(shù)相結(jié)合，就可以實(shí)現(xiàn)車輛狀態(tài)監(jiān)控、調(diào)度、防盜報(bào)警、防劫報(bào)警、遠(yuǎn)程控制、跟蹤定位、車載電話等功能。系統(tǒng)采用SIEMENS公司的TC35i GSM Modem模塊，這樣就可以突破空間限制，將車輛信息通過GSM網(wǎng)絡(luò)傳送至全球各地。由于系統(tǒng)需要眾多功能模塊的支持，限于時(shí)間和成本問題，本文僅通過以下兩點(diǎn)驗(yàn)證了系統(tǒng)的可行性和實(shí)用性：

    （1）將車輛的當(dāng)前狀態(tài)發(fā)送到指定的手機(jī)上，要求能夠分辨出車輛被竊的信息來源：車門振動(dòng)、車輛傾角異常、非法人員進(jìn)入等。

    （2）手機(jī)發(fā)送指令到GSM Modem模塊上，要求只有設(shè)定的手機(jī)號(hào)碼才能得到系統(tǒng)的控制權(quán)，能夠區(qū)分不同的控制指令并執(zhí)行。

系統(tǒng)概述

    系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

    如圖2所示：以MC9S08QG8單片機(jī)為核心，輔以MMA7260QT加速度模塊、HOLUX GM－82 GPS模塊、TC35i GSM Modem模塊等功能模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車的實(shí)時(shí)監(jiān)控。電源部分?jǐn)M采用車載蓄電池做主電源；一旦主電源被切斷，即切換到內(nèi)置電池供電，進(jìn)入節(jié)能模式，有效工作達(dá)數(shù)月以上。

系統(tǒng)硬件

    MC9S08QG8單片機(jī)及其外圍電路

    該型號(hào)單片機(jī)是Freescale公司主推的8位單片機(jī)，它的幾項(xiàng)內(nèi)置功能與汽車防盜報(bào)警系統(tǒng)的要求正好吻合，所以用它作系統(tǒng)核心。

    單片機(jī)的最小系統(tǒng)使用Synhayato公司的CT298開發(fā)板。基板主要由以下幾部分組成：單片機(jī)（MC9S08QG8）、USB-mini B型連接器、電源和復(fù)位開關(guān)、USB-COM轉(zhuǎn)換器（FT232R）、BDM工具連接頭、輸入輸出器件（按鈕鍵，LED燈，蜂鳴器）、MM-2860用插座、外部擴(kuò)展連接槽（柵距為1mm、16引腳扁電纜連接槽）和測試端口。

    MMA7260QT加速度模塊及其外圍電路

    現(xiàn)代汽車的防盜系統(tǒng)通常采用對(duì)車體的沖擊、振動(dòng)監(jiān)測的方式預(yù)警，常用的器件多為磁效應(yīng)傳感器。由于磁效應(yīng)加速度傳感器自身的一些問題，會(huì)使得后續(xù)信號(hào)處理電路和微控制器接口電路復(fù)雜，致使系統(tǒng)報(bào)警的可靠性降低，誤報(bào)率較高。另外，對(duì)付拖車或整車搬運(yùn)最有效的方法是對(duì)車體的傾斜角度進(jìn)行監(jiān)測，而磁效應(yīng)傳感器無法測量靜態(tài)加速度，不能對(duì)車體的傾斜角度進(jìn)行測量。MMA7260QT是Freescale公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的單芯片集成三軸加速度傳感器，它可以對(duì)車體微小振動(dòng)和整車的傾斜角度同時(shí)進(jìn)行監(jiān)測。將其應(yīng)用于汽車防盜系統(tǒng)不但擴(kuò)大了系統(tǒng)的監(jiān)測范圍，而且簡化了系統(tǒng)，提高了防盜系統(tǒng)報(bào)警的可靠性。

    MMA7260Q的內(nèi)部模塊結(jié)構(gòu)是在單一芯片上集成三個(gè)相互獨(dú)立、測量方向相互垂直的敏感元的測量模塊，是由多晶硅微加工表面工藝制成的電容式加速度傳感器；由硅片表面的彈性結(jié)構(gòu)支撐起的質(zhì)量塊下面貼附電容的一個(gè)極板，電容的另一極板固定。當(dāng)加速度引起質(zhì)量塊的相對(duì)位置變化時(shí)，電容值也發(fā)生變化，然后經(jīng)過電容電壓轉(zhuǎn)化電路和放大濾波電路后輸出與加速度成正比的電壓信號(hào)。

