基于STM32與GSM的汽車報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

吳昌東，袁紅兵，戴俊源

(南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇南京210094；南京理工大學(xué)常熟研究院有限公司，江蘇常熟215513)

0 前言

當(dāng)前車主對汽車的防盜性能有越來越高的要求，同時(shí)電子信息技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，也促進(jìn)了汽車防盜技術(shù)的更新與發(fā)展［1］。目前，市場上出現(xiàn)了很多類型的汽車防盜器。傳統(tǒng)的防盜器容易被破解、防盜性能差，現(xiàn)有新型的網(wǎng)絡(luò)防盜系統(tǒng)誤報(bào)率高、及時(shí)反饋性差。

本文設(shè)計(jì)的汽車防盜系統(tǒng)以STM32單片機(jī)為核心處理器，通過相關(guān)傳感器以及GSM網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)汽車的實(shí)時(shí)防盜，可及時(shí)通知車主汽車的狀態(tài)，車主可以迅速對車作出指令控制，以此實(shí)現(xiàn)用戶對車的雙向控制。

1 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能

基于GSM網(wǎng)絡(luò)的防盜系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)無線的信息發(fā)送與接收，車主可以隨時(shí)隨地的對汽車的狀態(tài)進(jìn)行無線的控制與查看［2］。此防盜系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

汽車防盜系統(tǒng)包括了為所有模塊供電的電源模塊；GSM模塊利用GPRS業(yè)務(wù)以及SMS業(yè)務(wù)通過GPRS網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)的無線傳輸以及消息的發(fā)送，在車輛有異常狀態(tài)時(shí)，GSM會(huì)自動(dòng)向車主發(fā)送消息以及定時(shí)的向服務(wù)端傳輸動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，車主若收到異常狀態(tài)提示，可立即回復(fù)消息、發(fā)送指令，通過控制模塊對汽車進(jìn)行相關(guān)控制。信息的處理模塊包括對GSM發(fā)送的信息處理以及收到車主的指令信息處理。傳感器模塊包括振動(dòng)傳感器、傾角傳感器、加速度傳感器，通過傳感器識(shí)別判斷汽車的異常狀態(tài)，一旦異常，就立即通知車主。

車主在離開汽車后可對系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)定，發(fā)送指令即可將防盜功能開啟，在使用汽車時(shí)將其關(guān)閉即可。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 GSM模塊

GSM模塊使用SIMCom公司提供的SIM900A模塊。它具有標(biāo)準(zhǔn)AT命令接口，可以提供GSM語音、GPRS傳輸、短消息等業(yè)務(wù)。SIM900模塊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 SIM900系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

SIM900支持標(biāo)準(zhǔn)的8線制串行接口，傳輸速率支持從1.2kbps～115.2kbps；SIM900A提供兩個(gè)非對稱的異步串行接口，一個(gè)用于通訊，另一個(gè)用于軟件調(diào)試。SIM900模塊的TXD發(fā)送數(shù)據(jù)到處理器的RXD信號(hào)線上，RXD從處理器的TXD信號(hào)線上接收數(shù)據(jù)。可通過AT命令實(shí)現(xiàn)對SIM900與STM32相互的傳輸控制。GSM模塊具有標(biāo)準(zhǔn)的SIM卡接口。接口連接如圖3所示。

圖3 SIM900接口連接圖

GSM模塊的硬件電路設(shè)計(jì)包括SIM900的供電模塊、SIM卡模塊以及SIM900的開機(jī)模塊硬件設(shè)計(jì)。SIM900A采用VBAT為3.4V～4.5V的單電源供電。在一些情況下，信號(hào)傳輸?shù)拟Оl(fā)會(huì)導(dǎo)致電壓跌落，這時(shí)電流損耗的峰值會(huì)達(dá)到2A。因此，電源必須能提供足夠到2A的電流，因此采用線形穩(wěn)壓電源，電源電路如圖4所示。

