基于單片機(jī)的汽車防盜報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：針對(duì)汽車防盜及定位需求的日益增長(zhǎng)，基于單片機(jī)微處理器、GPS、GPRS等技術(shù)，采用模塊化的設(shè)計(jì)方案設(shè)計(jì)了汽車防盜報(bào)警系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)定位、短信報(bào)警的功能，即系統(tǒng)采集到車輛被盜信息后，啟動(dòng)GPS定位模塊，接收車輛位置信息(緯度、經(jīng)度等)，單片機(jī)對(duì)該定位數(shù)據(jù)分析與處理后，通過GPRS網(wǎng)絡(luò)以短信形式發(fā)送至車主手機(jī)。通過軟硬件調(diào)試，系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)顯示，該系統(tǒng)實(shí)時(shí)性強(qiáng)、準(zhǔn)確性高，車輛報(bào)警響應(yīng)時(shí)間為秒級(jí)延時(shí)，定位誤差在經(jīng)緯度0.6度以內(nèi)。

隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，汽車已經(jīng)開始進(jìn)入千家萬戶。與此同時(shí)，汽車失竊事件也在逐日增加。汽車的失竊對(duì)于車主而言是一種巨大的損失。因此，汽車防盜系統(tǒng)和汽車定位系統(tǒng)擁有了巨大的市場(chǎng)需求。

當(dāng)前市場(chǎng)上部分車輛防盜系統(tǒng)存在的功能單一，體積大，能耗高等缺點(diǎn)，使得車輛仍然存在一定安全隱患。因此，如何對(duì)現(xiàn)有汽車防盜報(bào)警裝置進(jìn)行改進(jìn)，使其能更好地實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能，保護(hù)人民的私有財(cái)產(chǎn)，引起了眾多學(xué)者與電子產(chǎn)品廠商的關(guān)注。因此，文中基于單片機(jī)，利用GPS/GPRS技術(shù)設(shè)計(jì)了汽車防盜報(bào)警系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了汽車定位功能的可靠性及報(bào)警功能的實(shí)時(shí)性。

1 總體設(shè)計(jì)

汽車防盜報(bào)警系統(tǒng)功能復(fù)雜，采用模塊化的設(shè)計(jì)方案，主要由4個(gè)部分組成，如圖1所示。防盜信息采集模塊采集到報(bào)警信號(hào)時(shí)，GPS定位模塊將立即啟動(dòng)，并開始接收定位信號(hào)(緯度，經(jīng)度，高度等等)，同時(shí)，核心微處理器通過多種通訊方式連接各模塊，控制其協(xié)同工作，并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與處理，啟動(dòng)GPRS防盜報(bào)警模塊將定位數(shù)據(jù)以短信形式發(fā)送至車主手機(jī)。

2 模塊設(shè)計(jì)

2.1 防盜信息采集模塊

本系統(tǒng)中選用紅外對(duì)管傳感器電路采集防盜信息，用于監(jiān)測(cè)當(dāng)汽車停放無人看管時(shí)，是否有人非法入侵。該傳感器電路由紅外發(fā)射與接收對(duì)管組成，可及時(shí)向微處理器發(fā)送準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)信號(hào)，使用簡(jiǎn)單，易于觀察，靈敏度高。防盜信息采集模塊不是本系統(tǒng)核心功能模塊，在系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)過程中僅用于模擬汽車是否被盜情景。

2.2 核心處理器模塊

采用GPS/GPRS技術(shù)的汽車防盜報(bào)警系統(tǒng)功能復(fù)雜，為了保證系統(tǒng)的實(shí)用性和可擴(kuò)展性，需要選用高性能的核心處理器協(xié)調(diào)各模塊的工作，為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的體積小、集成度高、可靠性好等性能，設(shè)計(jì)中將采用高性價(jià)比的8位51系列單片機(jī)作為核心處理器。

2.3 GPS定位模塊

1)硬件部分

GPS全球定位系統(tǒng)作為迄今最好的導(dǎo)航定位系統(tǒng)，在實(shí)際生活中被廣泛應(yīng)用，是當(dāng)今信息時(shí)代發(fā)展中的重要組成部分。GPS系統(tǒng)由空間衛(wèi)星、地面支撐系統(tǒng)、用戶設(shè)備三個(gè)部分組成，其定位的基本原理參考文獻(xiàn)。用戶在使用GPS實(shí)現(xiàn)定位功能時(shí)只需設(shè)計(jì)用戶設(shè)備部分，即圖1中的GPS定位模塊，該部分用于接收GPS衛(wèi)星發(fā)射信號(hào)。