    TC35i GSM Modem模塊

    TC35i 是Siemens公司推出的新一代GSM通信模塊。TC35i無線模塊尺寸小巧，安裝設(shè)計(jì)靈活，易于集成且功耗低。模塊有AT命令集接口，支持文本和PDU模式的短消息、第三組的二類傳真、以及2.4k、4.8k、9.6k的非透明模式。TC35i模塊主要由GSM基帶處理器、GSM射頻模塊、供電模塊(ASIC)、閃存、ZIF連接器、天線接口六部分組成。作為TC35i的核心，基帶處理器主要處理GSM終端內(nèi)的語音、數(shù)據(jù)信號(hào)，并涵蓋了蜂窩射頻設(shè)備中的所有的模擬和數(shù)字功能。在不需要額外硬件電路的前提下，可支持FR、HR和EFR語音信道編碼。

    其它輔助電路

    除了上述主要功能電路外，系統(tǒng)還包括一些輔助電路。它們主要是：3.3V穩(wěn)壓電源（CT-298開發(fā)板上的穩(wěn)壓電源提供的電流有限，不能負(fù)擔(dān)整個(gè)系統(tǒng)的供電），由TI公司的TLV2217-33 LDO和一些電容構(gòu)成，能夠提供500mA的電流；串口電平轉(zhuǎn)化電路（方便與TC35i進(jìn)行連接通信），主要由MAXIM公司的MAX3232構(gòu)成，提供TTL電平與232C電平的轉(zhuǎn)化；LED指示燈驅(qū)動(dòng)電路以及按鍵電路等。

系統(tǒng)軟件

    系統(tǒng)軟件的整體設(shè)計(jì)思路

    系統(tǒng)主要包含四種工作狀態(tài)：停車狀態(tài)、行駛狀態(tài)、被盜狀態(tài)和被搶狀態(tài)。單片機(jī)首先判別停車狀態(tài)和行駛狀態(tài)，這主要依靠密鑰識(shí)別技術(shù)實(shí)現(xiàn)。密鑰識(shí)別有很多種，本文設(shè)想采用射頻識(shí)別技術(shù)（RFID，Radio Frequency Identification）。它的基本原理是利用射頻方式進(jìn)行非接觸雙向通信，以達(dá)到識(shí)別目的，并交換數(shù)據(jù)。RFID系統(tǒng)的射頻卡和讀卡器之間不用接觸就可完成識(shí)別，通過對(duì)RFID卡進(jìn)行讀寫操作，可實(shí)現(xiàn)對(duì)各類物體或設(shè)備（人員、物品）在不同狀態(tài)（移動(dòng)、靜止或惡劣環(huán)境）下的自動(dòng)識(shí)別和管理。RFID卡可存儲(chǔ)128字節(jié)的數(shù)據(jù)，前4字節(jié)為ID號(hào)，該ID號(hào)是全球唯一的，可作為車主身份識(shí)別標(biāo)志，剩余字節(jié)可用于存儲(chǔ)一些輔助的校驗(yàn)信息。

    在停車模式下，單片機(jī)會(huì)依次檢測振動(dòng)信息、傾角信息、車門信息、點(diǎn)火信息、人員信息是否正常，系統(tǒng)將綜合上述信息判斷車輛狀態(tài)。如果判斷結(jié)論為車輛被盜，則系統(tǒng)進(jìn)入被盜模式。系統(tǒng)會(huì)首先將信息發(fā)送給車主，然后將控制權(quán)交予車主，車主可以查詢車輛的位置、車內(nèi)的人員信息，還可以進(jìn)行啟動(dòng)高分貝聲光報(bào)警，關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)、斷油斷電等操作。如果結(jié)論是車輛正常，則系統(tǒng)回到起始狀態(tài)，再次循環(huán)。在行駛模式下，系統(tǒng)將不斷查詢求救按鈕是否按下，一旦求救按鈕按下，車輛將進(jìn)入被搶模式。系統(tǒng)會(huì)首先將信息發(fā)送到指定的手機(jī)號(hào)碼上（例如車主朋友），然后控制權(quán)交予控制中心（通過指定的手機(jī)號(hào)碼），控制中心同樣可以執(zhí)行上述控制操作。

