何光禹，孫 成，蔡海峰，李太全

（長江大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，湖北 荊州 434000）

隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，汽車作為重要的交通工具正在迅猛增加，隨之而來的汽車被盜事件也日趨增多。目前汽車防盜設(shè)備主要有機(jī)械式防盜器、電子式防盜系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)式防盜系統(tǒng)。它們之間各有優(yōu)劣，但其發(fā)展趨勢是向智能程度高的網(wǎng)絡(luò)式方向發(fā)展。20世紀(jì)60年代以來，電子信息技術(shù)的飛速發(fā)展使電子信息技術(shù)、傳感器技術(shù)、數(shù)據(jù)通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)處理技術(shù)等有效地應(yīng)用于汽車防盜技術(shù)，促進(jìn)了汽車防盜技術(shù)的高度智能化和功能多樣化。國內(nèi)已有部分高校、公司開發(fā)了相關(guān)的產(chǎn)品。但從文獻(xiàn)[1]～[6]可以看出，汽車防盜技術(shù)仍存在監(jiān)控盲區(qū)、易被破壞和信號易受干擾等缺陷。

基于 GPS（Global Positioning System）和 GSM （Global System for Mobile Communications）網(wǎng)絡(luò)的汽車防盜系統(tǒng)，以其高度的智能化，先進(jìn)的監(jiān)控技術(shù)，依托監(jiān)控中心進(jìn)行對汽車的定位及報(bào)警，在經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的大中城市已被廣泛采用。然而在中小城市，廉價、可靠的汽車防盜系統(tǒng)卻有待開發(fā)。本項(xiàng)目采用GPS和GSM網(wǎng)絡(luò)，開發(fā)一種較為廉價、更加可靠的汽車防盜系統(tǒng)。該系統(tǒng)能在汽車被盜走、破壞以及防盜系統(tǒng)被部分拆卸的情況下，將相關(guān)信息發(fā)送到車主預(yù)先設(shè)定的手機(jī)等通信設(shè)備，以實(shí)現(xiàn)對汽車狀況的了解和跟蹤。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于GPS和GSM的新型汽車防盜系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。該系統(tǒng)由車載設(shè)備、控制設(shè)備和顯示設(shè)備構(gòu)成。車載設(shè)備以GPS模塊和GSM模塊為核心，各模塊在車輛內(nèi)部組成ZigBee無線局域網(wǎng)，主要功能是監(jiān)測車輛狀況、采集車輛位置信息并將信息發(fā)送給控制設(shè)備?？刂圃O(shè)備采用嵌入式系統(tǒng)與GSM模塊結(jié)合，并與顯示設(shè)備連接，主要功能是發(fā)送用戶命令、接收和處理遠(yuǎn)程端的數(shù)據(jù)、并將數(shù)據(jù)送給顯示設(shè)備。顯示設(shè)備為用戶的PC機(jī)或便攜式筆記本等，主要功能是顯示車輛的實(shí)時位置，并跟蹤車輛行駛路徑。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 車載設(shè)備

車載設(shè)備由多個GPS模塊、GSM模塊和ZigBee無線模塊組成，各模塊通過ZigBee模塊無線連接，如圖2所示。

2.1.1 ZigBee模塊

ZigBee是一種短距離、低速率、低功耗、低成本和低復(fù)雜度的無線傳輸技術(shù)。它工作在無需注冊的2.4 GHz ISM頻段，傳輸速率為 100～250 Kb／s，傳輸距離為 10～75 m。 TI／Chipcon公司的CC2430內(nèi)部集成有8051微控制器核和符合IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的2.4 GHz的 RF無線電收發(fā)機(jī)，還具有128 KG可編程閃存和8 KG的RAM。系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理程序運(yùn)行在這個芯片上。ZigBee無線模塊由CC2430芯片、時鐘電路、復(fù)位電路、電源電路、天線及相應(yīng)外圍電路組成，為了增強(qiáng)模塊的抗干擾能力，在PCB電路板上增加了一個防護(hù)罩。

2.1.2 GPS接收模塊

選用SR－87型串口GPS接收模塊，具有高靈敏度、高性能的SiRF StarⅢ導(dǎo)航芯片，最多可同時接收20個衛(wèi)星，提供快速定位和1 Hz數(shù)據(jù)更新速率。該模塊支持NMEA0183.22通信協(xié)議，輸出SiRF二位編碼，能夠快速啟動（冷，暖，熱開機(jī)時間分別為42，28，1 s）。并提供小于10 m的二維定位精度，適合車載GPS設(shè)備的要求。SR－87的2、3引腳為數(shù)據(jù)輸出與輸入端，分別連接CC2430的17、18引腳，6引腳為狀態(tài)指示端，當(dāng)輸出有效的GPS數(shù)據(jù)時，該端輸出脈沖信號，外接LED予以指示。模塊的5引腳和外殼要同時接地。

