互動(dòng)式低成本車(chē)載防盜追蹤裝置實(shí)現(xiàn)*

劉紫燕，馮亮，郭國(guó)典，王盈喜，盛典林，仝一君

(貴州大學(xué) 電子信息學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550025 )

隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、人民生活水平的提高，汽車(chē)已進(jìn)入百姓家庭，但隨之而來(lái)的盜竊案也在逐漸增加。現(xiàn)有的汽車(chē)防盜產(chǎn)品雖然具備了高科技、GPS定位等新功能，但是大多數(shù)并沒(méi)有達(dá)到實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地監(jiān)控效果。例如聲光報(bào)警，一旦人車(chē)超過(guò)一定距離，難以起到報(bào)警作用。而移動(dòng)通信技術(shù)的迅猛發(fā)展以及智能終端的廣泛普及，利用智能終端和無(wú)線通信技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)車(chē)輛防盜有著廣泛的理論和實(shí)踐前景[1-3]。

本文設(shè)計(jì)的互動(dòng)式低成本車(chē)載防盜追蹤裝置充分利用了嵌入式技術(shù)、智能終端應(yīng)用軟件和GPRS無(wú)線通信技術(shù)，其區(qū)別于一般報(bào)警系統(tǒng)，最大優(yōu)點(diǎn)是能實(shí)現(xiàn)雙向通信和不受地理范圍的限制[4-5]，車(chē)主可以遠(yuǎn)程遙控車(chē)載防盜裝置以及通過(guò)車(chē)內(nèi)攝像頭及時(shí)了解車(chē)內(nèi)信息。此外，車(chē)主還可以通過(guò)車(chē)輛追蹤軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車(chē)定位、規(guī)劃當(dāng)前最佳追捕路徑等功能，這是傳統(tǒng)汽車(chē)防盜系統(tǒng)所不具備的新功能。

1 車(chē)載防盜追蹤系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)由車(chē)載防盜追蹤裝置、 GPRS無(wú)線網(wǎng)絡(luò)和手機(jī)終端3部分組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

車(chē)載防盜追蹤裝置是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵，它由微控制器、攝像頭、GPRS模塊、GPS模塊以及一些外圍電路構(gòu)成，本車(chē)載裝置可以實(shí)現(xiàn)車(chē)內(nèi)圖像的實(shí)時(shí)采集，定位數(shù)據(jù)的接收、處理和發(fā)送，以及人車(chē)互動(dòng)式操作。

該防盜追蹤系統(tǒng)的工作過(guò)程如下。當(dāng)異常情況發(fā)生時(shí)，車(chē)載防盜追蹤裝置向車(chē)主手機(jī)終端發(fā)送報(bào)警信息，車(chē)主根據(jù)手機(jī)終端軟件實(shí)現(xiàn)與車(chē)載防盜追蹤裝置的實(shí)時(shí)互動(dòng)。若車(chē)主需要獲取當(dāng)前汽車(chē)內(nèi)部的實(shí)時(shí)圖像信息，車(chē)載防盜追蹤裝置接收到車(chē)主請(qǐng)求命令后，調(diào)用攝像頭進(jìn)行圖像數(shù)據(jù)的采集，然后通過(guò)GPRS無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)[6]傳遞給車(chē)主當(dāng)前汽車(chē)內(nèi)部實(shí)時(shí)圖像信息。若汽車(chē)被盜，車(chē)主可以讓車(chē)載防盜追蹤裝置獲取當(dāng)前GPS位置信息，車(chē)載裝置調(diào)用GPS采集模塊，并將采集的GPS位置信息傳遞至車(chē)主手機(jī)終端，以此來(lái)完成對(duì)被盜汽車(chē)的追蹤定位。

2 低成本車(chē)載防盜追蹤裝置硬件設(shè)計(jì)

該低成本車(chē)載防盜追蹤裝置以STM32F103微控制器為核心，在微控制器上連接傳感器模塊、電源模塊、GPS模塊、GPRS通信模塊、用戶面板、圖像采集模塊及聲光報(bào)警器。裝置的硬件設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。