圖4 SIM900電源供電圖

SIM900模塊三個(gè)VBAT引腳用于供電輸入，15個(gè)GND引腳用于接地。VRTC引腳用于后備電源供電。

SIM卡的接口電平由模塊內(nèi)部的電壓穩(wěn)壓器提供，正常電壓值為2.8V或者1.8V。復(fù)位后，所有引腳輸出低電平。SMF05C來作靜電保護(hù)。本設(shè)計(jì)使用的是六腳SIM卡座，SIM卡模塊硬件電路設(shè)計(jì)如圖5所示。SIM900的開啟模塊通過把PWRKEY信號(hào)拉低一段時(shí)間然后釋放來開機(jī)。硬件電路設(shè)計(jì)如圖6。

圖5 SIM卡電路圖

圖6 開機(jī)模塊電路圖

2.2 RFID模塊

RFID(radio grequency identification)即射頻識(shí)別是一種無線通技術(shù)信，本方案中射頻芯片采用NXP公司MFRC522射頻芯片，該芯片是一款低電壓、低成本、體積小的非接觸式讀寫卡芯片，該芯片利用了先進(jìn)的調(diào)制和解調(diào)概念，完全集成了在13.56MHz下所有類型的被動(dòng)非接觸式通信方式和協(xié)議。它支持IIC、串行USART、SPI各種不同的主機(jī)接口，與MCU通信接口采用SPI模式。

RFID的使用，可以實(shí)現(xiàn)車主身份的識(shí)別，經(jīng)過MCU的處理，收到信號(hào)判別后即可作出控制。通過GSM模塊的GPRS以及SMS業(yè)務(wù)，可以實(shí)現(xiàn)報(bào)警控制。模塊功能框圖如圖7所示。本方案與MCU的接口電路如圖8所示。

圖7 RFID模塊框圖

圖8 SPI模式接口電路圖

2.3 信息采集及控制模塊

信息采集部分主要是采集通過傳感器去接收對外界對汽車的作用，并對信號(hào)進(jìn)行有效地采集與檢測［3］。

汽車收到強(qiáng)行拖車或者打開車門、車窗的行為動(dòng)作都屬于采集信息的范圍之內(nèi)。本系統(tǒng)主要采集的對象是汽車的異常狀態(tài)。所以采用振動(dòng)傳感器、傾角傳感器以及加速度傳感器。振動(dòng)傳感器與傾角傳感器用以判斷汽車的異常振動(dòng)與破壞；加速度傳感器用以識(shí)別汽車的啟動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)，在非法運(yùn)行時(shí)，車主收到SMS消息后，可通過指令進(jìn)行控制。

振動(dòng)傳感器選用MVS0608，通過內(nèi)部微球來檢測判斷振動(dòng)。微球作為兩個(gè)觸點(diǎn)傳感器內(nèi)部電極的橋梁來降低兩個(gè)外部連接墊電阻的阻值。傾角傳感器采用SST100系列傾角傳感器，適合于各種工程機(jī)械和野外設(shè)備，可直接與車載蓄電池或其他各種非穩(wěn)壓的電壓連接，提供無抖動(dòng)的高遲滯特性的全方位開關(guān)量輸出，直接驅(qū)動(dòng)如繼電器、喇叭、聲光報(bào)警設(shè)備、PLC等裝置。加速度傳感器采用A-nalogy Devices公司出品的一款雙軸加速度傳感器，可測量動(dòng)態(tài)加速度和靜態(tài)加速度，輸出為周期可調(diào)的脈寬調(diào)制信號(hào)，可以直接與單片機(jī)或計(jì)數(shù)器連接，并且具有性能高、準(zhǔn)確度高、功耗低的特點(diǎn)(輸入電流＜0.6mA)。ADXL202可以測量正、負(fù)兩個(gè)方向的加速度，而且具有很廣的測量范圍，可以測量2g～10g的加速度。相對于地平面方向變化時(shí)，x、y方向?qū)?yīng)不同的輸出，從而可以計(jì)算出恒定的加速度。本系統(tǒng)的加速度原理圖設(shè)計(jì)如圖9所示。

