試論RFID和GSM的汽車防盜報警系統設計論文
隨著電子資訊科技、感測器技術、無線通訊技術和全球衛星定位技術的飛速發展，汽車防盜系統正在向多功能化、網路化、視覺化和便捷化方向發展。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、晶片式和網路式。電子防盜是目前應用最多的防盜方式，而晶片式的數碼防盜和網路式防盜則是汽車防盜技術的發展方向。射頻識別RFID技術又稱電子標籤，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技術和成熟的遠端控制GSM及GPS技術，設計出一個汽車防盜報警系統，該系統突破了距離的限制，覆蓋範圍廣，可用於實時高精度監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系統功能與總體方案
1.1系統功能
按照網路式智慧化汽車防盜系統的功能要求和汽車防盜報警系統特點，總體功能要求如下：
(1)應用RFID技術作為第一重防盜，系統透過RFID模組對車主進行識別。如果識別正確，車門將會開啟，否則，車門將不會開啟;
(2)系統可以識別車主的資訊，以辨別控制資訊是否為真正的車主傳送。車主可以修改辨別控制資訊，以便更換手機號碼後進行修改;
(3)當非法分子透過暴力手段盜走車輛後，車主可透過傳送簡訊程式碼對車輛進行切斷主電路，使車輛無法繼續正常行駛和控制車輛發回車輛當前的地理位置資訊，以便車主和公安機關迅速找到失竊車輛的控制。
1.2系統總體方案
根據系統的功能要求，所設計的汽車防盜報警系統的總體結構框圖如圖1所示。系統主要由外部資訊檢測單元、MCU主控和執行單元組成。外部資訊檢測單元由車輛震動感測器、RFID使用者資訊讀取單元、GPS車輛位置資訊讀取單元組成。MCU主控和執行單元主要由微控制器、GSM簡訊無線收發模組，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的通斷。
外部資訊檢測單元獲得車輛資訊透過UART介面與主控單元進行資料交流，主控中心對獲得的車輛資訊解析為使用者可識別的資訊，再根據GSM模組獲得的控制指令將做出相應的控制動作。
根據系統功能要求，設計了使用者刷卡進入、修改控制密碼、修改使用者控制號碼、關閉和開啟汽車主電路、自動返回車輛位置資訊(經度、緯度、海拔、運動速度等)和控制系統報警等軟體功能。
2系統的硬體設計
2.1電源模組
穩定可靠的電源是整個系統可靠穩定執行的前提條件。本系統中主要模組：MCU模組、GSM模組、GPS模組、RFID模組、LCD模組，它們的供電電源均為5V。而汽車採用12V電壓的蓄電池作為供電電源，因此，本系統需要設計一個將汽車蓄電池12V電壓降為5V電壓的電源模組。
系統電源模組採用LM7805三端穩壓器晶片，其有一系列固定的電壓輸出。由它組成的穩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，就能提供大於1.5A的輸出電流。
2.2主控模組
系統主控模組包括微控制器、復位電路、外部晶振電路，其中微控制器採用STC12C5A60S2新一代8051微控制器，指令程式碼完全相容傳統8051，但速度快8～12倍。有32個外部雙向I/O口，1280位元組RAM，有E2PROM功能，內部整合MAX810專用復位電路，4個16位定時器，7路外部中斷I/O口，通用全雙工非同步序列口(UART)，雙串列埠，具有ISP/IAP編譯器，可透過串列埠直接下載使用者程式，無需專用的下載器。
2.3RFID模組
