基于GSM网络的RFID汽车防盗系统设计

1  防盗系统的特点

　　早期汽车防盗系统主要由机械结构的门锁和车轮锁构成。 车锁的功能从简单控制车门开启演变为控制点火和操控汽车电路等。 随着现代电子技术的发展， 芯片式和网络式相结合的高端防盗系统得到了发展， 它提供更有效的防盗手段。 本文采用RF ID芯片技术与GSM 模块技术设计并制作了汽车防盗系统， 与其它防盗系统相比， 其主要特点如下：

　　（ 1）编码唯一性和不可复制性

　　普通电子式防盗器是时下最流行的防盗器， 它通过手持遥控装置来设防和撤防， 遥控收发模块可以采用固定码编码和滚动码编码方式。 固定编码方式的缺点是地址码容易重复， 并且容易被复制。 而滚动码方式每次发送的代码都是唯一且不规则的， 但通过专门的解码器也能在几秒钟内解码， 且这种防盗器经常会有误报警的情形发生。

　　新方案采用了RF ID （无线射频身份识别）技术的芯片， 该芯片出厂时已经设定唯一编码， 无法复制。 采用的第四代RFID芯片具有特殊诊断功能， 即受权者在读取钥匙保密信息时， 能够得到该防盗系统的历史信息（如读取次数、时间等）， 令这类RF ID芯片现已广泛应用于各种高级安防系统中。

　　（ 2）网络自动远程防盗

　　在防盗系统中运用网络技术是目前最先进、最有效的防盗方式之一， 是现行广泛应用GPS（全球定位系统）的网络报警系统。

　　该系统在车上安装小型的无线网络终端， 通过GPS模块向网络中心报告车辆运行位置， 由监控中心统一完成调度、跟踪。 该网络系统的缺点是需要建立无线网络监控中心、信号中继基站等， 一般需要人工服务， 终端用户要定期支付固定费用， 其使用区域还受到无线网络覆盖范围的限制。

　　本系统采用GSM 模块， 利用成熟的GSM 网络覆盖全国甚至全世界， 24小时在线， 通过程序控制可以在任何地方完成对失窃车辆的锁定。 该系统在不使用时不产生任何费用， 适用于普通大众。 基于GSM网络的RFID芯片式防盗器， 可实现无匙进入， 还能唯一地识别车主控制的车辆， 误报警的机率更小。

　　2  系统结构及原理

　　该系统由3部分组成： 射频身份识别（ RFID ）芯片、主控电路（MCU ）、网络接口模块（ TC35） . 通信设备采用西门子手机模块TC35, 主控芯片采用AT89C51, 身份识别采用TI 公司的基站芯片TMS3705和感应器， 该感应器具有世界上唯一的ID号， 并且不能够进行复制， 因此保密性极佳。 系统整体结构如图1所示。

 

图1  系统结构框图

　　2. 1  射频身份识别（ RFID）部分

　　典型的RFID 系统包括感应器、阅读器和处理数据的后端计算机。 感应器也称射频卡， 它具有智能读写及加密通信的能力。 阅读器通过调制的RF通道向感应器发出请求信号， 感应器回答识别信息，然后阅读器把收到的信号送到计算机。 系统最大的特点是非接触式识别， 因此可以同时识别多个感应器及高速运动的电子标签。 该系统中因为感应距离不要求很远（ 0 1~ 5 m） , 采用无源感应器， 结构简单， 更适合随身携带。

　　然后阅读器把收到的信号送到计算机。 系统最大的特点是非接触式识别， 因此可以同时识别多个感应器及高速运动的电子标签。 该系统中因为感应距离不要求很远（ 0 1~ 5 m） , 采用无源感应器， 结构简单， 更适合随身携带。

　　该系统所选用的阅读器是TMS3705, 它是TI公司生产的低频基站集成电路， 可作为RFID 读卡器。

　　当阅读器TMS3705接入电源时， 首先发射一定频率的射频脉冲信号， 若感应器（本系统采用无源只读型感应器为R I- TRP- RR2B ）在有效感应范围内，它将接收到的信号进行最佳耦合， 并对它的电容进行充电， 以供感应器内部电路工作。 感应器工作时，以FSK 方式发射数据， 阅读器TMS3705中的射频模块接收并解调该信号， 然后按照一定通信协议上传给MCU 进行处理。 假如感应器是合法卡， MCU 下传命令给控制单元撤防， 并且打开中央门锁； 假如该感应器是非法卡， 则说明有人持非法卡强行进入， 控制单元发出系统报警和通过手机模块（ TC35）以短信息的方式通知用户。

　　2. 2  主控部分

　　主控单片机采用通用芯片AT89C51以降低造价。 在系统中， 主控单片机负责用户身份的识别、信号的检测、各种控制信号的产生和与GSM 模块的通信[ 2] .

　　2. 3  GSM 网络接口模块

　　该系统的通信网络使用GSM网络。 采用的是西门子公司的TC35模块， 它是GSM无线双频模块， 具有语音、数据、短消息、FAX 等4 种传输方式。 它属于GSM /GPRS模块， 支持GSM 模块的所有功能， 还具有永久在线功能， 支持快速数字接入和高速数据传输， 可以实现对车辆的无间断追踪。 其功能结构如图2所示。

 

图2  TC35模块功能框图

　　TC 35模块主要由4部分组成： GSM基带处理器、GSM 射频部分、电源ASIC、Flash. GSM 基带处理器是整个模块的核心， 控制着模块内各种信号的传输、转换、放大等处理过程。 GSM 射频部分是1个单片收发器， 完成射频接收和发送等。 GSM 模块电流变化非常大， 这就对供电电路提出了较高的要求。

