基于GPS和GSM網(wǎng)絡(luò)的新型汽車防盜系統(tǒng)

摘要：在對(duì)目前各種常規(guī)汽車防盜裝置的不足進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種基于GPS和GSM網(wǎng)絡(luò)的嵌入式汽車防盜系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于CC2430微處理器進(jìn)行開發(fā)，采用ZigBee技術(shù)在車輛內(nèi)部建立無線傳感網(wǎng)絡(luò)，能夠在汽車被盜走、破壞以及防盜系統(tǒng)被部分破壞的情況下，將相關(guān)信息發(fā)送到車主預(yù)先設(shè)定的手機(jī)等通信設(shè)備，以實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車的跟蹤和監(jiān)控。
關(guān)鍵詞：汽車防盜；GPS；GSM；Ziglbee技術(shù)；無線局域網(wǎng)

    隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，汽車作為重要的交通工具正在迅猛增加，隨之而來的汽車被盜事件也日趨增多。目前汽車防盜設(shè)備主要有機(jī)械式防盜器、電子式防盜系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)式防盜系統(tǒng)。它們之間各有優(yōu)劣，但其發(fā)展趨勢(shì)是向智能程度高的網(wǎng)絡(luò)式方向發(fā)展。20世紀(jì)60年代以來，電子信息技術(shù)的飛速發(fā)展使電子信息技術(shù)、傳感器技術(shù)、數(shù)據(jù)通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)處理技術(shù)等有效地應(yīng)用于汽車防盜技術(shù)，促進(jìn)了汽車防盜技術(shù)的高度智能化和功能多樣化。國(guó)內(nèi)已有部分高校、公司開發(fā)了相關(guān)的產(chǎn)品。但從文獻(xiàn)可以看出，汽車防盜技術(shù)仍存在監(jiān)控盲區(qū)、易被破壞和信號(hào)易受干擾等缺陷。
    基于GPS(Global Positioning System)和GSM(Global Systern for Mobile Communications)網(wǎng)絡(luò)的汽車防盜系統(tǒng)，以其高度的智能化，先進(jìn)的監(jiān)控技術(shù)，依托監(jiān)控中心進(jìn)行對(duì)汽車的定位及報(bào)警，在經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的大中城市已被廣泛采用。然而在中小城市，廉價(jià)、可靠的汽車防盜系統(tǒng)卻有待開發(fā)。本項(xiàng)目采用GPS和GSM網(wǎng)絡(luò)，開發(fā)一種較為廉價(jià)、更加可靠的汽車防盜系統(tǒng)。該系統(tǒng)能在汽車被盜走、破壞以及防盜系統(tǒng)被部分拆卸的情況下，將相關(guān)信息發(fā)送到車主預(yù)先設(shè)定的手機(jī)等通信設(shè)備，以實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車狀況的了解和跟蹤。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
    基于GPS和GSM的新型汽車防盜系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖l所示。該系統(tǒng)由車載設(shè)備、控制設(shè)備和顯示設(shè)備構(gòu)成。車載設(shè)備以GPS模塊和GSM模塊為核心，各模塊在車輛內(nèi)部組成zigBee無線局域網(wǎng)，主要功能是監(jiān)測(cè)車輛狀況、采集車輛位置信息并將信息發(fā)送給控制設(shè)備?？刂圃O(shè)備采用嵌入式系統(tǒng)與GSM模塊結(jié)合，并與顯示設(shè)備連接，主要功能是發(fā)送用戶命令、接收和處理遠(yuǎn)程端的數(shù)據(jù)、并將數(shù)據(jù)送給顯示設(shè)備。顯示設(shè)備為用戶的PC機(jī)或便攜式筆記本等，主要功能是顯示車輛的實(shí)時(shí)位置，并跟蹤車輛行駛路徑。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
2．1 車載設(shè)備
    車載設(shè)備由多個(gè)GPS模塊、GSM模塊和ZigBee無線模塊組成，各模塊通過ZigBee模塊無線連接，如圖2所示。