圖2 裝置硬件整體框圖

車(chē)載防盜追蹤裝置不同的功能依托對(duì)應(yīng)的功能模塊來(lái)完成，微控制器是整個(gè)嵌入式防盜裝置的核心，負(fù)責(zé)信息交換處理等工作；傳感器模塊用于檢測(cè)汽車(chē)的異常信號(hào)；電源模塊用于給嵌入式防盜裝置提供所需要的電源；GPS模塊用于收集汽車(chē)的GPS數(shù)據(jù)；用戶面板用于設(shè)置嵌入式車(chē)載防盜裝置的工作參數(shù)及相應(yīng)的信息顯示；圖像采集模塊負(fù)責(zé)采集汽車(chē)內(nèi)部圖像；聲光報(bào)警器用于在檢測(cè)到異常信號(hào)時(shí)發(fā)出聲光報(bào)警；GPRS通信模塊用于實(shí)現(xiàn)嵌入式防盜裝置和手持終端的通信。圖3為主要功能模塊的硬件設(shè)計(jì)電路圖。

2.1 STM32F103模塊

STM32F103系列微處理器是首款基于ARMv7-M體系結(jié)構(gòu)的32 bit標(biāo)準(zhǔn)RISC(精簡(jiǎn)指令集)處理器，能提供很高的代碼效率，能夠在8 bit和16 bit系統(tǒng)的存儲(chǔ)空間上發(fā)揮ARM內(nèi)核的高性能。該微處理器工作頻率為72 MHz，內(nèi)置高達(dá)20 KB的SRAM和128 KB的Flash存儲(chǔ)器，芯片集成有CAN，多個(gè)定時(shí)器，ADC、SPI、I2C、USB和UART等多種功能，以及豐富的通用I/O端口。豐富的片上資源使得STM32F103系列微處理器在手持終端、報(bào)警系統(tǒng)以及視頻對(duì)講等領(lǐng)域有著強(qiáng)大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

2.2 GPS模塊

在進(jìn)行衛(wèi)星GPS定位計(jì)算時(shí)，以所觀測(cè)到的4顆衛(wèi)星的瞬時(shí)位置作為已知數(shù)據(jù)，通過(guò)一定的方法測(cè)定這4顆以上衛(wèi)星在此瞬間位置以及它們分別至該觀測(cè)點(diǎn)接收機(jī)的距離，利用距離交會(huì)法解算出觀測(cè)點(diǎn)P的位置及接收機(jī)鐘差δt。

設(shè)計(jì)中GPS模塊由GPS Antenna G-503和REB_1315組成，用于收集汽車(chē)GPS數(shù)據(jù)。

2.3 GPRS模塊

圖3 主要功能模塊硬件電路原理圖

GPRS網(wǎng)絡(luò)是基于GSM網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，它采用與GSM相同的頻段、頻寬、突發(fā)結(jié)構(gòu)、調(diào)制標(biāo)準(zhǔn)、跳頻規(guī)則以及TDMA幀結(jié)構(gòu)。在GSM的基礎(chǔ)上引入了分組控制單元(PCU)、服務(wù)支持節(jié)點(diǎn)(SGSN)和網(wǎng)關(guān)支持節(jié)點(diǎn)(GGSN)等新部件而構(gòu)成的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)[6]，其用戶能夠在端到端分組方式下發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。

本裝置采用GPRS模塊為M10，通過(guò)串口1將有關(guān)的AT指令發(fā)送到無(wú)線網(wǎng)絡(luò)模塊中，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)模塊收到指令作出響應(yīng)并向串口1返回結(jié)果碼。本裝置中使用的主要AT指令如下。

2.4 攝像頭模塊

景物通過(guò)鏡頭將生成的光學(xué)圖像投射到圖像傳感器表面上，然后轉(zhuǎn)為電信號(hào)，經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換后變?yōu)閿?shù)字圖像信號(hào)，再送到數(shù)字信號(hào)處理芯片中加工處理，最后通過(guò)接口等方式傳輸?shù)诫娔X中處理，通過(guò)顯示器就可以看到圖像。本裝置攝像頭采用日常生活常見(jiàn)的USB攝像頭。

