基于車輛被盜追蹤系統(tǒng)的車載通訊模塊架構設計

錢曉華

車輛被盜追蹤系統(tǒng)是由車載端控制器（TBOX）、后臺呼叫中心、手機端應用程序組成。基于整個系統(tǒng)功能，簡要介紹了TBOX的系統(tǒng)架構。將TBOX安裝在車內，通過連接到整車的控制器局域網(wǎng)絡（CAN）總線，監(jiān)測車輛上的各個電器模塊發(fā)出的網(wǎng)絡報文信號，甄別潛在的車輛被盜動作，將車輛實時狀態(tài)數(shù)據(jù)與定位數(shù)據(jù)打包上傳至后臺服務中心，后臺服務中心通過手機應用、電話、短信等方式通知到車主。

車輛被盜;追蹤系統(tǒng);模塊架構

0?前言

為了獲得實時車輛狀態(tài)，研究人員提出了車內電話的構想，即利用移動電話來構建1個低成本的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。使用車載充電器固定在車身后，移動電話可以自適應地接入全球定位系統(tǒng)（GPS）、蜂窩移動通訊信號，在行駛過程中將車輛狀態(tài)實時向控制后臺發(fā)送。得益于GPS技術、移動通信技術、網(wǎng)絡通信技術、信號處理技術，以及計算機技術的不斷發(fā)展，車輛數(shù)據(jù)收集與實時通訊功能的開發(fā)和研制也不斷得到優(yōu)化，車載通訊模塊（TBOX）應運而生。通過系統(tǒng)內置的無線通訊連接，控制器可以在車輛狀態(tài)發(fā)生異常時，第一時間通過短信通知車主。一旦車主反饋獲取詳細信息，該系統(tǒng)可以實時定位該車輛的位置，查看車輛的有關信息，并通過公網(wǎng)將信息上傳到后臺，幫助車主更好地了解車輛當前狀態(tài)。

本文設計的系統(tǒng)具備由車輛本身觸發(fā)防盜報警的功能，可使車主在第一時間了解車輛狀態(tài)。該觸發(fā)模式不會過于頻繁，從而打擾到車主正常的車輛使用。整個系統(tǒng)的原理如圖1所示。本文主要介紹了TBOX的系統(tǒng)架構。

1?防盜系統(tǒng)需求分析

得益于車上總線技術的發(fā)展，現(xiàn)今階段開發(fā)的車輛主要運用在整車廠中應用最成熟的控制器局域網(wǎng)絡（CAN）通訊，包含連接車身控制器、儀表、娛樂系統(tǒng)的低速CAN總線和連接發(fā)動機控制單元、變速箱等動力系統(tǒng)之間的高速CAN總線[1]。目前主流車型上所配備的控制器都通過網(wǎng)關節(jié)點具備了接入整車通訊總線網(wǎng)絡體系的能力。根據(jù)CAN協(xié)議，當車輛運行時，處于全雙工運作，每個控制器同時在線收發(fā)報文。當車輛熄火后，各控制器進入休眠低功耗狀態(tài)，僅在特定觸發(fā)條件下才被喚醒。這1模式使得整車在鎖車后的靜態(tài)電流處于最低水平，有效保護蓄電池的冷起動能力[2]。應用到本系統(tǒng)后，休眠中的電控單元一旦被定義為車輛處于潛在偷盜風險的異常動作觸發(fā)，該控制器隨即退出休眠模式，將異常的動作轉化為CAN信號后廣播至整車的CAN網(wǎng)絡上，并喚醒連接在整車網(wǎng)絡上的其他電器[3]。此時，同樣連接在CAN上的TBOX隨著整車電器網(wǎng)絡的喚醒而起動，通過系統(tǒng)內置的移動通信模塊，將相關信號打包發(fā)送至車聯(lián)網(wǎng)后臺。

依據(jù)實際使用場景，本系統(tǒng)定義了幾種可能為偷盜車輛的類型：車身裝置被外力破壞，車內電器線束被剪斷/接插件被拔出導致電路連接斷開，點火信號被異常觸發(fā)，車輛位置離開指定區(qū)域等。此外，車主也可以根據(jù)實際情況，通過手機端主動觸發(fā)報警，后臺呼叫中心可以與車輛進行多種應急通話。系統(tǒng)應用場景如圖2所示。

