基于RFID的网络式汽车安防系统设计

引言

　　随着国民经济的飞速发展，汽车被盗事件越来越多，汽车的安全保护技术己经引起广泛重视。汽车防盗器主要分为4大类：机械式、电子式、芯片式和网络式。电子式防盗是目前应用最多的防盗方式，而芯片式的数码防盗和网络式防盗则是汽车防盗技术的发展方向。射频识别（RadioFrequencyIdentification,RFID）技术通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，有着无源、免接触、安全性能好、使用方便等特点。全球移动通信系统（GlobalSystemforMobileCommunications,GSM）是目前移动通信体制中最为成熟、应用广泛的一种系统，能保证信息传输的实时性、安全性和可靠性，主要用于远程控制。本文结合芯片式和网络式防盗技术，利用RFID和GSM技术各自的特点，设计出新型的汽车安防系统，是汽车安全领域值得推广的一项智能化举措。

　　1 系统原理

　　系统主要由3大部分组成：控制器部分、射频识别部分及移动通信部分。如图1所示。

 

图1 系统结构图

　　1.1 控制器部分

　　系统以单片机为核心，包括监控电路（检测汽车的状态），矩阵键盘，执行机构，声光报警装置（扬声器及车灯），CAN通信及电源管理等模块。假如传感器检测到汽车被恶意破坏的情况后，立即声光报警，警示盗贼，并向车内的主控制器（ElectronicControlUnit,ECU）发出报警信号，由主控制器控制继电器切断点火电路和油路，同时向车主发出求救短信，由车主控制汽车。主人可以随意设置控制汽车的优先级，是MCU,或是ECU,还是HOST（主人）。

　　1.2 射频识别部分

　　射频识别系统一般由3个部分组成，即天线、电子标签和读写器。RFID系统的工作原理如下：读写器将要发送的信号，经编码后加载在某一频率的载波信号上经天线向外发送，进入读写器工作区域的电子标签接收此脉冲信号，卡内芯片中的有关电路对此信号进行调制、解码、解密，然后对命令请求、密码、权限等进行判断。若为读命令，控制逻辑电路则从存储器中读取有关信息，经加密、编码、调制后通过卡内天线再发送给读写器，读写器对接收到的信号进行解调、解码、解密后送至中央信息系统进行有关数据处理；若为修改信息的写命令，有关控制逻辑引起的内部电荷泵提升工作电压，提供擦写E2PROM中的内容进行改写，若经判断其对应的密码和权限不符，则返回出错信息。

　　当一个具有正确识别码的钥匙插入点火开关后，汽车才能用正确的方式进行启动。当点火开关关闭时，读写器输出1个13 56MHz的充电脉冲到车钥匙顶部的标签里。标签接收到这个脉冲信号后就给电容器充电。从而使应答器发射l个特定的代码至读写器，信号的传输就发生在读写器的天线和标签的天线之间。读写器的控制模块对此信号进行解码并把它与存储在微处理器内存中的代码进行比较。如果相同，控制模块便启动发动机的控制程序和点火开关；只要有一位不相同，系统就会发出相应的报警信息。

　　1.3 移动通信部分

　　GSM模块，是将GSM射频芯片、基带处理芯片、存储器、功放器件等集成在一块线路板上，具有独立的操作系统、射频处理、基带处理并提供标准接口的功能模块。GSM模块具有发送SMS短信、语音通话、GPRS数据传输等基本功能。

　　开发人员使用微控制器通过RS232串口与GSM模块通信，使用标准的AT命令来控制GSM模块实现各种无线通信功能，例如：发送短信、拨打电话、GPRS拨号上网等。这里主要采用模块的短信功能，来实现远程遥控，成本低廉，实时性好。

　　2 硬件设计

　　2.1 控制电路

　　微控制器选用ST公司的STM8AF51AA。该器件是专为汽车量身打造的高可靠性、强鲁棒性及低成本的8位单片机。内置真数据E2PROM,具有丰富的通讯接口，包括CAN2 0B,USARTL,INUARTLIN2 1,SPI及I2C等，运行速度可达10MIPS（16MHz）。监控电路采用热释电红外传感器CS9803GP型红外成品组件、振动传感器CHJ ZD01,执行机构是继电器，CAN总线驱动接口采用PCA82C250,电源转换模块LM7805以及AS1117,由于系统需要3种电压，12V、5V、3 3V,故通过稳压器LM7805将汽车蓄电池电压降为5V,然后再通过AS1117降为3 3V供MFRC522所用。

　　电源管理芯片MAX708,当突然掉电时，将单片机掉电前瞬间的状态信息保存到E2PROM中，以备重新上电时读取，当电源电压过低时也会产生一个复位脉冲，防止程序跑飞。

2.2 射频接口电路

　　NXP公司的Mifare卡现在是市场的主流。MFRC522是NXP公司针对“三表”应用新推出的一款非接触式低功耗读写基站芯片。该读卡芯片完全集成了13 56MHz下所有类型的被动非接触式通读方式和协议。MFRC522支持ISO14443A所有的层，传输速度最高达424kbps.数字处理部分提供奇偶和CRC检测功能。具有3种接口方式可方便地与任何MCU通讯：SPI模式、UART模式、I2C模式。甚至可通过RS232或RS485通讯方式直接与PC机相联，给终端设计提供了前所未有的灵活性。