2．1．1 ZigBee模塊
    ZigBee是一種短距離、低速率、低功耗、低成本和低復(fù)雜度的無線傳輸技術(shù)。它工作在無需注冊(cè)的2．4 GHz ISM頻段，傳輸速率為100～250 Kb／s，傳輸距離為10～75 m。TI／Chipcon公司的CC2430內(nèi)部集成有8051微控制器核和符合IEEE802．15．4標(biāo)準(zhǔn)的2．4 GHz的RF無線電收發(fā)機(jī)，還具有128 KG可編程閃存和8 KG的RAM。系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理程序運(yùn)行在這個(gè)芯片上。ZigBee無線模塊由CC2430芯片、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、電源電路、天線及相應(yīng)外圍電路組成，為了增強(qiáng)模塊的抗干擾能力。在PCB電路板上增加了一個(gè)防護(hù)罩。
2．1．2 GPS接收模塊
    選用SR-87型串口GPS接收模塊，具有高靈敏度、高性能的SiRF StarⅢ導(dǎo)航芯片，最多可同時(shí)接收20個(gè)衛(wèi)星，提供快速定位和l Hz數(shù)據(jù)更新速率。該模塊支持NMEA0183．22通信協(xié)議，輸出SiRF二位編碼，能夠快速啟動(dòng)(冷，暖，熱開機(jī)時(shí)間分別為42，28，1 s)。并提供小于10 m的二維定位精度，適合車載GPS設(shè)備的要求。SR-87的2、3引腳為數(shù)據(jù)輸出與輸入端，分別連接CC2430的17、18引腳，6引腳為狀態(tài)指示端，當(dāng)輸出有效的GPS數(shù)據(jù)時(shí)，該端輸出脈沖信號(hào)，外接LED予以指示。模塊的5引腳和外殼要同時(shí)接地。
2．1．3 GSM通信模塊
    系統(tǒng)采用Siemens公司的新一代無線通信模塊TC35i，配合相應(yīng)的外圍電路可實(shí)現(xiàn)SMS消息服務(wù)功能。TC35i共有40個(gè)引腳。通過ZIF連接器分別與電源、啟動(dòng)和關(guān)閉、SIM卡、數(shù)據(jù)通信、狀態(tài)指示等電路連接。模塊上電后，需在其15引腳(啟動(dòng)引腳)加時(shí)長(zhǎng)至少為100 ms的低電平信號(hào)，才能啟動(dòng)。啟動(dòng)后該引腳應(yīng)保持高阻抗?fàn)顟B(tài)。
    TC35i的數(shù)據(jù)接口采用串行異步收發(fā)，符合ITU-T RS-232接口電路標(biāo)準(zhǔn)，工作在CMOS電平(2．65 V)。數(shù)據(jù)接口配置為8位數(shù)據(jù)位、1位停止位、無校驗(yàn)位，可以在300～115Kb／s的波特率下運(yùn)行，支持的自動(dòng)波特率為4．8～115 Kb／s(14．4 Kb／s和28．8 Kb／s除外)。
    TC35i模塊還支持RTS0／CTSO的硬件握手和XON／XOFF的軟件流控制。模塊的第18、19引腳為串口數(shù)據(jù)發(fā)送和接收端口，與CC2430的P02、P03連接(如圖3)。此外，TC35i在發(fā)射時(shí)，瞬時(shí)電流可達(dá)到2 A，而此時(shí)的電壓降不能超過0．4 V，否則模塊將自動(dòng)關(guān)閉。