系統中RFID模組選用的是MIFARE522模組，該模組的硬體電路主要包涵主控晶片和MFRC522晶片，MFRC522是與射頻IC卡實現無線通訊的核心部件，也是讀寫器讀寫Mifare卡的關鍵介面晶片，是目前用於13.56MHz頻段的非接觸式通訊的主流讀卡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晶片，是智慧儀表的較好選擇。該晶片採用先進的調製和解調技術，集成了13.56MHz頻段所有型別的被動非接觸式通訊方式和協議，並支援ISO14443A所有的層，傳輸速度最高可達424kb/s，內部的傳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，用於處理ISO14443A相容的應答器訊號。數字處理部分提供奇偶和CRC檢測功能。MFRC522具有3種介面方式可方便地與任何MCU通訊：SPI模式、UART模式、I2C模式。本系統中，MFRC522模組與MCU之間採用的是UART模式進行通訊的。
在電感耦合式射頻識別系統中，天線設計直接決定產品效能。本系統採用直接匹配的天線設計方式，分為發射電路、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組成的發射濾波電路中的元件引數一般採用推薦值，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，為獲得良好效能，相關引數取值的選取還需經過天線的調諧過程。
MIFARE522RFID模組可以自動讀取IC卡的ID號(即通電後，有IC卡靠近，就可自動讀取16進位制的IC卡號，透過串列埠發出)，及透過傳送命令操作RFID模組讀寫卡(被動讀寫卡)功能。本RFID讀寫模組預設情況下是透過傳送命令讀寫卡的，若要設定成自動讀卡，需要將該模組的J1介面的中間2個引腳(SWIM和GND)短接，然後給模組通電，通電後只要有IC卡靠近，模組就會自動讀卡，透過串列埠發出16進位制的IC卡號。
2.4GSM無線通訊模組
系統中GSM模組選用的是Simcom公司的SIM900A模組，該模組是一款內建TCP/IP協議棧的GSM/GPRS模組，可以工作在EGSM900MHz和DCS1800MHz2個頻段，它可以自動地搜尋2個頻段，也可以透過AT命令來設定頻段。SIM900A支援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、儲存器、GSM射頻、天線介面、電源介面、音訊介面、SIM卡介面、UART介面、LCD介面和GPIO/鍵盤介面幾部分組成。SIM900A提供2個非對稱的非同步序列介面，一個用於通訊，另一個用於軟體除錯。串列埠支援Modem裝置，包含資料訊號線TXD和RXD，狀態訊號線RTS和CTS，控制訊號線DTR、DCD、DSR和RI。串列埠可用於CSD傳真、GPRS服務、傳送AT命令控制模組。同樣也可以用於串列埠複用功能，SIM900A只支援基本的複用模式。SIM卡介面引腳為SIM_VDD，SIM_DATA(SIM卡資料I/O)，SIM_CLK，SIM_RST，SIM_PRESENCE(SIM卡檢測)。此外，該模組提供一路模擬音訊輸入通道可以用於連線麥克風，提供一路音訊輸出通道可以用於連線喇叭。音訊介面引腳分別為MIC_P，MIC_N，SPK_P，SPK_N，LINEIN_R，LINEIN_L。SIM900A提供一個序列LCD顯示介面，支援序列通訊的LCD顯示裝置。SIM900A的鍵盤介面包含了5列鍵盤輸出和5行鍵盤的輸入。本系統中，SIM900A模組和微控制器之間的資料通訊是透過串列埠來實現的。
2.5GPS模組
系統中GPS模組選用ATK-NEO-6MGPS定位模組。該模組採用u-bloxNEO-6M模組，體積小，效能優異;自帶MAXIM公司高增益(20.5dB)LAN晶片與高效能陶瓷天線結合，組成接收天線，搜星能力強，具有多達50個衛星通道接收功能;自帶E2PROM，可透過串列埠進行各種引數設定，並可儲存在E2PROM，使用方便;自帶IPX介面，可連線各種有源天線，適應能力強;相容3.3V/5V電平，方便連線各種微控制器系統;自帶可充電後備電池，可掉電保持星曆資料。該模組通訊協議有：一種是NEMA-0183標準的'串列埠資料傳輸協議;另一種是UBX標註的二進位制資料傳輸協議[7]。本系統中，GPS模組和微控制器之間的資料通訊是透過串列埠來實現的。
3系統的軟體設計
