基于μC/OS-II的低功耗車載防盜系統(tǒng)的設(shè)計

鐘杰銓，彭文亮，唐佳林

（北京理工大學(xué) 珠海學(xué)院 信息學(xué)院 廣東 珠海 519088）

當(dāng)今市場的汽車的防盜手段通常都是被動防盜型的，即采機械式或者電子式的手段當(dāng)車輛遇到非法入侵時車輛防盜系統(tǒng)會采取預(yù)設(shè)的防盜手段并自動報警。此類的防盜器占絕大部分市場。此類防盜器在一定程度上能對非法入侵者起到阻礙作用，但是如果遇到手段高明的盜車賊。此類的防盜器就成為了擺設(shè)，而且無法及時尋回被盜車輛。為此在本文中作者設(shè)計了基于μC/OS-II的低功耗車載防盜系統(tǒng)。該系統(tǒng)是一種區(qū)別于傳統(tǒng)防盜器的新型防盜手段，利用當(dāng)代覆蓋面最廣的GSM網(wǎng)絡(luò)與GPS系統(tǒng)對車輛進行監(jiān)控[1]。

本文介紹的防盜系統(tǒng)，是基于μC/OS-II系統(tǒng)，結(jié)合TI公司的MSP430微處理器，由GPS模塊獲取車輛當(dāng)前位置，通過GSM網(wǎng)絡(luò)發(fā)送當(dāng)前車輛情況到用戶手機上。通過手機短信可發(fā)送指令控制車輛的油門與點火裝置。結(jié)合傳統(tǒng)車輛防盜器為車輛提供較為全面的防盜方案。

1 系統(tǒng)的設(shè)計目標(biāo)

1）位置及車輛內(nèi)部情況相關(guān)數(shù)據(jù)的傳送，包括用主動請求系統(tǒng)發(fā)送，間隔時間發(fā)送，超過一定范圍發(fā)送等。發(fā)送的方式可通過SMS方式與GPRS方式，GPRS方式是通過流量進行計費的[2]，因為本系統(tǒng)要求的數(shù)據(jù)大小不大，故本系統(tǒng)主要采取GPRS方式進行信息通信。但由于在某些偏遠地方或人群聚集的地方，GPRS信號可能不好，故系統(tǒng)亦可通過SMS方式進行輔助通信。

2）異常情況處理，分一下幾種情況：

①緊急報警功能：當(dāng)車輛遇上交通事故，搶劫等緊急情況時司機可通過緊急按鈕向預(yù)設(shè)好的安全號碼發(fā)送求救信號，并上傳當(dāng)前車輛定位數(shù)據(jù)。

②防盜報警功能：當(dāng)系統(tǒng)設(shè)置為防盜模式時，當(dāng)系統(tǒng)檢測到車輛有異常時，系統(tǒng)會切斷車輛供油系統(tǒng)與鎖定剎車系統(tǒng)。并發(fā)送當(dāng)前定位數(shù)據(jù)到用戶手機。

③尋回車輛功能：當(dāng)發(fā)現(xiàn)車輛被盜時，用戶可通過發(fā)送預(yù)設(shè)指令，可主動切斷車 輛供油系統(tǒng)并鎖定車輛。并發(fā)送定位數(shù)據(jù)到用戶手機。幫助用戶尋回自己被盜車輛。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

MSP430F149微處理器的片上資源MSP430F149芯片是美國德州儀器公司推出的16位超低功耗微處理器，有60KB+256字節(jié)FLASH，2KB的RAM，片內(nèi)資源豐富，包括基本時鐘模塊、看門狗定時器[3]，帶3個捕獲/比較寄存器和PWM輸出的16位定時器、帶7個捕獲/比較寄存器和PWM輸出的16位定時器、2個具有中斷功能的8位并行端口、4組8位并行端口、模擬比較強、12位A/D轉(zhuǎn)換器、2個串行通信接口等模塊。結(jié)合芯片設(shè)計手冊設(shè)計微處理器電路如圖1所示。