　　电源AS IC 部分使用线性电压调节器把外部输入的电源电压Vbatt+ 进行稳压后供GSM 基带处理器和GSM 射频部分使用， 此外它还输出1 个2 9 V /70mA 的电压供模块外的其他电路使用。 GSM 射频部分的功率放大器对电源电压要求不高， 所以直接使用外部的输入电压Vbatt+ . Flash 用来存储一些用户配置信息、电话本等。

3  系统硬件电路设计

　　主机板的硬件电路包括： RFID 接口电路、汽车控制接口电路、MCU 的控制电路、TC35 网络接口电路。

　　（ 1） RFID接口电路

　　RFID 接口电路由4线组成， 其中2线为电源和地， 另外的2线为数据线与控制线， 射频部分通过一定的通信协议和MCU 进行数据传输交换， 用控制线控制数据流向。

　　（ 2）汽车接口电路

　　汽车电路由16 针的接口与MCU 电路连接。 其中， 接口各针的电路输出控制说明如表1所示。

表1汽车接口电路说明

 

　　（ 3）MCU 控制电路

　　在系统中， 各种控制命令由控制电路完成， 如启动切断汽车电路和油路， 以及进行声光报警等。 其中， 电路、油路和转向灯的控制电路由MCU的输出接口控制相应继电器实现。 报警喇叭控制电路由MCU 输出接口控制三极管实现。

　　中央门锁控制器和电动窗的控制电路采用了光电耦合器件来实现隔离。 电源由汽车电瓶的12 V 电源稳压成5 V 产生， 并装有9 V的备用电源， 当电源被剪断时备用电源就给主机板供电， 同时产生一个中断信号通知MCU 发出报警信号。

　　（ 4）网络接口电路

　　GSM 模块TC35和主控制器以串口的方式连接， 采用一定的波特率进行通信，简单可靠。

　　4  系统软件编程设计

　　4. 1  RFID 软件编程

　　数据在射频卡中的存储格式如表2所示。 数据的每Byte由10 bits组成， 第1 b it是H igh, 最后1 b it是Low, 第2~ 9 b it为实际发送的数据。

表2  数据存储格式表

 

　　读取射频信号时， 先将TXCT 置为Low, 延时50ms后， 再恢复成H igh. 大约经过3m s后， SC IO 开始输出数据， 总共输出14 Bytes数据。 程序需根据数据的存储格式对每Byte和每次读进的14 By tes进行校验， 当检测到错误则转入错误处理程序。

　　4. 2  GSM 软件设计

　　GSM 终端软件设计是为了实现MCU 对TC35模块的控制， 通过短信功能完成用户与防盗系统双向通信过程。 TC35模块与短信操作有关的AT命令可以通过3种途径： B lock模式、Tex t模式和PDU 模式。 用B lock模式需要手机生产厂家提供驱动支持。

　　目前， 这种模式已被PDU 所取代。 Text模式较简单， 可以实现数字和字符的直接收发； PDU 模式是将GB2312的中文编码转换为Unicode编码， 实现中文编解码收发。 为对产品提供多样化服务， 本方案实现了Tex t和PDU 2种模式。

（ 1） Text模式

 　　本设计主要传送系统状态、控制等信息， 采用Tex t模式就可以满足要求， 在该模式下， 控制TC35实用的AT命令如表3所示。

表3  AT命令功能说明表

 

　　（ 2） PDU 模式

　　发送和接收中文或中/英文混合的短信息必须采用PDU 模式。 根据GSM 07. 05的定义， 只要控制器通过UART接口向GSM 模块下发AT命令， 就可以直接读取收到的PDU 模式的短信息。 分析PDU 数据包时， 要根据PDU 的数据格式将收到的中文信息和其它相关信息解析出来。

　　①PDU 模式的纯英文短信息解码。 PDU 模式的纯英文短信息编码使用GSM 字符集的7位编码。

　　首先将各个字符转换为标准二进制ASC II码， 然后将后面字符的低位逐位调整到前面， 补齐前面的差别。 实际使用发现， 由于PDU 模式的纯英文短信息解码不方便， 因此收发纯英文字符和数字符号时， 最好采用Tex t模式。

　　②中文短信息的编解码转换。 在GSM 标准中，中文编码采用UTF- 8的编码， 不是目前国内常用的GB - 2312编码， 故还需要进行中文编码的转换，完成2个编码表的转换后， 才能实现显示GB- 2312汉字库中的汉字字型。 这也是编程需要考虑的。

　　4. 3  主控程序的设计

　　在主控程序中对2种情景进行软件设计：①车主持有RFID 射频卡时， 系统接受正确的ID, 并做出响应；② 车主遗失RF ID射频卡时， 车主通过GSM手机发送车主的认证信息以控制汽车。

　　设计②的原因是RFID 的ID 号具有唯一性， 当车主遗失射频卡时， 需要更换整个RF ID系统。 或者找厂家， 这是很困难的。 为了在更换前不影响车主对汽车的操作， 设置启动方法 ②并将其设置为高的优先级别。

　　主控程序的流程图如图3所示。

 

图3  主控程序流程图

　　5  小结

　　整个系统通过硬件制作和软件调试， 完全达到设计要求。 在0 01~ 5 m范围内， 系统工作稳定。 该系统大大提高了汽车防盗性能， 整体成本较低， 安装简单方便， 通用性强。 如果要增加全球定位跟踪功能， 随着GSM网络本身功能的增加与性能的提高，设计方案并不需要增加专门的GPS （ 全球定位系统）硬件模块， 只通过软件技术改进就可以做到， 其扩展优势是明显的。 该系统方案可以推广到各种移动场合的高级安防系统中。