系統的程式設計採用C語言設計，系統的軟體程式設計採用模組化程式設計思想。系統的主程式作用主要是完成對各個模組子程式的呼叫，從而實現整個系統功能的執行。系統的模組子程式主要包括：初始化程式、RFID模組子程式、GSM模組子程式、GPS模組子程式和LCD顯示子程式等。
3.1初始化程式
系統的初始化程式主要包括串列埠初始化、LCD初始化、GPS初始化和GSM初始化4部分。串列埠初始化包括設定串列埠通訊模式、通訊波特率、開啟串列埠中斷、啟動相應定時器等。串列埠初始化作用是將微控制器的2個串列埠初始化為和GSM、GPS模組相同資料格式，即一幀的資料格式為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資料暫存器初始化，同時對串列埠接收到的GPS資料的完整性進行判斷，確認可視衛星個數。GSM初始化包括開啟GSM模組、傳送AT聯機指令、設定GSM終端模式、設定新訊息提醒、設定簡訊息模式、清空收件箱等操作。
3.2RFID模組子程式
RFID模組的作用是對使用者卡內的資訊進行讀取，並將讀取的資訊透過串列埠傳送給微控制器，微控制器對使用者資訊進行比對操作，若資訊比對後確定使用者的合法性後，會控制繼電器開啟相應的許可權，比如開啟車門或者開啟報警等。RFID模組子程式包括：復位、認證許可權和讀取使用者資料等。當有使用者卡進入到射頻天線的有效範圍，讀卡程式將開始一系列操作，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模組子程式
簡訊的傳送與接收由GSM模組完成，簡訊可分2種：一種是主控模組根據系統感測器採集的資訊，向車主傳送報警資訊;另一種是車主向主控模組傳送控制資訊，當收到資訊時，主控模組自動讀取新資訊內容並判別資訊來源及所含控制指令，主控模組根據收到的指令完成相應的操作。
GSM模組子程式包括GSM初始化、傳送短訊息、接收短訊息3部分，傳送接收訊息均按照標準AT指令操作。GSM模組子程式中傳送簡訊的流程如圖5所示。傳送簡訊主要根據標準AT指令集控制GSM模組，在GSM初始化程式中已設定好GSM模組的工作方式，傳送簡訊時只需透過微控制器串列埠1傳送相關的指令和資料即可，傳送的資料為TEXT格式。
接收簡訊程式也是在設定好GSM模組工作方式的前提下，初始化中已經設定了收到資訊提醒，當收到新資訊時GSM模組會自動傳回“+GMTI”的資料，根據串列埠是否接收到此資料來判斷是否收到新資訊，當收到資訊時再發送“AT+CMGR=1”，讀取收到的新資訊內容，將收到的新資訊做分析比對，如果是使用者號碼發來的相關控制指令則根據控制指令完成相應的操作，最後刪除該新資訊，等待下一條資訊到來。
3.4GPS模組子程式
GPS模組子程式主要功能是對GPS模組輸出到微控制器的資料流進行分析和讀取，以方便微控制器對這些資料加以利用。GPS資料接收透過微控制器的串列埠2來完成，當串列埠2收到的資料符合NMEA0183格式的字元時，解析程式根據資料資訊中的特殊字元來分辨資料的型別，分別提取出時間、經度、緯度、日期等資訊，然後將解析好的資料存放在不同的資料變數中。
GPS模組輸出的資料以資料流為基本形式，每一秒更新一次。本系統只對GPRMC資料包進行解析，它的資料包內容是：$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)，經度的演算法和緯度的演算法一樣。：東西半球W(西經)或E(東經)。：地面速率，其單位是節，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。以上資料中，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，當車輛被盜時進行簡訊報警提示，透過GPS定位技術可準確、實時地瞭解車輛的狀態和位置等資訊，以便車主能實時地對失竊車輛進行遠端監控。該系統具有可靠性高、報警範圍廣、監測定位精度高等優點，在實際試用中取得很好的防盜效果，具有廣闊的應用前景。