基于RFID的網(wǎng)絡(luò )式汽車(chē)安防系統設計

引言

　　隨著(zhù)國民經(jīng)濟的飛速發(fā)展，汽車(chē)被盜事件越來(lái)越多，汽車(chē)的安全保護技術(shù)己經(jīng)引起廣泛重視。汽車(chē)防盜器主要分為4大類(lèi)：機械式、電子式、芯片式和網(wǎng)絡(luò )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(wǎng)絡(luò )式防盜則是汽車(chē)防盜技術(shù)的發(fā)展方向。射頻識別（RadioFrequencyIdentification,RFID）技術(shù)通過(guò)射頻信號自動(dòng)識別目標對象并獲取相關(guān)數據，有著(zhù)無(wú)源、免接觸、安全性能好、使用方便等特點(diǎn)。全球移動(dòng)通信系統（GlobalSystemforMobileCommunications,GSM）是目前移動(dòng)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(shí)時(shí)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(wǎng)絡(luò )式防盜技術(shù)，利用RFID和GSM技術(shù)各自的特點(diǎn)，設計出新型的汽車(chē)安防系統，是汽車(chē)安全領(lǐng)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(dòng)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(chē)的狀態(tài)），矩陣鍵盤(pán)，執行機構，聲光報警裝置（揚聲器及車(chē)燈），CAN通信及電源管理等模塊。假如傳感器檢測到汽車(chē)被惡意破壞的情況后，立即聲光報警，警示盜賊，并向車(chē)內的主控制器（ElectronicControlUnit,ECU）發(fā)出報警信號，由主控制器控制繼電器切斷點(diǎn)火電路和油路，同時(shí)向車(chē)主發(fā)出求救短信，由車(chē)主控制汽車(chē)。主人可以隨意設置控制汽車(chē)的優(yōu)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(gè)部分組成，即天線(xiàn)、電子標簽和讀寫(xiě)器。RFID系統的工作原理如下：讀寫(xiě)器將要發(fā)送的信號，經(jīng)編碼后加載在某一頻率的載波信號上經(jīng)天線(xiàn)向外發(fā)送，進(jìn)入讀寫(xiě)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(guān)電路對此信號進(jìn)行調制、解碼、解密，然后對命令請求、密碼、權限等進(jìn)行判斷。若為讀命令，控制邏輯電路則從存儲器中讀取有關(guān)信息，經(jīng)加密、編碼、調制后通過(guò)卡內天線(xiàn)再發(fā)送給讀寫(xiě)器，讀寫(xiě)器對接收到的信號進(jìn)行解調、解碼、解密后送至中央信息系統進(jìn)行有關(guān)數據處理；若為修改信息的寫(xiě)命令，有關(guān)控制邏輯引起的內部電荷泵提升工作電壓，提供擦寫(xiě)E2PROM中的內容進(jìn)行改寫(xiě)，若經(jīng)判斷其對應的密碼和權限不符，則返回出錯信息。

　　當一個(gè)具有正確識別碼的鑰匙插入點(diǎn)火開(kāi)關(guān)后，汽車(chē)才能用正確的方式進(jìn)行啟動(dòng)。當點(diǎn)火開(kāi)關(guān)關(guān)閉時(shí)，讀寫(xiě)器輸出1個(gè)13 56MHz的充電脈沖到車(chē)鑰匙頂部的標簽里。標簽接收到這個(gè)脈沖信號后就給電容器充電。從而使應答器發(fā)射l個(gè)特定的代碼至讀寫(xiě)器，信號的傳輸就發(fā)生在讀寫(xiě)器的天線(xiàn)和標簽的天線(xiàn)之間。讀寫(xiě)器的控制模塊對此信號進(jìn)行解碼并把它與存儲在微處理器內存中的代碼進(jìn)行比較。如果相同，控制模塊便啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機的控制程序和點(diǎn)火開(kāi)關(guān)；只要有一位不相同，系統就會(huì )發(fā)出相應的報警信息。