    振動(dòng)、傾角信息的提取和判別

    由上文可知，我們需要從加速度信息中提取出以下三種信息：撬鎖時(shí)車體振動(dòng)、車門打開時(shí)的加速度信號(hào)、車輛的傾角變化。它們的波形如圖3所示，在正常情況下，如圖中的平穩(wěn)區(qū)所示，X、Y、Z三個(gè)方向的加速度基本不變（但是有輕微的擾動(dòng)）。有人撬鎖時(shí)，加速度值會(huì)出現(xiàn)一個(gè)減幅震蕩的過程，震蕩的周期很短，只有十幾毫秒。而在車門打開的過程中，加速度值會(huì)出現(xiàn)一個(gè)很大的變化，并且持續(xù)的時(shí)間較長，能達(dá)到上百毫秒。

經(jīng)分析我們可以發(fā)現(xiàn)，撬鎖振動(dòng)和車門打開時(shí)的加速度值都與加速度變化的速度有關(guān)，更適合用差分來表示；傾角的變化只與加速度值變化的大小有關(guān)，而與變化的速度無關(guān)，可以直接用當(dāng)前的加速度來表示。針對(duì)聲波振動(dòng)所造成的誤報(bào)，本文采用兩種辦法：由于聲波振動(dòng)的頻率遠(yuǎn)高于撬鎖振動(dòng)的頻率，適當(dāng)降低ADC的采樣頻率就可以濾去大部分，系統(tǒng)的采樣頻率是1000Hz；若干項(xiàng)相鄰差分值加權(quán)平均，這相當(dāng)于低通濾波的作用，也可以濾除聲波造成的振動(dòng)，系統(tǒng)采用3項(xiàng)加權(quán)平均。假設(shè)ADC采樣量化后的值為

    A=a(1)+…+a(i-1)+a(i)+a(i+1)+…

    加權(quán)系數(shù)為M1、M2、M3，

    則加權(quán)平均處理的公式為b(i)=[M1*a(i-1)+M2*a(i)+M3*a(i+1)]/(M1+M2+M3)

    對(duì)于傾角的檢測通過現(xiàn)在的加速度值與平穩(wěn)狀態(tài)下的加速度值作差得到，設(shè)初始加速度值為a(0)，則當(dāng)a(i)-a(0)的絕對(duì)值大于設(shè)定值時(shí)即可認(rèn)為傾角變化超標(biāo)，啟動(dòng)報(bào)警。ADC初始化的部分程序如下：

    車輛信息的傳輸與控制

    車輛信息的傳輸與控制主要依靠的是Siemens公司的TC35i GSM Modem模塊。單片機(jī)通過串口對(duì)TC35i寫AT指令，從而達(dá)到信息的傳輸與接收的目的。

單片機(jī)控制TC35i收發(fā)信息的主要程序如下：

    MC9S08QG8單片機(jī)編程注意事項(xiàng)

    MC9S08QG8單片機(jī)不同于一般的51單片機(jī)，在編程時(shí)有一些值得注意的地方，特列舉如下：

    1) SOPT1寄存器寫入問題：SOPT1是一個(gè)單次寫入寄存器，每次復(fù)位后只能寫一次。所以它的每個(gè)位要一次寫入，而不能分多次寫。比如下面語句

則單片機(jī)只認(rèn)為第一條指令有效，而后面的語句無效。這樣就造成外部中斷復(fù)位腳可用，看門狗定時(shí)器卻不能關(guān)閉。應(yīng)該寫成以下形式 

             
    2)片內(nèi)起振狀態(tài)下ICS Trim Register(ICSTRM)寄存器一定要設(shè)置。這個(gè)寄存器就是用來調(diào)節(jié)內(nèi)部振蕩器的時(shí)鐘頻率的，因?yàn)閮?nèi)部振蕩器是采用半導(dǎo)體工藝制成的，不同芯片的振蕩頻率會(huì)有偏差，Trim寄存器就用來調(diào)整這個(gè)偏差。調(diào)整值一般在出廠時(shí)就寫在芯片的固定位置上了，直接使用即可。但是BDM調(diào)試時(shí)會(huì)根據(jù)設(shè)定的頻率對(duì)其進(jìn)行調(diào)整（可能與上電復(fù)位的初始值不同），將造成時(shí)鐘頻率微小改變，從而BDM調(diào)試狀態(tài)與掉電復(fù)位后的時(shí)鐘頻率不同，在SCI通信時(shí)造成波特率不準(zhǔn)。