2．2 控制設(shè)備
    ATMEGAl28有2個(gè)串行異步收發(fā)接口，工作在COMS電平，一接口可與TC35i的數(shù)據(jù)接口直接連接，另一接口經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換電路與PC串口連接。在相應(yīng)外部電路的配合下。構(gòu)成控制臺(tái)，如圖4所示。微處理器ATMEGAl28通過串口讀取TC35i中的數(shù)據(jù)，經(jīng)過處理后再通過另一串口發(fā)送給PC?？刂瓢存I產(chǎn)生中斷信號(hào)，作為用戶指令，控制數(shù)據(jù)收發(fā)?？刂破鞯墓ぷ鳡顟B(tài)由狀態(tài)指示電路顯示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
3．1 GPS數(shù)據(jù)處理
    SR-87型GPS數(shù)據(jù)接收模塊支持NMEA0183的通信標(biāo)準(zhǔn)，輸出4條語句$GPGGA，$GPGSA，$GPRMC，$GPVTG。$GPRMC是標(biāo)準(zhǔn)推薦的輸出語句，該語句包含UTC時(shí)間、接收狀態(tài)、經(jīng)度、緯度、速度、航向等信息。經(jīng)處理可得到單一的GPRMC語句，例(長(zhǎng)江大學(xué)，實(shí)驗(yàn)室)：$GPRMC，143448. 000，A，3020．0745，N，11212．4731，E，0．00，141．8l，180509，，，*6F。該數(shù)據(jù)經(jīng)過處理，從中提取經(jīng)度、緯度、速度、航向等有用信息，這些信息是定位車輛位置的主要來源。
3．2 GSM網(wǎng)絡(luò)通信
    TC35i GSM模塊提供的命令接口符合GSM07．05和GSM07．07規(guī)范。GSM07．07中定義的AT Command接口，提供了一種移動(dòng)平臺(tái)與數(shù)據(jù)終端設(shè)備之間的通用接口。在短消息模塊收到網(wǎng)絡(luò)發(fā)來的短消息時(shí)，能夠通過串口向數(shù)據(jù)終端設(shè)備發(fā)送指示消息，數(shù)據(jù)終端設(shè)備可以使用GSM AT指令通過串口向GSM模塊發(fā)送各種命令。通過AT指令(見表1)，可以控制SMS消息的接收與發(fā)送。
    SMS消息的發(fā)送采用PDU(protocol data unit)模式，在數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)需要把ASCⅡ字符及漢字統(tǒng)一編碼成UCS2碼。接收到的數(shù)據(jù)是以7 bit的編碼形式存儲(chǔ)在TC35i模塊或SIM卡內(nèi)，在數(shù)據(jù)讀取時(shí)直接從TC35i模塊中得到符合GSM規(guī)范的數(shù)據(jù)，需經(jīng)過提取得到7 bit編碼的有效數(shù)據(jù)。然而這些數(shù)據(jù)是以ASCⅡ字符的形式存在的，要轉(zhuǎn)換成8位的十六進(jìn)制形式的7 bit編碼，再解碼成可用的ASCⅡ碼數(shù)據(jù)，如圖5所示。這樣得到遠(yuǎn)程發(fā)送來的原始數(shù)據(jù)，然后把這些數(shù)據(jù)模擬成NMEA-0183格式的串口數(shù)據(jù)包輸出，并加入校驗(yàn)碼(半字節(jié)校驗(yàn))。

