基于RFID的智能汽車安全防盜系統(tǒng)設計

摘要：針對現(xiàn)有汽車門禁系統(tǒng)和胎壓監(jiān)測系統(tǒng)相互獨立，硬件冗余和生產(chǎn)成本高的問題，提出了一種基于射頻識別技術的汽車安全防盜系統(tǒng)的設計方案。在射頻通信上，該系統(tǒng)采用434 MHz 的UHF 頻段與125 kHz 的LF 頻段相結合的方法，實現(xiàn)了系統(tǒng)胎壓監(jiān)測、遙控門鎖和發(fā)動機防盜鎖止等功能。調試結果表明，該系統(tǒng)提高了汽車的防盜性與控制性，節(jié)約了系統(tǒng)空間，降低了生產(chǎn)成本，優(yōu)化了車身網(wǎng)絡。

　　隨著我國汽車工業(yè)的發(fā)展和人民生活水平的提高，汽車越來越多地進入普通家庭。由于各種突發(fā)性道路交通事故與汽車盜竊案件的頻繁發(fā)生，人們對汽車安全與防盜的關注度也日益提高。開發(fā)和研究汽車安全與防盜系統(tǒng)，是確保行車安全和防止盜竊的有效技術措施。與傳統(tǒng)單個獨立汽車胎壓監(jiān)測系統(tǒng)和汽車遙控無鑰匙進入系統(tǒng)相比，本系統(tǒng)的特點是，將胎壓監(jiān)測系統(tǒng)與遙控無鑰匙進入系統(tǒng)進行整合，有效地實現(xiàn)了射頻（RF）模塊的復用，不僅節(jié)約了硬件開銷，也提高了系統(tǒng)的集成度。

　　1 基于RFID 技術的汽車安全防盜系統(tǒng)

　　射頻識別技術（RFID）是一種非接觸式的自動識別技術。汽車安全防盜系統(tǒng)采用射頻識別技術，通過射頻信號自動識別目標對象并獲取相關數(shù)據(jù)。RFID 技術采用射頻傳輸，可以透過外部材料讀取芯片數(shù)據(jù)，實現(xiàn)非接觸操作。通信數(shù)據(jù)使用加密算法對數(shù)據(jù)進行加密，實現(xiàn)數(shù)據(jù)安全存儲、管理及通信。隨著電子技術的快速發(fā)展，電子芯片集成度的提高，RFID 系統(tǒng)成本也在不斷地降低，加快了智能化在汽車電子行業(yè)中的推廣與應用。

　　智能汽車安全防盜系統(tǒng)由輪胎發(fā)射模塊、遙控鑰匙模塊和基站模塊組成。對RFID 系統(tǒng)來說，收發(fā)頻率大小決定了射頻識別系統(tǒng)的識別距離、電路實現(xiàn)的難易程度以及硬件設計成本。在汽車安全防盜設計中，125 kHz 等低頻（LF）頻段用于近距離、低速度，數(shù)據(jù)量要求較少的汽車引擎防盜系統(tǒng)的識別；434 MHz 等超高頻（UHF）頻段則用于遠距離的射頻通信系統(tǒng)（汽車輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)與遠程無鑰匙進入系統(tǒng)）的識別。