2.1.3 GSM通信模塊

系統(tǒng)采用Siemens公司的新一代無線通信模塊TC35i，配合相應(yīng)的外圍電路可實(shí)現(xiàn)SMS消息服務(wù)功能。TC35i共有40個引腳，通過ZIF連接器分別與電源、啟動和關(guān)閉、SIM卡、數(shù)據(jù)通信、狀態(tài)指示等電路連接。模塊上電后，需在其15引腳（啟動引腳）加時長至少為100 ms的低電平信號，才能啟動。啟動后該引腳應(yīng)保持高阻抗?fàn)顟B(tài)。

TC35i的數(shù)據(jù)接口采用串行異步收發(fā)，符合ITU－T RS－232接口電路標(biāo)準(zhǔn)，工作在CMOS電平（2.65 V）。數(shù)據(jù)接口配置為8位數(shù)據(jù)位、1位停止位、無校驗(yàn)位，可以在300～115 Kb/s的波特率下運(yùn)行，支持的自動波特率為4.8～115 Kb/s（14.4 Kb/s和28.8 Kb/s除外）。

TC35i模塊還支持RTS0/CTS0的硬件握手和XON/XOFF的軟件流控制。模塊的第18、19引腳為串口數(shù)據(jù)發(fā)送和接收端口，與 CC2430 的 P02、P03 連接（如圖 3）。 此外，TC35i在發(fā)射時，瞬時電流可達(dá)到2 A，而此時的電壓降不能超過0.4 V，否則模塊將自動關(guān)閉。

2.2 控制設(shè)備

ATMEGA128有2個串行異步收發(fā)接口，工作在COMS電平，一接口可與TC35i的數(shù)據(jù)接口直接連接，另一接口經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換電路與PC串口連接。在相應(yīng)外部電路的配合下，構(gòu)成控制臺，如圖4所示。微處理器ATMEGA128通過串口讀取TC35i中的數(shù)據(jù)，經(jīng)過處理后再通過另一串口發(fā)送給PC?？刂瓢存I產(chǎn)生中斷信號，作為用戶指令，控制數(shù)據(jù)收發(fā)?？刂破鞯墓ぷ鳡顟B(tài)由狀態(tài)指示電路顯示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 GPS數(shù)據(jù)處理

SR-87型GPS數(shù)據(jù)接收模塊支持NMEA0183的通信標(biāo)準(zhǔn)， 輸出 4 條語句$GPGGA，$GPGSA，$GPRMC，$GPVTG。$GPRMC是標(biāo)準(zhǔn)推薦的輸出語句，該語句包含UTC時間、接收狀態(tài)、經(jīng)度、緯度、速度、航向等信息。經(jīng)處理可得到單一的GPRMC 語句，例（長江大學(xué)，實(shí)驗(yàn)室）：$GPRMC，143448.000，A，3020.0745，N，11212.4731，E，0.00，141.81，180509，，，*6F。該數(shù)據(jù)經(jīng)過處理，從中提取經(jīng)度、緯度、速度、航向等有用信息，這些信息是定位車輛位置的主要來源。

3.2 GSM網(wǎng)絡(luò)通信

TC35i GSM模塊提供的命令接口符合GSM07.05和GSM07.07規(guī)范。GSM07.07中定義的AT Command接口，提供了一種移動平臺與數(shù)據(jù)終端設(shè)備之間的通用接口。在短消息模塊收到網(wǎng)絡(luò)發(fā)來的短消息時，能夠通過串口向數(shù)據(jù)終端設(shè)備發(fā)送指示消息，數(shù)據(jù)終端設(shè)備可以使用GSM AT指令通過串口向GSM模塊發(fā)送各種命令。通過AT指令（見表1），可以控制SMS消息的接收與發(fā)送。

SMS消息的發(fā)送采用PDU（protocol data unit）模式，在數(shù)據(jù)發(fā)送時需要把ASCⅡ字符及漢字統(tǒng)一編碼成UCS2碼。接收到的數(shù)據(jù)是以7 bit的編碼形式存儲在TC35i模塊或SIM卡內(nèi)，在數(shù)據(jù)讀取時直接從TC35i模塊中得到符合GSM規(guī)范的數(shù)據(jù)，需經(jīng)過提取得到7 bit編碼的有效數(shù)據(jù)。然而這些數(shù)據(jù)是以ASCⅡ字符的形式存在的，要轉(zhuǎn)換成8位的十六進(jìn)制形式的7 bit編碼，再解碼成可用的ASCⅡ碼數(shù)據(jù)，如圖5所示。這樣得到遠(yuǎn)程發(fā)送來的原始數(shù)據(jù)，然后把這些數(shù)據(jù)模擬成NMEA-0183格式的串口數(shù)據(jù)包輸出，并加入校驗(yàn)碼（半字節(jié)校驗(yàn)）。

