汽車(chē)防盜報警監控系統的設計

 　　引言

　　汽車(chē)日益成為人們生活中不可缺少的部分，然而，令汽車(chē)用戶(hù)擔憂(yōu)的是車(chē)輛被盜現象呈逐年上升趨勢。本文旨在設計一個(gè)方便可靠，功能強大的汽車(chē)報警器。當汽車(chē)遭遇到危險情況時(shí)，立即啟動(dòng)警報，同時(shí)發(fā)送相應信息到指定的手機上，通知車(chē)主有異常情況。車(chē)主可以通過(guò)手機監聽(tīng)車(chē)內情況并控制汽車(chē)，以有效地防止汽車(chē)被盜。此外，若在車(chē)內加一個(gè)緊急按鈕，不僅可以在車(chē)主遇到搶劫或其他危險情況時(shí)，向外界求助，也可以幫助警方對車(chē)子進(jìn)行定位?？紤]到時(shí)間和成本問(wèn)題，本文僅針對振動(dòng)信息的檢測、車(chē)輛信息的傳輸與控制問(wèn)題進(jìn)行重點(diǎn)研究。

　　振動(dòng)信息檢測

　　圖1中，當物體有向右的加速度時(shí)，由于慣性，中間擋板與電容板間距隨之變化，從而造成電容值的變化（也有通過(guò)改變電容板的面積實(shí)現電容變化的）。經(jīng)過(guò)后續開(kāi)關(guān)電容、單位增益放大、電荷放大電路等一系列處理就可以得到與加速度信息成正比關(guān)系的電壓信號。系統采用的MMA7260QT加速度傳感器就是基于上述原理。

　　傳統的防盜報警器側重于對瞬時(shí)振動(dòng)、沖擊的檢測，雖然可以識別出車(chē)門(mén)遭遇暴力打開(kāi)的情況，但極易造成誤判報警（如附近的異響導致報警）。針對以上問(wèn)題，本文采取了以下三點(diǎn)改進(jìn)措施：

　?。?）增加了對車(chē)門(mén)打開(kāi)動(dòng)作的檢測，提取車(chē)門(mén)打開(kāi)時(shí)的加速度信息作為車(chē)輛被盜的依據之一。
　?。?）適當選取車(chē)門(mén)被暴力打開(kāi)的特征時(shí)間，而不是單純依靠加速度峰值越界作為車(chē)輛被盜的依據。
　?。?）增加了對車(chē)體傾斜角度的測量，防范拖車(chē)和整車(chē)搬運等盜竊手段。

　　車(chē)輛信息的傳輸與控制

　　將傳統防盜報警技術(shù)與現代GSM數字移動(dòng)通信技術(shù)相結合，就可以實(shí)現車(chē)輛狀態(tài)監控、調度、防盜報警、防劫報警、遠程控制、跟蹤定位、車(chē)載電話(huà)等功能。系統采用SIEMENS公司的TC35i GSM Modem模塊，這樣就可以突破空間限制，將車(chē)輛信息通過(guò)GSM網(wǎng)絡(luò )傳送至全球各地。由于系統需要眾多功能模塊的支持，限于時(shí)間和成本問(wèn)題，本文僅通過(guò)以下兩點(diǎn)驗證了系統的可行性和實(shí)用性：

　?。?）將車(chē)輛的當前狀態(tài)發(fā)送到指定的手機上，要求能夠分辨出車(chē)輛被竊的信息來(lái)源：車(chē)門(mén)振動(dòng)、車(chē)輛傾角異常、非法人員進(jìn)入等。
　?。?）手機發(fā)送指令到GSM Modem模塊上，要求只有設定的手機號碼才能得到系統的控制權，能夠區分不同的控制指令并執行。

系統概述

　　系統結構框圖

　　如圖2所示：以MC9S08QG8單片機為核心，輔以MMA7260QT加速度模塊、HOLUX GM－82 GPS模塊、TC35i GSM Modem模塊等功能模塊實(shí)現對汽車(chē)的實(shí)時(shí)監控。電源部分擬采用車(chē)載蓄電池做主電源；一旦主電源被切斷，即切換到內置電池供電，進(jìn)入節能模式，有效工作達數月以上。