汽車定位選用GT-2525 GPS芯片。GT-2525 GPS具有12個(gè)獨(dú)立的采用異步串行通信方式的接收通道，可以提供經(jīng)度、緯度、速度、高度、世界協(xié)調(diào)時(shí)間、頻率和GPS衛(wèi)星軌道信息，具有低壓供電，靈敏度高，精度高，可信度高，使用簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。此外，為提高系統(tǒng)功能的可升級(jí)性，系統(tǒng)設(shè)計(jì)中應(yīng)盡量減少占用核心處理器管腳資源，因此，本模塊設(shè)計(jì)方案為：GT-2525 GPS接收到車輛位置信息后，利用8250芯片進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換，并通過8255并行接口芯片實(shí)現(xiàn)與單片機(jī)的連接，單片機(jī)對(duì)該數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與處理后顯示于OCMJ2X8(128X32)LCD上，其中，LCD顯示并非系統(tǒng)功能模塊，主要用于GPS定位模塊調(diào)試。GPS定位模塊結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2)軟件部分

GPS定位模塊軟件部分設(shè)計(jì)流程如圖2所示，各部分具體設(shè)計(jì)詳述如下。

①8250芯片初始化：設(shè)置8250傳輸線控制寄存器實(shí)現(xiàn)尋址除數(shù)鎖存器;根據(jù)8250外部時(shí)鐘頻率1.843 2 MHz，波特率4800 BPS設(shè)置除數(shù)鎖存器值;設(shè)置傳輸線控制寄存器實(shí)現(xiàn)字符數(shù)據(jù)格式為：8位數(shù)據(jù)位，2位停止位，無校驗(yàn)位。

②8255芯片初始化：通過寫方式選擇控制字，設(shè)置PA口為輸出，實(shí)現(xiàn)PA口對(duì)LCD模塊：DB0～DB7進(jìn)行數(shù)據(jù)寫入，同時(shí)置PC口為高4位輸入，低4位輸出，實(shí)現(xiàn)LCD模塊的BUSY口及REQ口的控制。

③設(shè)置GPS輸出格式：

GT-2525 GPS采用的是NMEA-0183協(xié)議，該協(xié)議格式要求嚴(yán)格?；綨MEA命令指令是一個(gè)ASCII字符串.以‘$’字符開始，以序列結(jié)束。根據(jù)文獻(xiàn)可知，該GPS默認(rèn)設(shè)置輸出為：$PFST，NMEA，E003，4800，而本系統(tǒng)采用$GPGGA輸出格式，則設(shè)置GPS輸出格式命令為：$PFST，NMEA，2000。此外，由于該GPS串口默認(rèn)參數(shù)為：4800BPS，1個(gè)起始位，無校驗(yàn)位，8個(gè)數(shù)據(jù)位，1個(gè)停止位，與8250設(shè)置的串口通訊參數(shù)一致，故不需重新設(shè)置。該部分軟件設(shè)計(jì)流程如圖3所示，單片機(jī)將ASCII字符串命令依次通過8250轉(zhuǎn)換后以串行方式發(fā)送給GPS，實(shí)現(xiàn)GPS輸出格式的設(shè)置。

④接收GPS模塊定位數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于片外RAM

單片機(jī)在對(duì)GPS模塊發(fā)送輸出格式的設(shè)置命令后，單片機(jī)將首先接收到該命令的回顯，即單片機(jī)先接收到$PFST，NMEA，2000各字符后，然后才會(huì)接收GPS模塊發(fā)送的定位數(shù)據(jù)。

NMEA標(biāo)準(zhǔn)消息以“GP”開始，接著是3個(gè)字符的消息標(biāo)識(shí)碼。消息頭和消息內(nèi)容通過逗號(hào)進(jìn)行分隔，消息以校檢碼結(jié)束(校檢碼由一個(gè)‘*’和兩個(gè)16位的校驗(yàn)碼組成。校驗(yàn)碼計(jì)算方法為：自“$”符后開始，到“*”符以前，第一個(gè)字與第二個(gè)字進(jìn)行異或后的結(jié)果，再與第三個(gè)字進(jìn)行異或運(yùn)算，如此循環(huán)后得到的結(jié)果)。