2?TBOX系統(tǒng)結構

整車上的控制器需具備信號采集及網(wǎng)絡喚醒的能力，TBOX捕獲網(wǎng)絡報文。在被盜事件發(fā)生時，TBOX將異常信號和車輛位置實時向后臺傳輸。在得到后臺反饋的被盜事件確認信息后，將車輛調整為被盜鎖定狀態(tài)。TBOX按預設時間間隔向后臺發(fā)送位置信息、將車上鑰匙權限設置為禁用狀態(tài)。在被盜車輛追回并解除被盜狀態(tài)后，車主可以向后臺發(fā)起解除報警請求，后臺將該請求傳遞至車輛端，車上TBOX會解除報警狀態(tài)，恢復原鑰匙的使用權限，并將恢復成功信息反饋給車主。

基于上述邏輯策略，總結可能發(fā)生的異常情況，TBOX對如下控制器提出了喚醒邏輯要求，以反饋偵測到的車輛異常情況：安全氣囊控制器（碰撞傳感器）需要能對破窗（玻璃被砸）的情況進行信號反饋;車身控制器需要能監(jiān)測車門狀態(tài)、機艙蓋狀態(tài)和尾門狀態(tài)。如果發(fā)生信號改變標示，發(fā)動機控制器需要能監(jiān)測發(fā)動機運行狀態(tài)信號是否有改變，變速箱控制器需要監(jiān)測排檔桿的位置變化，防抱死剎車控制器需要能通過轉角傳感器發(fā)出使方向盤轉動的狀態(tài)信號，車載通訊模塊需要能實時采集車輛位置數(shù)據(jù)[4]。圖3為與本功能相關的控制器網(wǎng)絡拓撲圖。

通過上述控制器的協(xié)同配合，對被盜車輛的追蹤功能作如下功能定義：（1）當車輛正在被盜搶時，迅速、實時地刷新車輛的位置信息和車況，并將上述信息以特定的數(shù)據(jù)編碼通過移動通訊網(wǎng)絡傳輸給后臺管理系統(tǒng)。（2）當車輛出現(xiàn)異常狀態(tài)，如超出電子圍欄的設定區(qū)域、被拖車拖走、非法起動，以及其他異常操作時，TBOX通過后臺會及時將相應的報警信息通過短信通知車主。

通過配備該系統(tǒng)，能使系統(tǒng)內部的傳感器偵測到車輛發(fā)生的異常狀態(tài)。GPS通過捕捉衛(wèi)星數(shù)據(jù)以確定車輛位置，這些異常狀態(tài)信息和車輛位置數(shù)據(jù)會通過移動通訊網(wǎng)絡傳輸?shù)奖鞠到y(tǒng)的管理后臺。當受本系統(tǒng)保護的車輛一旦有異常狀態(tài)信號被觸發(fā)，本系統(tǒng)會立即將報警信息推送給車主，以提醒車主確認車輛的狀態(tài)。一旦確定車輛發(fā)生了被盜搶的情況，本系統(tǒng)還可直接接通本地公安機關進行報案（主動提供車型、車輛識別碼、車主身份等信息），請求同意起動車輛尋回程序。當該系統(tǒng)收到公安機關的確認答復后，即向公安機關開放車輛實時位置與車況，以助相關部門迅速找回被盜車輛。

為了支持熄火續(xù)傳功能，TBOX系統(tǒng)內置了鋰電池，并配備了系統(tǒng)的低功耗設計：即便在被盜的車輛處于熄火的狀態(tài)，本系統(tǒng)仍能通過內置電池繼續(xù)維持原有的工作狀態(tài)，使得車輛的位置信息得以繼續(xù)上傳，從而有效地提高了追回被盜車輛的可能性。在行竊人員故意破壞TBOX供電線路后，該模塊依然能夠依靠內置的鋰電池提供的電力，繼續(xù)維持工作狀態(tài)。