系統硬件

　　MC9S08QG8單片機及其外圍電路

　　該型號單片機是Freescale公司主推的8位單片機，它的幾項內置功能與汽車(chē)防盜報警系統的要求正好吻合，所以用它作系統核心。

　　單片機的最小系統使用Synhayato公司的CT298開(kāi)發(fā)板?；逯饕梢韵聨撞糠纸M成：?jiǎn)纹瑱C（MC9S08QG8）、USB-mini B型連接器、電源和復位開(kāi)關(guān)、USB-COM轉換器（FT232R）、BDM工具連接頭、輸入輸出器件（按鈕鍵，LED燈，蜂鳴器）、MM-2860用插座、外部擴展連接槽（柵距為1mm、16引腳扁電纜連接槽）和測試端口。

　　MMA7260QT加速度模塊及其外圍電路

　　現代汽車(chē)的防盜系統通常采用對車(chē)體的沖擊、振動(dòng)監測的方式預警，常用的器件多為磁效應傳感器。由于磁效應加速度傳感器自身的一些問(wèn)題，會(huì )使得后續信號處理電路和微控制器接口電路復雜，致使系統報警的可靠性降低，誤報率較高。另外，對付拖車(chē)或整車(chē)搬運最有效的方法是對車(chē)體的傾斜角度進(jìn)行監測，而磁效應傳感器無(wú)法測量靜態(tài)加速度，不能對車(chē)體的傾斜角度進(jìn)行測量。MMA7260QT是Freescale公司設計生產(chǎn)的單芯片集成三軸加速度傳感器，它可以對車(chē)體微小振動(dòng)和整車(chē)的傾斜角度同時(shí)進(jìn)行監測。將其應用于汽車(chē)防盜系統不但擴大了系統的監測范圍，而且簡(jiǎn)化了系統，提高了防盜系統報警的可靠性。

　　MMA7260Q的內部模塊結構是在單一芯片上集成三個(gè)相互獨立、測量方向相互垂直的敏感元的測量模塊，是由多晶硅微加工表面工藝制成的電容式加速度傳感器；由硅片表面的彈性結構支撐起的質(zhì)量塊下面貼附電容的一個(gè)極板，電容的另一極板固定。當加速度引起質(zhì)量塊的相對位置變化時(shí)，電容值也發(fā)生變化，然后經(jīng)過(guò)電容電壓轉化電路和放大濾波電路后輸出與加速度成正比的電壓信號。

　　TC35i GSM Modem模塊

　　TC35i 是Siemens公司推出的新一代GSM通信模塊。TC35i無(wú)線(xiàn)模塊尺寸小巧，安裝設計靈活，易于集成且功耗低。模塊有AT命令集接口，支持文本和PDU模式的短消息、第三組的二類(lèi)傳真、以及2.4k、4.8k、9.6k的非透明模式。TC35i模塊主要由GSM基帶處理器、GSM射頻模塊、供電模塊(ASIC)、閃存、ZIF連接器、天線(xiàn)接口六部分組成。作為T(mén)C35i的核心，基帶處理器主要處理GSM終端內的語(yǔ)音、數據信號，并涵蓋了蜂窩射頻設備中的所有的模擬和數字功能。在不需要額外硬件電路的前提下，可支持FR、HR和EFR語(yǔ)音信道編碼。

　　其它輔助電路

　　除了上述主要功能電路外，系統還包括一些輔助電路。它們主要是：3.3V穩壓電源（CT-298開(kāi)發(fā)板上的穩壓電源提供的電流有限，不能負擔整個(gè)系統的供電），由TI公司的TLV2217-33 LDO和一些電容構成，能夠提供500mA的電流；串口電平轉化電路（方便與TC35i進(jìn)行連接通信），主要由MAXIM公司的MAX3232構成，提供TTL電平與232C電平的轉化；LED指示燈驅動(dòng)電路以及按鍵電路等。