GPS輸出的$GPGGA格式為$GPGGA，hhmmss.dd，xxmm.dddd，，yyymm.dddd，，v，ss，d.d，h.h，M，g.g，M，a.a，xxxx*hh，各部分含義參照表1所示。

接收GPS數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于片外RAM軟件設(shè)計(jì)流程如圖4所示，其中讀8250數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于累加器A內(nèi)部小模塊的軟件設(shè)計(jì)如圖5所示。其中，接收GPS模塊定位數(shù)據(jù)的設(shè)計(jì)思路為：利用比較指令對(duì)開始符和“$”進(jìn)行比較，當(dāng)接收的開始信號(hào)為“$”時(shí)，開始進(jìn)行外部RAM存儲(chǔ)，若接收到的開始信號(hào)不為“$”時(shí)，則不進(jìn)行存儲(chǔ)，繼續(xù)接收信號(hào)。當(dāng)接收到的結(jié)束信號(hào)為“0AH”(即換行符)時(shí)結(jié)束存儲(chǔ)，若接收到的結(jié)束信號(hào)不為“0AH”(即換行符)時(shí)，則繼續(xù)接收信號(hào)。

⑤從片外RAM中提取經(jīng)度緯度數(shù)據(jù)，顯示于液晶屏等屬于系統(tǒng)附加功能，輔助調(diào)試GPS定位模塊的設(shè)計(jì)，因此不在本文贅述。

2.4 GPRS防盜報(bào)警模塊

1)硬件設(shè)計(jì)

目前采用的報(bào)警方式主要有聲，光，電，文字等形式。隨著信息化時(shí)代的到來，通過發(fā)送手機(jī)短消息提醒用戶，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)報(bào)警成為一種高效便捷的方式。因此，本系統(tǒng)選用基于SIM300通訊芯片的GPRS模塊作為系統(tǒng)報(bào)警模塊，其優(yōu)點(diǎn)為速度快，可靠性強(qiáng)。GPRS模塊中插入開通被叫數(shù)據(jù)服務(wù)業(yè)務(wù)的用戶識(shí)別卡(Subscriber Identity Module，SIM卡)，即可通過SIM300通訊芯片實(shí)現(xiàn)語音傳輸和點(diǎn)對(duì)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸。

GPRS模塊采用標(biāo)準(zhǔn)串口與核心處理器進(jìn)行通訊，其連接電路圖如圖6所示。其中，GPRS模塊的底層設(shè)計(jì)可參考文獻(xiàn)。

2)軟件設(shè)計(jì)

單片機(jī)可通過AT命令集控制SIM300芯片進(jìn)行短信編寫，并利用SIM卡通過GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給指定手機(jī)號(hào)。其中，短信內(nèi)容為GPS定位數(shù)據(jù)，由單片機(jī)從片外RAM中讀取。系統(tǒng)設(shè)計(jì)中主要AT命令如表2所示。該模塊的程序設(shè)計(jì)流程圖如圖7所示。

3 系統(tǒng)運(yùn)行

根據(jù)文中上述方案設(shè)計(jì)汽車防盜報(bào)警硬件電路，編寫程序，進(jìn)行軟硬件調(diào)試。系統(tǒng)運(yùn)行地點(diǎn)為上海海洋大學(xué)(上海滬城環(huán)路999號(hào))，調(diào)試流程為，用手放置于紅外發(fā)射管與接收管中間，模擬汽車被盜情景，經(jīng)過極短的時(shí)間延遲后，手機(jī)成功接受到定位報(bào)警信息，如圖9所示，同時(shí)，GPS定位模塊的輔助調(diào)試LCD模塊上也顯示了汽車定位信息，如圖10所示。此外，查詢百度地圖得到系統(tǒng)運(yùn)行地點(diǎn)經(jīng)度，緯度數(shù)據(jù)如圖11所示。定位誤差在0.6度以內(nèi)。

4 結(jié)論

對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果與百度地圖查詢結(jié)果進(jìn)行比較可知，本文設(shè)計(jì)的汽車防盜報(bào)警系統(tǒng)準(zhǔn)確性高，及時(shí)性強(qiáng)。文中采用的是簡(jiǎn)易紅外傳感器電路模擬汽車盜竊情景，因此，進(jìn)一步的研究工作可圍繞如何優(yōu)化盜竊信息采集模塊的設(shè)計(jì)進(jìn)行開展，完善整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，提高其實(shí)用性。