3 裝置軟件設(shè)計(jì)及系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1 裝置運(yùn)行的軟件實(shí)現(xiàn)

裝置控制軟件采用微控制器嵌入式C進(jìn)行編寫(xiě)，軟件的重點(diǎn)在于傳感器(震動(dòng)、紅外)檢測(cè)部分和GPRS無(wú)線通信部分的編寫(xiě)。當(dāng)傳感器檢測(cè)到的信號(hào)強(qiáng)度和次數(shù)達(dá)到報(bào)警次數(shù)時(shí)，首先啟動(dòng)聲光報(bào)警嚇阻盜竊發(fā)生，同時(shí)通過(guò)GPRS通信模塊發(fā)送報(bào)警信息到車(chē)主的手機(jī)終端，車(chē)主可以通過(guò)手機(jī)終端的車(chē)輛追蹤軟件與車(chē)載防盜追蹤裝置互動(dòng)式操作。例如，車(chē)主可以通過(guò)手機(jī)終端的追蹤軟件向車(chē)載裝置發(fā)送獲取汽車(chē)內(nèi)部圖像或GPS位置等指令，當(dāng)汽車(chē)接收到車(chē)主請(qǐng)求指令后啟動(dòng)相應(yīng)的功能模塊，然后通過(guò)3G網(wǎng)絡(luò)向車(chē)主回復(fù)其需要的相關(guān)信息，以方便車(chē)主做下一步的決策。裝置運(yùn)行的主要軟件流程如圖4所示。

該部分的實(shí)現(xiàn)主要由以下函數(shù)構(gòu)成。

圖4 車(chē)載裝置工作軟件流程

3.2 GPS定位與圖像獲取的軟件實(shí)現(xiàn)

在該系統(tǒng)中，車(chē)主可以向車(chē)載防盜追蹤裝置發(fā)送獲取GPS位置以及獲取車(chē)內(nèi)實(shí)時(shí)圖像等功能操作。

車(chē)載防盜追蹤裝置接收到短信后，首先分析是否為車(chē)主號(hào)碼，如果是，判斷車(chē)主短信指令內(nèi)容，然后啟動(dòng)GPS模塊定位。

本裝置中GPS通信接口協(xié)議采用美國(guó)NMEA 0183 ASCII碼協(xié)議，GPS數(shù)據(jù)由幀頭、幀尾和幀內(nèi)數(shù)據(jù)構(gòu)成。當(dāng)幀頭數(shù)據(jù)不相同時(shí)，幀內(nèi)數(shù)據(jù)也將不相同。分析數(shù)據(jù)幀的內(nèi)容，可以得到GPS數(shù)據(jù)的經(jīng)緯度信息和時(shí)間信息[6-7]。其中GPS數(shù)據(jù)幀的格式如下所示：

在解析GPS數(shù)據(jù)時(shí)，需要判別ASCII碼的幀頭是否是“GPGGA”，若檢驗(yàn)無(wú)誤，則確定本幀數(shù)據(jù)是可用數(shù)據(jù)，然后回復(fù)GPS經(jīng)緯度信息和時(shí)間信息至車(chē)主的手機(jī)終端[8]。獲取GPS位置信息軟件流程如圖5(a)所示。

該部分的實(shí)現(xiàn)主要包括：

攝像頭主要功能是作為車(chē)內(nèi)實(shí)時(shí)圖像的獲取，通過(guò)GPRS無(wú)線網(wǎng)絡(luò)向車(chē)主發(fā)送車(chē)內(nèi)實(shí)時(shí)圖片，輔助車(chē)主對(duì)當(dāng)前車(chē)內(nèi)財(cái)物損失作出下一步判斷決定。圖5(b)為車(chē)載防盜追蹤裝置執(zhí)行獲取車(chē)內(nèi)實(shí)時(shí)彩色信息的軟件流程圖。