　　1.3 移動(dòng)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(xiàn)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(fā)送SMS短信、語(yǔ)音通話(huà)、GPRS數據傳輸等基本功能。

　　開(kāi)發(fā)人員使用微控制器通過(guò)RS232串口與GSM模塊通信，使用標準的AT命令來(lái)控制GSM模塊實(shí)現各種無(wú)線(xiàn)通信功能，例如：發(fā)送短信、撥打電話(huà)、GPRS撥號上網(wǎng)等。這里主要采用模塊的短信功能，來(lái)實(shí)現遠程遙控，成本低廉，實(shí)時(shí)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(zhuān)為汽車(chē)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(dòng)傳感器CHJ ZD01,執行機構是繼電器，CAN總線(xiàn)驅動(dòng)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(guò)穩壓器LM7805將汽車(chē)蓄電池電壓降為5V,然后再通過(guò)AS1117降為3 3V供MFRC522所用。

　　電源管理芯片MAX708,當突然掉電時(shí)，將單片機掉電前瞬間的狀態(tài)信息保存到E2PROM中，以備重新上電時(shí)讀取，當電源電壓過(guò)低時(shí)也會(huì )產(chǎn)生一個(gè)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(chǎng)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(xiě)基站芯片。該讀卡芯片完全集成了13 56MHz下所有類(lèi)型的被動(dòng)非接觸式通讀方式和協(xié)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(guò)RS232或RS485通訊方式直接與PC機相聯(lián)，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(shí)都會(huì )檢測外部引腳連接關(guān)系。除了通用的4條SPI信號線(xiàn)（時(shí)鐘線(xiàn)SCK、輸入數據線(xiàn)MOSI、輸出數據線(xiàn)MISO和選通線(xiàn)NSS），MFRC522要求額外的兩個(gè)引腳I2C和EA分別固定接低電平和高電平。這兩個(gè)引腳不參與SPI總線(xiàn)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(xiě)入數據流期間為低電平，而在無(wú)數據流寫(xiě)入時(shí)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(méi)有用到的引腳和那些相對簡(jiǎn)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(wǎng)絡(luò )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(dòng)解析波特率，改善公共服務(wù)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(shí)鐘和數據的通訊線(xiàn)，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(guò)兩個(gè)通道在MCU和GSM模塊之間進(jìn)行收發(fā)的；除此之外，GSM模塊還包括系統語(yǔ)音通道和MIC通道，這兩個(gè)通道是MCU通過(guò)AT指令進(jìn)行切換的，主要運用于放到監控器中系統語(yǔ)音和麥克風(fēng)之間的切換；最后還有雙音多頻（DualToneMultiFrequency,DTMF）信號的發(fā)送端口IN+和IN-,當用戶(hù)和放到監控器的車(chē)載電話(huà)處于通話(huà)狀態(tài)時(shí)，如果有按鍵行為，這時(shí)所產(chǎn)生的DTMF信號就是通過(guò)IN+和IN-發(fā)送到雙音多頻解碼芯片解析并產(chǎn)生Q信號的，此時(shí)，MCU根據Q信號來(lái)決定該如何進(jìn)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(chē)主身份識別、收發(fā)短消息、對汽車(chē)上的主要部件的控制、聲光報警等功能。在完成初始化及開(kāi)中斷之后系統，處于低功耗的待機狀態(tài)。一有中斷，就結束閑置方式在中斷服務(wù)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(tài)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(guān)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(guān)函數以完成程序功能。其基本思想是采用輪詢(xún)方式，在一個(gè)大主循環(huán)里調用各個(gè)功能模塊中各自的小循環(huán)，并在各關(guān)鍵部位設置看門(mén)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(jìn)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(shí)現與Mifare卡片通信。Mifare卡可以根據接收到的指令進(jìn)行相應操作。但是STM8A并不是通過(guò)簡(jiǎn)單的指令就可以讀寫(xiě)IC卡片，需要一系列的操作才能完成通信。主要包括：