圖1 MSP430F149微處理器Fig.1 The interface circuit of MSP430F149

其他硬件的實現(xiàn)系統(tǒng)的硬件設(shè)計主要有4個部分，即電源電路部分、GSM模塊電路部分、GPS模塊電路設(shè)計、繼電器控制電路設(shè)計。系統(tǒng)全部采用3.3 V電壓供電，由于GS M模塊的峰值電流可達到2 A，故采用美國芯源的電源芯片MP2303，該芯片提供4.75～28 V寬電壓輸入，0.8～25 V寬電壓，最大3 A電流的輸出。參考官方設(shè)計手冊設(shè)計了本系統(tǒng)的電源電路，由車載蓄電池12 V直流供電，提供3.3電壓最大3 A的輸出[4]。電路如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)電源電路Fig.2 Circuit of system power

本設(shè)計采用GSM作為與車載終端與用戶終端通信手段，當(dāng)車輛發(fā)生異常時，可通過短信、GPRS通知用戶。用戶發(fā)現(xiàn)異常后可主動查詢到車輛的具體位置，與車輛行駛情況。GSM（Global System for Mobile communication）系統(tǒng)是目前基于時分多址技術(shù)的移動通信體制中，比較成熟完善，且應(yīng)用最廣泛的一種系統(tǒng)。我國已經(jīng)建成覆蓋全國的GSM數(shù)字蜂窩移動通信網(wǎng)，現(xiàn)在是我國公眾移動通信網(wǎng)的主要方式。本設(shè)計基于成本與穩(wěn)定性原則，采用芯訊通無線科技有限公司推出的SIM900A模塊，該模塊是專為中國大陸和印度市場設(shè)計的雙頻的GSM/GPRS模塊。主要為工業(yè)控制，物聯(lián)網(wǎng)等提供語音傳輸、短信發(fā)送、GPRS數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)提供無線接口。

本設(shè)計區(qū)別于傳統(tǒng)防盜器的最大亮點在于可實時掌握車輛當(dāng)前位置與車輛內(nèi)部情況。如是否已經(jīng)點火，當(dāng)前車輛行駛速度等。故本設(shè)計采用GPS定位技術(shù)，終端用戶可通過GSM網(wǎng)絡(luò)精確的掌握車輛位置。本設(shè)計基于成本與穩(wěn)定性原則，采用u-blox公司推出的一款GPS定位模塊NEO－6M[5]。該模塊基于u-blox公司的u-blox6定位引擎，專為低功耗低成本設(shè)計提供GPS數(shù)據(jù)接口。圖3為NEO－6M模塊外部電路設(shè)計圖

圖3 NEO－6M模塊外部電路設(shè)計圖Fig.3 The NEO－6M peripheral circuit

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

軟件設(shè)計基于嵌入式實時操作系統(tǒng)μC/OS-II，μC/OS-II是一種基于優(yōu)先級的搶占式多任務(wù)實時操作系統(tǒng)，通過實時內(nèi)核對CPU進行管理，為每個任務(wù)分配CPU時間，當(dāng)無需執(zhí)行任務(wù)的時候，內(nèi)核自動切換CPU到休眠狀態(tài)，配合MSP430單片機的多種低功耗模式，可較為輕松的實現(xiàn)反應(yīng)靈敏，功耗低，多任務(wù)的防盜系統(tǒng)。

μC/OS是一個基于優(yōu)先級的可剝奪型的實時多任務(wù)操作內(nèi)核，包含實時內(nèi)核、任務(wù)管理、時間管理、任務(wù)間通信同步和內(nèi)存管理等功能。95%的代碼由C語言編寫，只有極少關(guān)于CPU操作的代碼由匯編編寫，可移植性強，內(nèi)核簡單易懂，對RAM與ROM占用低，適用于小系統(tǒng)的開發(fā)[6]。結(jié)合MSP430單片機可方便開發(fā)出超低功耗的防盜系統(tǒng)。