該部分的實(shí)現(xiàn)主要由3個(gè)函數(shù)構(gòu)成。

圖5 GPS定位與圖像獲取軟件流程圖

3.3 系統(tǒng)測(cè)試

系統(tǒng)平臺(tái)搭建完成后，向車(chē)載防盜追蹤裝置導(dǎo)入代碼，測(cè)試手機(jī)終端是HTC G1智能手機(jī)。車(chē)輛追蹤軟件安裝完成后，首先對(duì)該軟件進(jìn)行設(shè)置，“車(chē)的號(hào)碼”需要輸入車(chē)載防盜追蹤裝置SIM卡的電話號(hào)碼，為了防止用戶的誤操作或其他人員的破壞，號(hào)碼設(shè)置前需要輸入正確的密碼。軟件界面及設(shè)置如圖6所示。

圖6 車(chē)輛追蹤軟件界面及設(shè)置

點(diǎn)擊“獲取信息”按鍵會(huì)進(jìn)入圖6(a)所示軟件界面，當(dāng)點(diǎn)擊“車(chē)的位置”時(shí)，手機(jī)終端會(huì)向汽車(chē)上的防盜追蹤裝置發(fā)送獲取GPS信息命令，然后汽車(chē)回復(fù)其所在的GPS地址給用戶的手機(jī)終端，例如回復(fù)給手持終端的GPS信息為21.6778,106.898，并自動(dòng)將其顯示在百度地圖中。規(guī)劃路線就是根據(jù)用戶所在位置與汽車(chē)所在位置規(guī)劃的一條最優(yōu)路線，以方便用戶最快速度找到丟失的車(chē)輛。此外，點(diǎn)擊獲取車(chē)內(nèi)信息，車(chē)載裝置會(huì)啟動(dòng)圖像采集模塊采集圖像，并以彩信的形式將車(chē)內(nèi)的圖像信息通過(guò)GPRS無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳遞給用戶，以方便用戶判斷汽車(chē)受損情況及下一步操作。若車(chē)無(wú)任何異狀，則用戶的手機(jī)客戶端不會(huì)收到任何消息，避免了該系統(tǒng)對(duì)用戶的打擾，如圖7所示，其中圖7(a)為車(chē)載防盜追蹤系統(tǒng)采集GPS數(shù)據(jù)返回至手機(jī)終端結(jié)合百度地圖生成的車(chē)輛移動(dòng)路徑圖，圖7(b)為車(chē)載防盜追蹤裝置通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)傳遞至手機(jī)終端的報(bào)警短信及彩信狀態(tài)圖。

圖7 車(chē)輛追蹤軟件路線規(guī)劃及信息接收

4 裝置成本分析

結(jié)合阿里巴巴各電子元器件報(bào)價(jià)，表1為本車(chē)載防盜追蹤裝置主要元器件的價(jià)格。

表1 車(chē)載防盜追蹤裝置成本估算

從表1可以看出，該裝置的主要成本為：主控芯片STM32F103C8T6、GPRS通信模塊M10、GPS定位模塊REB_1315、攝像頭和PCB電路板。再加上其他外圍電路需要的電阻電容、三極管、存儲(chǔ)芯片等小器件，以及考慮人工成本等因素，該裝置量產(chǎn)成本估計(jì)在157.3元，與現(xiàn)有的車(chē)載防盜系統(tǒng)相比，該裝置在功能大幅度提升的同時(shí)，價(jià)格十分低廉，必將有著非常好的商業(yè)應(yīng)用前景。如果將GPRS模塊升級(jí)為WCDMA 3G通信模塊，成本僅需增加100元左右，量產(chǎn)成本仍然十分低廉。

本文通過(guò)利用攝像頭、GPS定位、GPRS無(wú)線通信，并結(jié)合傳統(tǒng)的車(chē)載報(bào)警，設(shè)計(jì)了一種互動(dòng)式低成本車(chē)載防盜追蹤裝置，給出了該裝置的硬件結(jié)構(gòu)及主要功能模塊，分析了系統(tǒng)工作流程及主要模塊的軟件實(shí)現(xiàn)。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，本系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)車(chē)輛的實(shí)時(shí)防盜功能以及對(duì)失竊車(chē)輛的跟蹤功能。經(jīng)過(guò)多次測(cè)試，該裝置穩(wěn)定可靠，實(shí)時(shí)性高，人車(chē)互動(dòng)性強(qiáng)，是一種方便實(shí)用、成本極低的車(chē)輛安全解決方案。

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