汽車防盜報警監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計

引言 
　　汽車日益成為人們生活中不可缺少的部分，然而，令汽車用戶擔(dān)憂的是車輛被盜現(xiàn)象呈逐年上升趨勢。本文旨在設(shè)計一個方便可靠，功能強(qiáng)大的汽車報警器。當(dāng)汽車遭遇到危險情況時，立即啟動警報，同時發(fā)送相應(yīng)信息到指定的手機(jī)上，通知車主有異常情況。車主可以通過手機(jī)監(jiān)聽車內(nèi)情況并控制汽車，以有效地防止汽車被盜。此外，若在車內(nèi)加一個緊急按鈕，不僅可以在車主遇到搶劫或其他危險情況時，向外界求助，也可以幫助警方對車子進(jìn)行定位?？紤]到時間和成本問題，本文僅針對振動信息的檢測、車輛信息的傳輸與控制問題進(jìn)行重點(diǎn)研究。

　　振動信息檢測

　　圖1中，當(dāng)物體有向右的加速度時，由于慣性，中間擋板與電容板間距隨之變化，從而造成電容值的變化（也有通過改變電容板的面積實(shí)現(xiàn)電容變化的）。經(jīng)過后續(xù)開關(guān)電容、單位增益放大、電荷放大電路等一系列處理就可以得到與加速度信息成正比關(guān)系的電壓信號。系統(tǒng)采用的MMA7260QT加速度傳感器就是基于上述原理。

　　傳統(tǒng)的防盜報警器側(cè)重于對瞬時振動、沖擊的檢測，雖然可以識別出車門遭遇暴力打開的情況，但極易造成誤判報警（如附近的異響導(dǎo)致報警）。針對以上問題，本文采取了以下三點(diǎn)改進(jìn)措施：

　?。?）增加了對車門打開動作的檢測，提取車門打開時的加速度信息作為車輛被盜的依據(jù)之一。 
　?。?）適當(dāng)選取車門被暴力打開的特征時間，而不是單純依靠加速度峰值越界作為車輛被盜的依據(jù)。 
　　（3）增加了對車體傾斜角度的測量，防范拖車和整車搬運(yùn)等盜竊手段。

　　車輛信息的傳輸與控制

　　將傳統(tǒng)防盜報警技術(shù)與現(xiàn)代GSM數(shù)字移動通信技術(shù)相結(jié)合，就可以實(shí)現(xiàn)車輛狀態(tài)監(jiān)控、調(diào)度、防盜報警、防劫報警、遠(yuǎn)程控制、跟蹤定位、車載電話等功能。系統(tǒng)采用SIEMENS公司的TC35i GSM Modem模塊，這樣就可以突破空間限制，將車輛信息通過GSM網(wǎng)絡(luò)傳送至全球各地。由于系統(tǒng)需要眾多功能模塊的支持，限于時間和成本問題，本文僅通過以下兩點(diǎn)驗(yàn)證了系統(tǒng)的可行性和實(shí)用性：

　?。?）將車輛的當(dāng)前狀態(tài)發(fā)送到指定的手機(jī)上，要求能夠分辨出車輛被竊的信息來源：車門振動、車輛傾角異常、非法人員進(jìn)入等。 

　　（2）手機(jī)發(fā)送指令到GSM Modem模塊上，要求只有設(shè)定的手機(jī)號碼才能得到系統(tǒng)的控制權(quán)，能夠區(qū)分不同的控制指令并執(zhí)行。

系統(tǒng)概述

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

　　如圖2所示：以MC9S08QG8單片機(jī)為核心，輔以MMA7260QT加速度模塊、HOLUX GM－82 GPS模塊、TC35i GSM Modem模塊等功能模塊實(shí)現(xiàn)對汽車的實(shí)時監(jiān)控。電源部分?jǐn)M采用車載蓄電池做主電源；一旦主電源被切斷，即切換到內(nèi)置電池供電，進(jìn)入節(jié)能模式，有效工作達(dá)數(shù)月以上。

系統(tǒng)硬件

　　MC9S08QG8單片機(jī)及其外圍電路

　　該型號單片機(jī)是Freescale公司主推的8位單片機(jī)，它的幾項(xiàng)內(nèi)置功能與汽車防盜報警系統(tǒng)的要求正好吻合，所以用它作系統(tǒng)核心。

　　單片機(jī)的最小系統(tǒng)使用Synhayato公司的CT298開發(fā)板?；逯饕梢韵聨撞糠纸M成：單片機(jī)（MC9S08QG8）、USB-mini B型連接器、電源和復(fù)位開關(guān)、USB-COM轉(zhuǎn)換器（FT232R）、BDM工具連接頭、輸入輸出器件（按鈕鍵，LED燈，蜂鳴器）、MM-2860用插座、外部擴(kuò)展連接槽（柵距為1mm、16引腳扁電纜連接槽）和測試端口。