3．3 ZigBee無線局域網(wǎng)的建立
    在系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)端，每個(gè)GPS模塊或GSM模塊與一個(gè)ZigBee模塊組合，構(gòu)成ZigBee網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)。系統(tǒng)啟動(dòng)后，這些網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)按照以下3個(gè)過程組建無線局域網(wǎng)：
    1)網(wǎng)絡(luò)初始化過程：節(jié)點(diǎn)(配有CC2430射頻芯片的模塊單元)初始化后，掃描信道檢查網(wǎng)絡(luò)是否存在；
    2)主節(jié)點(diǎn)配置網(wǎng)絡(luò)過程：產(chǎn)生協(xié)調(diào)器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，開始配置網(wǎng)絡(luò)；
    3)從節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)過程：終端設(shè)備節(jié)點(diǎn)申請(qǐng)加入?yún)f(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)或路由節(jié)點(diǎn)。
    當(dāng)ZigBee網(wǎng)絡(luò)組建完成后，網(wǎng)絡(luò)推薦一個(gè)GSM模塊與控制端建立聯(lián)系，其他GSM模塊處于備用狀態(tài)，系統(tǒng)進(jìn)入監(jiān)測(cè)狀態(tài)。如有異常情況發(fā)生，異常信息匯集到推薦的GSM模塊，向控制端發(fā)出報(bào)警信息。監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)定時(shí)檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)的工作狀況，一旦有網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)出現(xiàn)異常，也會(huì)發(fā)出報(bào)警信息，如果出現(xiàn)異常的結(jié)點(diǎn)是與控制端建立聯(lián)系的GSM模塊，系統(tǒng)推薦另一個(gè)GSM模塊進(jìn)入工作狀態(tài)。
3．4 防盜策略
    系統(tǒng)啟動(dòng)后，一旦監(jiān)測(cè)到異常，遠(yuǎn)程端通過GSM網(wǎng)絡(luò)向用戶定義的控制端或手機(jī)發(fā)送報(bào)警信號(hào)。用戶通過控制端或手機(jī)下達(dá)命令，獲取車輛的位置信息，借助電子地圖(如GOOGLE地圖)?？梢詫?shí)現(xiàn)對(duì)被盜汽車的跟蹤。
    車輛內(nèi)部的ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)，能夠較好應(yīng)對(duì)竊賊對(duì)車載設(shè)備的攻擊。各模塊在物理連接上是獨(dú)立的，可安裝在車輛內(nèi)任何位置；模塊的數(shù)量是不確定的，由用戶自定，塊間由ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)連接。各模塊間能相互通信，當(dāng)個(gè)別模塊被壞，其他模塊能迅速響應(yīng)，發(fā)報(bào)警信息，并啟動(dòng)其他模塊，同時(shí)網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)更改結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)正常運(yùn)行。

4 試驗(yàn)結(jié)果
    在實(shí)驗(yàn)過程中選用了GPS模塊和GSM模塊各3個(gè)，安裝在車內(nèi)較為隱秘的位置，在車內(nèi)形成了具有6個(gè)節(jié)點(diǎn)的ZigBee網(wǎng)絡(luò)。將控制設(shè)備與計(jì)算機(jī)串口連接，計(jì)算機(jī)運(yùn)行電子地圖軟件，按下控制設(shè)備上的“跟蹤”鍵，即在電子地圖上觀測(cè)到車輛的實(shí)時(shí)位置，如圖6所示。隨機(jī)拆出其中2個(gè)節(jié)點(diǎn)，仍可觀測(cè)到車輛位置，并收到了告警信息，系統(tǒng)沒有受到影響。只要保證車內(nèi)有一對(duì)由GPS模塊和GSM模塊構(gòu)成的節(jié)點(diǎn)存在，系統(tǒng)仍可正常運(yùn)行。按照概率論，隨機(jī)拆出3個(gè)節(jié)點(diǎn)而使系統(tǒng)遭受徹底破壞的可能性只有5％。在安裝時(shí)注意節(jié)點(diǎn)的位置，多個(gè)節(jié)點(diǎn)都被拆出的可能性將會(huì)降低。

5 結(jié)束語
    采用GPS和GSM網(wǎng)絡(luò)與ZigBee技術(shù)，在車內(nèi)組建Zig-Bee無線數(shù)據(jù)傳輸局域網(wǎng)，在汽車被盜、破壞以及防盜系統(tǒng)被部分拆卸的情況下，仍能將相關(guān)信息發(fā)送到車主預(yù)先設(shè)定的手機(jī)等通信設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了對(duì)汽車的實(shí)時(shí)監(jiān)控保護(hù)。各局域網(wǎng)各節(jié)點(diǎn)之間能夠相互通信，當(dāng)個(gè)別單元遭到破壞時(shí)，其他單元能迅速響應(yīng)，發(fā)出報(bào)警信息，并自動(dòng)更改網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，維護(hù)局域網(wǎng)的正常運(yùn)行，從而提高了系統(tǒng)的安全性。與一般的GPS和GSM汽車防盜系統(tǒng)比較，該系統(tǒng)增加了冗余的GPS、GSM模塊，提高了系統(tǒng)的可靠性。由于模塊間采用無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，增加了防盜系統(tǒng)的隱秘性，降低了系統(tǒng)徹底被破壞的可能。