基于需要實現(xiàn)的上述功能，研究人員為本系統(tǒng)設計了以下2條路徑觸發(fā)起動被盜車輛追蹤功能：即車主主動起動TBOX系統(tǒng)和車輛傳感器探測到異常后TBOX系統(tǒng)被動觸發(fā)。通過此設計，本系統(tǒng)能實現(xiàn)3個功能：（1）報警提醒，在車輛發(fā)生異常時及時將報警信息以短信、手機應用消息、電話的形式告知車主;（2）定位追蹤，首先要在地圖上顯示車輛的實時位置，若未顯示實時位置，則顯示最后1次收到的位置，以及車輛的行駛/靜止狀態(tài)、行駛方向、車門鎖定狀態(tài)、登陸賬號/鑰匙編號、剩余續(xù)航里程等車輛狀態(tài)信息;（3）安全處置，在接到報警提醒并收到車輛位置及狀態(tài)信息后，車主可通過電話向客服救助，對車輛進行控制。當發(fā)動機熄火后，禁止發(fā)動機再次起動;當車門上鎖后，對被盜的車鑰匙進行禁用，以達到讓行竊人員失去對車輛控制權的目的。在車輛被找回并確認安全后，可對報警狀態(tài)進行撤除，解除發(fā)動機起動限制，解除TBOX被盜車輛追蹤模式。該TBOX模塊系統(tǒng)的架構框圖如圖4所示。

整套系統(tǒng)的架構設計建立在以通訊模組和微處理單元為核心的基礎上，通訊模組內置了移動通信所需用到的調制解調器、GPS導航模組、存儲單元（MCU），具有相當高的集成度。該系統(tǒng)只需要在外圍配備GPS定位天線、移動通信網(wǎng)絡天線，就能實現(xiàn)可靠的定位與通訊功能。其內置的存儲單元還能將來自安全氣囊控制器、車身控制器、發(fā)動機控制器、變速箱控制器、防抱死剎車控制器等設備的信號進行緩存，以備需要上傳時及時調用，這很大程度上提高了整套硬件電路的可靠性。

系統(tǒng)中的微處理器用于分析處理由車輛總線系統(tǒng)發(fā)來的車輛狀態(tài)信號，當有異常觸發(fā)報警時，即起動本系統(tǒng)。除此之外，本系統(tǒng)還配備有內置電池及外部蓄電池供電的雙電源方案，該方案保證了在外力破壞切斷外部蓄電池供電后，內置電池可以繼續(xù)采集數(shù)據(jù)、上傳數(shù)據(jù)。

通信模組與微處理器通過高速同步串行口（SPI）和通用異步串行口（UART）接口進行連接。通過低功耗的設計，車輛發(fā)電機在停止供電之后，通信模組與微處理都會進入低功耗工作模式，僅保留監(jiān)聽遠程配置信息和三維加速度信息的功能。

3?結論

本文介紹了被盜車輛追蹤系統(tǒng)的基本工作原理、?主要組成部分及系統(tǒng)架構設計方案。分析整車CAN總線網(wǎng)絡信號所體現(xiàn)的車輛狀態(tài)信息，將特定信號作為潛在被盜觸發(fā)條件，而非頻繁發(fā)送信息，占用信息通道。在車主識別到被盜事件后，能夠主動觸發(fā)查詢、實時追蹤車輛狀態(tài)。

未來，研究人員還需要進行安防鎖定的研究工作。在公安機關立案受理了車輛被盜案件后，后臺將再次判別是否處于被盜車輛追蹤模式。若確認該模式，則向車輛發(fā)送控制指令。主要場景有：（1）若車輛正處在運行中，則發(fā)送指令控制發(fā)動機限制輸出，以達到降低車速的目的，確保車輛不再遠離案發(fā)地;（2）若車輛處于熄火狀態(tài)，則發(fā)送控制指令限制發(fā)動機再次起動，并間隔發(fā)送鎖車指令，直至車輛反饋全部落鎖成功，控制車輛并不再被非法起動。上述這些工況更有利于追回被盜車輛，但對車輛駕駛員有著潛在的風險，需要進一步深入研究。

[1]汪瞳. CAN總線網(wǎng)絡仿真系統(tǒng)開發(fā)[D]. 哈爾濱：哈爾濱工程大學，2017：41-42.

[2]魯植雄. 汽車電腦控制器區(qū)域網(wǎng)數(shù)據(jù)總線[M]. 北京：人民交通出版社，2014.

[3]何川. 混合動力汽車CAN網(wǎng)絡應用層協(xié)議的研究與實現(xiàn)[D]. 重慶：重慶郵電大學， 2011.

[4]程軍，崔繼波，茍凱英. 車輛控制系統(tǒng)CAN總線通信的實施方法[J].汽車工程，2011（5）：25-29.