系統軟件

　　系統軟件的整體設計思路

　　系統主要包含四種工作狀態(tài)：停車(chē)狀態(tài)、行駛狀態(tài)、被盜狀態(tài)和被搶狀態(tài)。單片機首先判別停車(chē)狀態(tài)和行駛狀態(tài)，這主要依靠密鑰識別技術(shù)實(shí)現。密鑰識別有很多種，本文設想采用射頻識別技術(shù)（RFID，Radio Frequency Identification）。它的基本原理是利用射頻方式進(jìn)行非接觸雙向通信，以達到識別目的，并交換數據。RFID系統的射頻卡和讀卡器之間不用接觸就可完成識別，通過(guò)對RFID卡進(jìn)行讀寫(xiě)操作，可實(shí)現對各類(lèi)物體或設備（人員、物品）在不同狀態(tài)（移動(dòng)、靜止或惡劣環(huán)境）下的自動(dòng)識別和管理。RFID卡可存儲128字節的數據，前4字節為ID號，該ID號是全球唯一的，可作為車(chē)主身份識別標志，剩余字節可用于存儲一些輔助的校驗信息。

　　在停車(chē)模式下，單片機會(huì )依次檢測振動(dòng)信息、傾角信息、車(chē)門(mén)信息、點(diǎn)火信息、人員信息是否正常，系統將綜合上述信息判斷車(chē)輛狀態(tài)。如果判斷結論為車(chē)輛被盜，則系統進(jìn)入被盜模式。系統會(huì )首先將信息發(fā)送給車(chē)主，然后將控制權交予車(chē)主，車(chē)主可以查詢(xún)車(chē)輛的位置、車(chē)內的人員信息，還可以進(jìn)行啟動(dòng)高分貝聲光報警，關(guān)閉發(fā)動(dòng)機、斷油斷電等操作。如果結論是車(chē)輛正常，則系統回到起始狀態(tài)，再次循環(huán)。在行駛模式下，系統將不斷查詢(xún)求救按鈕是否按下，一旦求救按鈕按下，車(chē)輛將進(jìn)入被搶模式。系統會(huì )首先將信息發(fā)送到指定的手機號碼上（例如車(chē)主朋友），然后控制權交予控制中心（通過(guò)指定的手機號碼），控制中心同樣可以執行上述控制操作。

　　振動(dòng)、傾角信息的提取和判別

　　由上文可知，我們需要從加速度信息中提取出以下三種信息：撬鎖時(shí)車(chē)體振動(dòng)、車(chē)門(mén)打開(kāi)時(shí)的加速度信號、車(chē)輛的傾角變化。它們的波形如圖3所示，在正常情況下，如圖中的平穩區所示，X、Y、Z三個(gè)方向的加速度基本不變（但是有輕微的擾動(dòng)）。有人撬鎖時(shí)，加速度值會(huì )出現一個(gè)減幅震蕩的過(guò)程，震蕩的周期很短，只有十幾毫秒。而在車(chē)門(mén)打開(kāi)的過(guò)程中，加速度值會(huì )出現一個(gè)很大的變化，并且持續的時(shí)間較長(cháng)，能達到上百毫秒。

　　經(jīng)分析我們可以發(fā)現，撬鎖振動(dòng)和車(chē)門(mén)打開(kāi)時(shí)的加速度值都與加速度變化的速度有關(guān)，更適合用差分來(lái)表示；傾角的變化只與加速度值變化的大小有關(guān)，而與變化的速度無(wú)關(guān)，可以直接用當前的加速度來(lái)表示。針對聲波振動(dòng)所造成的誤報，本文采用兩種辦法：由于聲波振動(dòng)的頻率遠高于撬鎖振動(dòng)的頻率，適當降低ADC的采樣頻率就可以濾去大部分，系統的采樣頻率是1000Hz；若干項相鄰差分值加權平均，這相當于低通濾波的作用，也可以濾除聲波造成的振動(dòng)，系統采用3項加權平均。假設ADC采樣量化后的值為

A=a(1)+…+a(i-1)+a(i)+a(i+1)+…
加權系數為M1、M2、M3，則加權平均處理的公式為
b(i)=[M1*a(i-1)+M2*a(i)+M3*a(i+1)]/(M1+M2+M3)