1）系統(tǒng)流程圖

圖4 軟件設(shè)計的流程圖Fig.4 Flow chart the software design

2）μC/OS-II初始化代碼

void main （void）

{

WDTCTL=WDTPW+WDTHOLD；/*禁止看門狗*/

OSInit（）； /* 初始化 uCOS-II*/

KeyQEvent=OSQCreate（&Qstart[0]，10）； /* 創(chuàng)建按鍵信號量*/

OSTaskCreate（TaskStart_Start，（void*）0，

&TaskStartStk_Start[TASK_STK_SIZE-1]，Task Start_Start_PRIO）；

/*創(chuàng)建系統(tǒng)初始化任務(wù)*/

OSTaskCreate（TaskGPRS， （void*）0，

&TaskStartStk_GPRS[TASK_STK_SIZE-1]，TaskGPRS_PRIO）；

/*創(chuàng)建GPRS通信任務(wù)*/

......

OSStart（）；/*開始任務(wù)調(diào)度 */

}

3）μC/OS-II任務(wù)程序示例

μC/OS-II是一個多任務(wù)實時操作系統(tǒng)，每個應(yīng)用程序是一個任務(wù)，根據(jù)任務(wù)的性質(zhì)在系統(tǒng)中對其分配不同的優(yōu)先權(quán)。本系統(tǒng)的優(yōu)先級由高到低分別為系統(tǒng)初始化任務(wù)、短信通信任務(wù)、GPRS通信任務(wù)、車輛控制任務(wù)、GPS數(shù)據(jù)解析任務(wù)。

任務(wù)的示例程序如下所示：

4 實驗數(shù)據(jù)

表1 防盜系統(tǒng)功耗測試結(jié)果Tab.1 Test result of alarm system power consumption circuit

由實驗數(shù)據(jù)可得出，該防盜器具有不錯的低功耗性，系統(tǒng)休眠的平均工作功率僅為0.035W，換句話說如果系統(tǒng)采用額定容量為2 000 mAh/3.7 V的鋰電池供電，那么系統(tǒng)的休眠工作時長可達上萬小時。該類防盜器可用于長期無外部電源供電的汽車防盜方案。

5 結(jié) 論

本防盜系統(tǒng)采用了GSM/GPRS遠程通信技術(shù)、GPS全球定位技術(shù)、μC/OS-II實時操作系統(tǒng) 具有低功耗、可遠程操作、實時掌握車輛位置的特點，其主要功能已在實驗板得到驗證?，F(xiàn)在的電子產(chǎn)品研發(fā)的國際主流就朝著低功耗、高性能的方向發(fā)展，隨著國民車輛擁有量的快速增長，本系統(tǒng)具有廣泛的市場前景。

[1]沈建華.MSP430系列16位超低功耗單片機原理與應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2004.

[2]任哲.嵌入式實時操作系統(tǒng)μC/OS-II原理及應(yīng)用[M].北京航空航天大學(xué)出版社，2009.

[3]朱剛.基于GSM/GPS汽車防盜系統(tǒng)的設(shè)計[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2012.

[4]李彬，王朝陽，卜濤，等.基于MSP430F149的最小系統(tǒng)設(shè)計[J].國外電子測量技術(shù)，2009（12）:74-76.LI Bin，WANG Chao-yang，BO Tao，et al.The mini-system design based on MSP430F149[J].Foreign Electronic Measurement Technology，2009（12）:74-76.

[5]孫采鷹，張國棟.基于AT89S52單片機的車輛防盜系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用[J].中國科技信息，2007（3）:82-83.SUN Cai-ying，ZHANG Guo-dong.The designing and application of system of guarding against theft for vehicle based on AT89S52 singl chip computer[J].China Science and Technology Information，2007（3）:82-83.

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