基于RFID的網絡式汽車安防系統設計

引言

　　隨著國民經濟的飛速發展，汽車被盜事件越來越多，汽車的安全保護技術己經引起廣泛重視。汽車防盜器主要分為4大類：機械式、電子式、芯片式和網絡式。電子式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展方向。射頻識別（RadioFrequencyIdentification,RFID）技術通過射頻信號自動識別目標對象并獲取相關數據，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（GlobalSystemforMobileCommunications,GSM）是目前移動通信體制中最為成熟、應用廣泛的一種系統，能保證信息傳輸的實時性、安全性和可靠性，主要用于遠程控制。本文結合芯片式和網絡式防盜技術，利用RFID和GSM技術各自的特點，設計出新型的汽車安防系統，是汽車安全領域值得推廣的一項智能化舉措。

　　1 系統原理

　　系統主要由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。

圖1 系統結構圖

　　1.1 控制器部分

　　系統以單片機為核心，包括監控電路（檢測汽車的狀態），矩陣鍵盤，執行機構，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，并向車內的主控制器（ElectronicControlUnit,ECU）發出報警信號，由主控制器控制繼電器切斷點火電路和油路，同時向車主發出求救短信，由車主控制汽車。主人可以隨意設置控制汽車的優先級，是MCU,或是ECU,還是HOST（主人）。

　　1.2 射頻識別部分

　　射頻識別系統一般由3個部分組成，即天線、電子標簽和讀寫器。RFID系統的工作原理如下：讀寫器將要發送的信號，經編碼后加載在某一頻率的載波信號上經天線向外發送，進入讀寫器工作區域的電子標簽接收此脈沖信號，卡內芯片中的有關電路對此信號進行調制、解碼、解密，然后對命令請求、密碼、權限等進行判斷。若為讀命令，控制邏輯電路則從存儲器中讀取有關信息，經加密、編碼、調制后通過卡內天線再發送給讀寫器，讀寫器對接收到的信號進行解調、解碼、解密后送至中央信息系統進行有關數據處理；若為修改信息的寫命令，有關控制邏輯引起的內部電荷泵提升工作電壓，提供擦寫E2PROM中的內容進行改寫，若經判斷其對應的密碼和權限不符，則返回出錯信息。

　　當一個具有正確識別碼的鑰匙插入點火開關后，汽車才能用正確的方式進行啟動。當點火開關關閉時，讀寫器輸出1個13 56MHz的充電脈沖到車鑰匙頂部的標簽里。標簽接收到這個脈沖信號后就給電容器充電。從而使應答器發射l個特定的代碼至讀寫器，信號的傳輸就發生在讀寫器的天線和標簽的天線之間。讀寫器的控制模塊對此信號進行解碼并把它與存儲在微處理器內存中的代碼進行比較。如果相同，控制模塊便啟動發動機的控制程序和點火開關；只要有一位不相同，系統就會發出相應的報警信息。

　　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、射頻處理、基帶處理并提供標準接口的功能模塊。GSM模塊具有發送SMS短信、語音通話、GPRS數據傳輸等基本功能。

　　開發人員使用微控制器通過RS232串口與GSM模塊通信，使用標準的AT命令來控制GSM模塊實現各種無線通信功能，例如：發送短信、撥打電話、GPRS撥號上網等。這里主要采用模塊的短信功能，來實現遠程遙控，成本低廉，實時性好。

　　2 硬件設計

　　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。內置真數據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10MIPS（16MHz）。監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,執行機構是繼電器，CAN總線驅動接口采用PCA82C250,電源轉換模塊LM7805以及AS1117,由于系統需要3種電壓，12V、5V、3 3V,故通過穩壓器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,當突然掉電時，將單片機掉電前瞬間的狀態信息保存到E2PROM中，以備重新上電時讀取，當電源電壓過低時也會產生一個復位脈沖，防止程序跑飛。

2.2 射頻接口電路

　　NXP公司的Mifare卡現在是市場的主流。MFRC522是NXP公司針對“三表”應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議。MFRC522支持ISO14443A所有的層，傳輸速度最高達424kbps.數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，給終端設計提供了前所未有的靈活性。

　　由于MFRC522支持的數字接口形式多種多樣，芯片在每次復位時都會檢測外部引腳連接關系。除了通用的4條SPI信號線（時鐘線SCK、輸入數據線MOSI、輸出數據線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，只起設定MFRC522數字界面采用SPI接口的作用。另外，片選信號保證在寫入數據流期間為低電平，而在無數據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。

圖2 射頻接口電路圖

　　2. 3 GSM接口電路

　　本系統的GSM模塊選用Simcom公司的GSM900/1800MHz網絡雙頻模塊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卡與模塊時鐘和數據的通訊線，SIM_RST,VCC為復位口和電源；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模塊之間進行收發的；除此之外，GSM模塊還包括系統語音通道和MIC通道，這兩個通道是MCU通過AT指令進行切換的，主要運用于放到監控器中系統語音和麥克風之間的切換；最后還有雙音多頻（DualToneMultiFrequency,DTMF）信號的發送端口IN+和IN-,當用戶和放到監控器的車載電話處于通話狀態時，如果有按鍵行為，這時所產生的DTMF信號就是通過IN+和IN-發送到雙音多頻解碼芯片解析并產生Q信號的，此時，MCU根據Q信號來決定該如何進行操作。

　　3 軟件設計

　　安防系統控制軟件需要完成傳感信號檢測、車主身份識別、收發短消息、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，處于低功耗的待機狀態。一有中斷，就結束閑置方式在中斷服務子程序中對引起中斷的事件作相應的處理，并使相應的標志位置位，在中斷結束后，程序將根據標志位的狀態去執行各自相應的處理程序。采用模塊化編程思想，防盜系統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

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

圖3 主程序流程圖

3.2 身份識別流程

　　STM8A首先對MFRC522進行初始化配置，寄存器設置好后MFRC522就可以接收MCU的命令執行操作，實現與Mifare卡片通信。Mifare卡可以根據接收到的指令進行相應操作。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：