圖9 ADXL202加速度傳感器原理圖

通過傳感器讀取的狀態(tài)，經(jīng)由GSM網(wǎng)絡(luò)由車主發(fā)送指令控制模塊電路實(shí)現(xiàn)對汽車的控制。具體控制的實(shí)現(xiàn)可包括緊急報(bào)警、斷油斷電等相關(guān)措施。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)總體流程設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用C語言編寫程序，將程序?qū)懭雴纹瑱C(jī)閃存里。通過MDK編譯環(huán)境來編譯調(diào)試。

主芯片進(jìn)入初始化后，判斷是否需要進(jìn)入警戒狀態(tài)；確定進(jìn)入警戒狀態(tài)后，開始啟動(dòng)GSM模塊，以及傳感器模塊的接口掃描。當(dāng)出現(xiàn)異常狀況，傳感器模塊會(huì)立即讀出電平信號(hào)變化，此時(shí)，單片機(jī)的串口響應(yīng)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)發(fā)送消息通知車主，并通過GSM網(wǎng)絡(luò)發(fā)送數(shù)據(jù)到相關(guān)信息中心。當(dāng)車主收到消息出現(xiàn)警情時(shí)，可立即發(fā)送控制指令實(shí)現(xiàn)對汽車的控制。GSM模塊啟動(dòng)后會(huì)一直處于輪詢指令狀態(tài)，車主可以隨時(shí)隨地的對汽車的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測查看，發(fā)送指令，經(jīng)由單片機(jī)處理后傳送至GSM，再由GSM通過SMS業(yè)務(wù)向車主反映汽車狀態(tài)信息。若車主要使用汽車，通過RFID模塊識(shí)別出車主身份，系統(tǒng)自動(dòng)撤銷警戒狀態(tài)。若無此識(shí)別，系統(tǒng)也會(huì)立即報(bào)警。

系統(tǒng)的總體流程圖如圖10所示。

圖10 系統(tǒng)流程圖

GSM模塊的軟件設(shè)計(jì)主要包括兩方面的內(nèi)容，1)GSM開啟模塊，2)是無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)能浖O(shè)計(jì)以及SMS短消息的發(fā)送、接收解析與控制。

3.2 GSM模塊開機(jī)軟件設(shè)計(jì)

GSM的開啟通過把PWRKEY信號(hào)拉低一段時(shí)間然后釋放來開機(jī)。此引腳已在模塊內(nèi)部上拉到3V。在軟件設(shè)計(jì)時(shí)需考慮開機(jī)時(shí)序?qū)﹂_啟的影響，拉低及延遲的時(shí)間都需要精確處理，下拉時(shí)間間隔在1s～5s之間，延遲應(yīng)大于1.7s；通過控制PERKEY的狀態(tài)變化，來實(shí)現(xiàn)模塊的開啟，狀態(tài)高位延遲，然后拉低。

3.3 GSM模塊無線通訊軟件設(shè)計(jì)

無線數(shù)據(jù)的傳輸是通過GPRS業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)。處理器通過串口發(fā)出的AT指令建立通信鏈路。AT指令集的指令格式都以AT開頭，下面是常用連接GPRS業(yè)務(wù)的AT指令。“AT ”返回“OK”表示設(shè)置成功；“AT+CGATT=? ”，返回值1表示服務(wù)器連接正常，處于連接狀態(tài)?！癆T+CGATT=1 ”，返回“OK”，表示連接成功；“AT+CGDCONT=1”，“IP”，“CMNET ”，返回OK表示設(shè)置成功。上述命令成功設(shè)置后，即可建立與GPRS的連接，與數(shù)據(jù)中心建立了通信鏈路。

SMS的發(fā)送需要在軟件設(shè)計(jì)中編譯，通過在主芯片代碼中發(fā)送AT命令，具體的AT命令格式如下:

AT+CMGF=1；AT+CSCS=”GSM”；AT+CSCA=”服務(wù)中心號(hào)碼”；AT+CMGS=”電話號(hào)碼”。

3.4 SMS雙向通訊控制軟件設(shè)計(jì)

車主的控制指令解析通過GSM模塊實(shí)現(xiàn)。主要是SMS的存儲(chǔ)、讀取與解析。短信息收發(fā)有關(guān)的規(guī)范主要包括GSM03.38，GSM03.40和GSM07.05。前二者著重描述SMS的技術(shù)實(shí)現(xiàn)(含編碼方式)，后者則規(guī)定了SMS的DTE-DCE接口標(biāo)準(zhǔn)(AT命令集)。PDU方式被所有手機(jī)支持，可以使用任何字符集，也是手機(jī)默認(rèn)的編碼方式。

軟件代碼設(shè)計(jì)上，以GSM字符集為7位編碼，可以簡單地理解為ASCII碼(ASCII值小于80Hex，因此，Bit8被忽略)，依次將下一7位編碼的后幾位逐次移至前面，形成新的8位編碼。GSM并非支持所有的ASCII字符顯示。通過函數(shù)的處理，可以將固定格式的指令在SMS里解析，相應(yīng)的命令交由單片機(jī)處理做出相應(yīng)的反應(yīng)。

通過短信的解析即可獲得車主短信的指令，通過GSM模塊發(fā)送到STM32處理器，就可以做出相應(yīng)的處理。

3.5 RFID模塊軟件設(shè)計(jì)

RFID模塊主要是對協(xié)議的應(yīng)用。MFRC522的操作由可執(zhí)行一系列命令的內(nèi)部狀態(tài)機(jī)來決定。通過向命令寄存器寫入相應(yīng)的命令代碼來啟動(dòng)命令。

串口的通信協(xié)議相應(yīng)設(shè)置為串口波特率為9600、8數(shù)據(jù)位、1停止位、無校驗(yàn)。協(xié)議的格式為|FE|命令長度(暫時(shí)固定為3)|數(shù)據(jù)長度 |命令字節(jié)|數(shù)據(jù)字節(jié) |異或校驗(yàn)|，相應(yīng)的讀卡號(hào)數(shù)據(jù)格式:FE03 04 00 03 00 00 00 00 00FA.其中FE為起始 |03為命令長度 |04為數(shù)據(jù)長度 |00 03 00為讀卡號(hào)命令 |00 00 00 00為數(shù)據(jù) |FA為校驗(yàn)。RFID與單片機(jī)的通信采用的SPI模式，SPI接口由SDI(串行數(shù)據(jù)輸入)，SDO(串行數(shù)據(jù)輸出)，SCK(串行移位時(shí)鐘)，CS(從使能信號(hào))四種信號(hào)構(gòu)成，CS決定了唯一的與主設(shè)備通信的從設(shè)備，如沒有CS信號(hào)，則只能存在一個(gè)從設(shè)備，主設(shè)備通過產(chǎn)生移位時(shí)鐘來發(fā)起通訊。通訊時(shí)，數(shù)據(jù)由SDO輸出，SDI輸入，數(shù)據(jù)在時(shí)鐘的上升或下降沿由SDO輸出，在緊接著的下降或上升沿由SDI讀入，這樣經(jīng)過8/16次時(shí)鐘的改變，完成8/16位數(shù)據(jù)的傳輸。

程序下載時(shí)，芯片選擇STC11F32XE，導(dǎo)入HEX文件，其他都默認(rèn)，編譯環(huán)境為KEIL。

4 結(jié)論

基于STM32與GSM的汽車智能報(bào)警系統(tǒng)是利用日益完善的全球移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)和ARM控制技術(shù)的一種全新汽車報(bào)警裝置。本文實(shí)現(xiàn)了基于STM32與GSM的汽車報(bào)警系統(tǒng)的硬件及軟件設(shè)計(jì)，通過利用GSM模塊的AT指令以及SMS功能，在此基礎(chǔ)上通過用戶發(fā)出的短信，由STM32處理器的解析，即可對汽車進(jìn)行控制，加強(qiáng)對異常狀況的快速反應(yīng)能力，提高報(bào)警系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性以及實(shí)現(xiàn)車主對汽車的遠(yuǎn)程控制。

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