　　由于MFRC522支持的数字接口形式多种多样，芯片在每次复位时都会检测外部引脚连接关系。除了通用的4条SPI信号线（时钟线SCK、输入数据线MOSI、输出数据线MISO和选通线NSS），MFRC522要求额外的两个引脚I2C和EA分别固定接低电平和高电平。这两个引脚不参与SPI总线传输，只起设定MFRC522数字界面采用SPI接口的作用。另外，片选信号保证在写入数据流期间为低电平，而在无数据流写入时则为高电平。MFRC522与STM8AF51AA的硬件电路连接如图2所示，在本系统中这两者之间的通讯采用的是SPI方式。

　　在图中省略了一些STM8AF51AA没有用到的引脚和那些相对简单的电源、外部晶振等电路。

 

图2 射频接口电路图

　　2. 3 GSM接口电路

　　本系统的GSM模块选用Simcom公司的GSM900/1800MHz网络双频模块SIM300DZ,模块是三频（900/1800/1900）的GPRS系列，具有睡眠模式功能，具有嵌入式的TCP/IP与透明模式，能够自动解析波特率，改善公共服务电子化性能。

　　SIM300DZ的外围电路主要有SIM卡座和模块的通信接口。通信接口分别为SIM_CLK,SIM_RST,VCC和SIMI/O,其中SIM_CLK,SIMI/O是SIM卡与模块时钟和数据的通讯线，SIM_RST,VCC为复位口和电源；另外还有与MCU串口相连的串口接口RXD和TX,AT指令就是通过两个通道在MCU和GSM模块之间进行收发的；除此之外，GSM模块还包括系统语音通道和MIC通道，这两个通道是MCU通过AT指令进行切换的，主要运用于放到监控器中系统语音和麦克风之间的切换；最后还有双音多频（DualToneMultiFrequency,DTMF）信号的发送端口IN+和IN-,当用户和放到监控器的车载电话处于通话状态时，如果有按键行为，这时所产生的DTMF信号就是通过IN+和IN-发送到双音多频解码芯片解析并产生Q信号的，此时，MCU根据Q信号来决定该如何进行操作。

　　3 软件设计

　　安防系统控制软件需要完成传感信号检测、车主身份识别、收发短消息、对汽车上的主要部件的控制、声光报警等功能。在完成初始化及开中断之后系统，处于低功耗的待机状态。一有中断，就结束闲置方式在中断服务子程序中对引起中断的事件作相应的处理，并使相应的标志位置位，在中断结束后，程序将根据标志位的状态去执行各自相应的处理程序。采用模块化编程思想，防盗系统程序模块主要包括主控模块、身份识别模块、GSM处理模块和报警处理模块等。

　　3.1 主程序流程

　　此模块是本系统的核心，包括对相关设备初始化函数的调用和设置，以及在它的程序主函数中调用其他模块中的相关函数以完成程序功能。其基本思想是采用轮询方式，在一个大主循环里调用各个功能模块中各自的小循环，并在各关键部位设置看门狗，以防系统死机。主程序流程如图3所示。

 

图3 主程序流程图

　　3.2 身份识别流程

　　STM8A首先对MFRC522进行初始化配置，寄存器设置好后MFRC522就可以接收MCU的命令执行操作，实现与Mifare卡片通信。Mifare卡可以根据接收到的指令进行相应操作。但是STM8A并不是通过简单的指令就可以读写IC卡片，需要一系列的操作才能完成通信。主要包括：（1）请求唤醒；（2）防重叠（防止多张卡片重叠造成的数据错误）；（3）选择卡片；（4）密码认证；（5）读写操作。STM8A对Mifare卡片的这一系列操作流程必须按固定的顺序进行。当有Mifare卡进入到射频天线的有效范围，读卡程序将开始进行上述一系列的操作，将卡片唯一的64位ID读出，与E2PROM中的已存的ID进行对比，以确定车主的身份是否合法。

　　3.3 GSM操作流程

　　GSM模块为本课题的重点和难点。当串口检测到有新短信发送至SIM卡时，此任务将被激活。通过初始化任务调用AT+CNMI指令，可以使短消息送达时模块自动发送+CMTI:,到STM8A,其中表示新短消息在SIM卡存储器中的位置，以便方便读取。系统正是依靠判断是否收到+CMTI来激活此任务。

　　此任务的流程图如图4所示。首先通过AT+CMGR指令将短消息的协议数据单元（ProtocolDataUnit,PDU）读入一个专门的数组中，向模块发送AT+CMGR=/r/n指令，模块则会将SIM卡存储器中位置的短消息送出，具体格式为+CMGR:,[],OK.通过指针寻找，可以方便的将PDU读出。其后从PDU中提取发送方电话号码、UD中的密码、内容。只要辨认出关键词，就可以判断是何种操作类型。所以可以将“密码设置”、“用户号码”、“供油供电”、“断油断电”这些关键词在的PDU中的编码存入固定的常量数组中，将收到的PDU内容通过“strncmp ”函数与之比较即可得出操作类型。这里需要注意的是，PDU中的短消息内容以unicode码的“hex ”形式表示，每一个字均占4个字节。如“供”字的unicode码为两个字节“0x4F ”和“0x9B ”,在PDU中，则表示为4个字节“4F9B ”。

 

图4 GSM操作流程图

　　4 结束语

　　本汽车安防系统综合了RFID和GSM的优点，车钥匙即射频卡，非接触，安全，便捷，用户手机实现对汽车的远程监控和分级响应，报警覆盖面广，采用了车用微控制器，现场的抗干扰能力增强，可靠性高，较好地达到了汽车防盗要求的各项指标，在实际试用中取得了很好的效果。另外功能易于扩展，如果需要定位跟踪功能，可添加GPS模块，如果要进入物联网，也只需要在软件上进行修改。因此完全可以取代目前使用的无线电防盗技术，有着可观的实用价值和市场前景。