表1 AT指令表Tab.1 AT command

3.3 ZigBee無線局域網(wǎng)的建立

在系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)測端，每個GPS模塊或GSM模塊與一個ZigBee模塊組合，構(gòu)成ZigBee網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)。系統(tǒng)啟動后，這些網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)按照以下3個過程組建無線局域網(wǎng)：

1）網(wǎng)絡(luò)初始化過程：節(jié)點(diǎn)（配有CC2430射頻芯片的模塊單元）初始化后，掃描信道檢查網(wǎng)絡(luò)是否存在；

2）主節(jié)點(diǎn)配置網(wǎng)絡(luò)過程：產(chǎn)生協(xié)調(diào)器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，開始配置網(wǎng)絡(luò)；

3）從節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)過程：終端設(shè)備節(jié)點(diǎn)申請加入?yún)f(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)或路由節(jié)點(diǎn)。

當(dāng)ZigBee網(wǎng)絡(luò)組建完成后，網(wǎng)絡(luò)推薦一個GSM模塊與控制端建立聯(lián)系，其他GSM模塊處于備用狀態(tài)，系統(tǒng)進(jìn)入監(jiān)測狀態(tài)。如有異常情況發(fā)生，異常信息匯集到推薦的GSM模塊，向控制端發(fā)出報(bào)警信息。監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)定時檢測網(wǎng)絡(luò)的工作狀況，一旦有網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)出現(xiàn)異常，也會發(fā)出報(bào)警信息，如果出現(xiàn)異常的結(jié)點(diǎn)是與控制端建立聯(lián)系的GSM模塊，系統(tǒng)推薦另一個GSM模塊進(jìn)入工作狀態(tài)。

3.4 防盜策略

系統(tǒng)啟動后，一旦監(jiān)測到異常，遠(yuǎn)程端通過GSM網(wǎng)絡(luò)向用戶定義的控制端或手機(jī)發(fā)送報(bào)警信號。用戶通過控制端或手機(jī)下達(dá)命令，獲取車輛的位置信息，借助電子地圖 （如GOOGLE地圖），可以實(shí)現(xiàn)對被盜汽車的跟蹤。

車輛內(nèi)部的ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)，能夠較好應(yīng)對竊賊對車載設(shè)備的攻擊。各模塊在物理連接上是獨(dú)立的，可安裝在車輛內(nèi)任何位置；模塊的數(shù)量是不確定的，由用戶自定，塊間由ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)連接。各模塊間能相互通信，當(dāng)個別模塊被壞，其他模塊能迅速響應(yīng)，發(fā)報(bào)警信息，并啟動其他模塊，同時網(wǎng)絡(luò)自動更改結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)正常運(yùn)行。

4 試驗(yàn)結(jié)果

在實(shí)驗(yàn)過程中選用了GPS模塊和GSM模塊各3個，安裝在車內(nèi)較為隱秘的位置，在車內(nèi)形成了具有6個節(jié)點(diǎn)的ZigBee網(wǎng)絡(luò)。將控制設(shè)備與計(jì)算機(jī)串口連接，計(jì)算機(jī)運(yùn)行電子地圖軟件，按下控制設(shè)備上的“跟蹤”鍵，即在電子地圖上觀測到車輛的實(shí)時位置，如圖6所示。隨機(jī)拆出其中2個節(jié)點(diǎn)，仍可觀測到車輛位置，并收到了告警信息，系統(tǒng)沒有受到影響。只要保證車內(nèi)有一對由GPS模塊和GSM模塊構(gòu)成的節(jié)點(diǎn)存在，系統(tǒng)仍可正常運(yùn)行。按照概率論，隨機(jī)拆出3個節(jié)點(diǎn)而使系統(tǒng)遭受徹底破壞的可能性只有5%。在安裝時注意節(jié)點(diǎn)的位置，多個節(jié)點(diǎn)都被拆出的可能性將會降低。

5 結(jié)束語

采用GPS和GSM網(wǎng)絡(luò)與ZigBee技術(shù)，在車內(nèi)組建Zig-Bee無線數(shù)據(jù)傳輸局域網(wǎng)，在汽車被盜、破壞以及防盜系統(tǒng)被部分拆卸的情況下，仍能將相關(guān)信息發(fā)送到車主預(yù)先設(shè)定的手機(jī)等通信設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了對汽車的實(shí)時監(jiān)控保護(hù)。各局域網(wǎng)各節(jié)點(diǎn)之間能夠相互通信，當(dāng)個別單元遭到破壞時，其他單元能迅速響應(yīng)，發(fā)出報(bào)警信息，并自動更改網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，維護(hù)局域網(wǎng)的正常運(yùn)行，從而提高了系統(tǒng)的安全性。與一般的GPS和GSM汽車防盜系統(tǒng)比較，該系統(tǒng)增加了冗余的GPS、GSM模塊，提高了系統(tǒng)的可靠性。由于模塊間采用無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，增加了防盜系統(tǒng)的隱秘性，降低了系統(tǒng)徹底被破壞的可能。

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