　　2 系統(tǒng)組成

　　系統(tǒng)的總體結構如圖1 所示，系統(tǒng)由輪胎模塊、鑰匙模塊和基站模塊組成。

　　圖1 系統(tǒng)總體框圖

　　以4 個輪胎的轎車為例，系統(tǒng)由4 個輪胎模塊、1個鑰匙模塊和1 個基站模塊構成，其中基站模塊包括RF 接收器、LF 收發(fā)器、中央控制部分、人機界面以及用來傳送點火、門控命令的汽車區(qū)域互聯(lián)網(wǎng)絡（LIN）總線。4 個輪胎模塊分別安裝在汽車的4 個輪胎中，對每個輪胎的壓力、溫度與電池電壓參數(shù)進行實時的測量，并將測量的數(shù)據(jù)通過RF 通信方式發(fā)送到基站模塊進行處理?；灸K，一方面接收來自輪胎模塊的RF數(shù)據(jù)，并進一步判斷輪胎參數(shù)是否正常，如果發(fā)現(xiàn)異常則進行實時報警；另一方面接收來自鑰匙模塊的RF控制數(shù)據(jù)，并驗證鑰匙的ID是否合法，如果發(fā)現(xiàn)異常，則及時進行報警，如果正常，基站向門控執(zhí)行機構發(fā)送確認信息，實現(xiàn)啟/ 閉鎖的動作；同時，基站模塊通過LF 通信方式與鑰匙模塊進行通信，利用鑰匙模塊中應答器的密碼與基站模塊中的密碼進行匹配來控制發(fā)動機的啟動，以達到防盜的目的。基站可以通過汽車總線與汽車內部的其他電子系統(tǒng)相連，實時地共享數(shù)據(jù)和控制信息。

　　3 系統(tǒng)硬件設計與實現(xiàn)

　　3.1 輪胎模塊電路

　　輪胎模塊由輪胎狀態(tài)的數(shù)據(jù)采集與發(fā)射電路組成，如圖2 所示。

　　圖2 輪胎模塊電路

　　輪胎模塊電路采用FREESCALE公司的智能嵌入式傳感器MPXY8300.該系列傳感器集成了該公司的低功耗S08 核，內含512 字節(jié)RAM和16 KB Flash，同時還集成了低功耗電容式壓力、溫度傳感器和單通道的低頻輸入接口。其RF發(fā)射支持315 MHz 和434 MHz 兩種載波頻率，并可通過編程配置使寄存器為幅移鍵控（ASK）或頻移鍵控（FSK）調制方式。它還集成了電荷泵功能，當電池電壓較低時，可提高RF 發(fā)射部分供電電壓，從而使其仍能達到一定的R F 發(fā)射強度。

　　MPXY8300 是一款將壓力溫度傳感器、8 位微控制器（MCU）、RF 發(fā)射器和雙軸（XY）加速器全部集成到一個片上的系統(tǒng)級芯片（SOC）。MPXY8300 壓力測量范圍：轎車100~800 kPa，卡車100~1 400 kPa，溫度測量范圍：-40~125 ℃。
3.2 鑰匙模塊電路

　　鑰匙模塊芯片采用NXP 公司生產(chǎn)的PCF7961。

　　PCF7961是一個基于低功耗8位MRKII架構的精簡指令集（RISC）處理器，它集成了UHF發(fā)射器與LF頻收發(fā)器的芯片。這種芯片能夠完成射頻發(fā)射和應答器低頻通信認證，適合于機動車輛遙控防盜裝置。它采用快速相互鑒別算法，使用隨機數(shù)字、密鑰和口令，具有靈敏度高（遠距離）和鑒別時間短（39 ms）的特點。

　　PCF7961 還提供了出廠時已經(jīng)固化了的32 位身份識別碼（ID）。圖3 是鑰匙模塊的電路原理圖。

　　圖3 鑰匙模塊電路

　　3.3 基站模塊電路

　　基站模塊主要由射頻接收電路、低頻收發(fā)電路、主控芯片MCU、LIN 接口以及人機接口組成。射頻接收電路采用FREESCALE 公司的UHF 射頻接收芯片MC33596，完成信號解調和數(shù)據(jù)曼切斯特解碼后，將數(shù)據(jù)傳送到基站主控芯片MC9S08DZ60，進行數(shù)據(jù)處理（RKE 數(shù)據(jù)解密）和指令執(zhí)行。

　　低頻收發(fā)器采用NXP公司生產(chǎn)的PJF7992.PJF7992集成了所有必需的功能方便讀寫應答器，基站微處理器通過PJF7992 帶有的LIN串行接口控制PJF7992 和應答器之間的通訊。

　　基站主控芯片采用F RE E SC A L E 公司生產(chǎn)的MC9S08DZ60，它可以通過SPI 串行總線對射頻接收芯片MC33596 參數(shù)進行配置與通信。MC9S08DZ60 內部集成了2 個SCI（LIN）模塊，可通過一路LIN 總線實現(xiàn)對低頻收發(fā)芯片PJF7992 的控制，另一路LIN總線實現(xiàn)對發(fā)動機電控單元（ECU）與門控相關執(zhí)行機構傳送命令。在汽車安全防盜系統(tǒng)中加入LIN總線接口，可使該系統(tǒng)能夠與汽車內部其他電子控制系統(tǒng)共享數(shù)據(jù)與控制信息，極大地提高了系統(tǒng)的安全性與靈活性。

4 系統(tǒng)軟件設計

　　4.1 無線通信協(xié)議

　　無線傳輸采用FSK 調制方式，其曼徹斯特編碼與解碼由片內硬件自動完成。輪胎模塊和鑰匙模塊中門控命令都是以數(shù)據(jù)包（幀）的形式發(fā)送數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)幀格式分別如表1，2 所示。

　　表1 輪胎模塊RF 數(shù)據(jù)幀格式

　　表2 鑰匙模塊RF 數(shù)據(jù)幀格式

　　4.2 輪胎模塊軟件流程

　　汽車在靜止或低速狀態(tài)下，即使胎壓發(fā)生變化，也不會對安全行駛造成威脅，此時可以不采集壓力、溫度等信號或者減少采集次數(shù)。流程如圖4 所示。

　　系統(tǒng)上電復位后，初始化配置啟動測量加速度，判斷汽車狀態(tài)。如果車速在25 km/h 以下，則進入休眠狀態(tài)，并延時一段時間后再次判斷汽車狀態(tài)；如果汽車行駛的速度大于25 km/h，則進入正常的工作模式，進行信號采集、處理與發(fā)射。然后經(jīng)過一段休眠延時再回到加速度測量狀態(tài)。

　　圖4 輪胎模塊軟件流程

4.3 鑰匙模塊流程

　　用戶可以通過鑰匙模塊上的按鈕開關發(fā)送射頻數(shù)據(jù)來打開和關閉車門。為了系統(tǒng)的安全性，對發(fā)送數(shù)據(jù)進行滾動碼加密，發(fā)送完畢進入到停止模式。遙控門鎖的軟件流程如圖5 所示。

　　圖5 鑰匙模塊軟件流程

　　4.4 基站模塊流程

　　汽車沒有發(fā)動時，基站模塊執(zhí)行遙控門鎖功能，需要監(jiān)聽來自鑰匙模塊的RF 門控信號（用戶按下鑰匙上的按鍵）。當遙控鑰匙插入點火鎖里并旋轉到啟動位置時，鑰匙中應答器（Transponder）和基站模塊的PJF7992 進行點火驗證，然后通過LIN總線傳送允許啟動的命令。汽車發(fā)動后，基站模塊進入輪胎參量監(jiān)測模式，通過設置合理的輪詢間隔可以減少輪胎模塊的RF 響應次數(shù)，降低系統(tǒng)功耗。軟件流程如圖6 所示。

　　圖6 基站模塊軟件流程

　　5 結論

　　本文提出了一種基于RFID 技術的汽車安全防盜系統(tǒng)，在試驗臺上完成了相關的功能調試，實現(xiàn)了輪胎壓力監(jiān)測，遙控門鎖和發(fā)動機防盜鎖止功能等，在系統(tǒng)中加入了LIN 總線接口，可使該系統(tǒng)能夠與汽車內部其他電子控制系統(tǒng)共享數(shù)據(jù)與控制信息，極大地提高了系統(tǒng)的靈活性與安全性、節(jié)約了系統(tǒng)空間、降低了生產(chǎn)成本，在汽車電子領域具有較廣的應用前景。