　　MMA7260QT加速度模塊及其外圍電路

　　現(xiàn)代汽車的防盜系統(tǒng)通常采用對車體的沖擊、振動監(jiān)測的方式預(yù)警，常用的器件多為磁效應(yīng)傳感器。由于磁效應(yīng)加速度傳感器自身的一些問題，會使得后續(xù)信號處理電路和微控制器接口電路復(fù)雜，致使系統(tǒng)報警的可靠性降低，誤報率較高。另外，對付拖車或整車搬運(yùn)最有效的方法是對車體的傾斜角度進(jìn)行監(jiān)測，而磁效應(yīng)傳感器無法測量靜態(tài)加速度，不能對車體的傾斜角度進(jìn)行測量。MMA7260QT是Freescale公司設(shè)計生產(chǎn)的單芯片集成三軸加速度傳感器，它可以對車體微小振動和整車的傾斜角度同時進(jìn)行監(jiān)測。將其應(yīng)用于汽車防盜系統(tǒng)不但擴(kuò)大了系統(tǒng)的監(jiān)測范圍，而且簡化了系統(tǒng)，提高了防盜系統(tǒng)報警的可靠性。

　　MMA7260Q的內(nèi)部模塊結(jié)構(gòu)是在單一芯片上集成三個相互獨(dú)立、測量方向相互垂直的敏感元的測量模塊，是由多晶硅微加工表面工藝制成的電容式加速度傳感器；由硅片表面的彈性結(jié)構(gòu)支撐起的質(zhì)量塊下面貼附電容的一個極板，電容的另一極板固定。當(dāng)加速度引起質(zhì)量塊的相對位置變化時，電容值也發(fā)生變化，然后經(jīng)過電容電壓轉(zhuǎn)化電路和放大濾波電路后輸出與加速度成正比的電壓信號。

　　TC35i GSM Modem模塊

　　TC35i 是Siemens公司推出的新一代GSM通信模塊。TC35i無線模塊尺寸小巧，安裝設(shè)計靈活，易于集成且功耗低。模塊有AT命令集接口，支持文本和PDU模式的短消息、第三組的二類傳真、以及2.4k、4.8k、9.6k的非透明模式。TC35i模塊主要由GSM基帶處理器、GSM射頻模塊、供電模塊(ASIC)、閃存、ZIF連接器、天線接口六部分組成。作為TC35i的核心，基帶處理器主要處理GSM終端內(nèi)的語音、數(shù)據(jù)信號，并涵蓋了蜂窩射頻設(shè)備中的所有的模擬和數(shù)字功能。在不需要額外硬件電路的前提下，可支持FR、HR和EFR語音信道編碼。

　　其它輔助電路

　　除了上述主要功能電路外，系統(tǒng)還包括一些輔助電路。它們主要是：3.3V穩(wěn)壓電源（CT-298開發(fā)板上的穩(wěn)壓電源提供的電流有限，不能負(fù)擔(dān)整個系統(tǒng)的供電），由TI公司的TLV2217-33 LDO和一些電容構(gòu)成，能夠提供500mA的電流；串口電平轉(zhuǎn)化電路（方便與TC35i進(jìn)行連接通信），主要由MAXIM公司的MAX3232構(gòu)成，提供TTL電平與232C電平的轉(zhuǎn)化；LED指示燈驅(qū)動電路以及按鍵電路等。

系統(tǒng)軟件

　　系統(tǒng)軟件的整體設(shè)計思路

　　系統(tǒng)主要包含四種工作狀態(tài)：停車狀態(tài)、行駛狀態(tài)、被盜狀態(tài)和被搶狀態(tài)。單片機(jī)首先判別停車狀態(tài)和行駛狀態(tài)，這主要依靠密鑰識別技術(shù)實(shí)現(xiàn)。密鑰識別有很多種，本文設(shè)想采用射頻識別技術(shù)（RFID，Radio Frequency Identification）。它的基本原理是利用射頻方式進(jìn)行非接觸雙向通信，以達(dá)到識別目的，并交換數(shù)據(jù)。RFID系統(tǒng)的射頻卡和讀卡器之間不用接觸就可完成識別，通過對RFID卡進(jìn)行讀寫操作，可實(shí)現(xiàn)對各類物體或設(shè)備（人員、物品）在不同狀態(tài)（移動、靜止或惡劣環(huán)境）下的自動識別和管理。RFID卡可存儲128字節(jié)的數(shù)據(jù)，前4字節(jié)為ID號，該ID號是全球唯一的，可作為車主身份識別標(biāo)志，剩余字節(jié)可用于存儲一些輔助的校驗(yàn)信息。

　　在停車模式下，單片機(jī)會依次檢測振動信息、傾角信息、車門信息、點(diǎn)火信息、人員信息是否正常，系統(tǒng)將綜合上述信息判斷車輛狀態(tài)。如果判斷結(jié)論為車輛被盜，則系統(tǒng)進(jìn)入被盜模式。系統(tǒng)會首先將信息發(fā)送給車主，然后將控制權(quán)交予車主，車主可以查詢車輛的位置、車內(nèi)的人員信息，還可以進(jìn)行啟動高分貝聲光報警，關(guān)閉發(fā)動機(jī)、斷油斷電等操作。如果結(jié)論是車輛正常，則系統(tǒng)回到起始狀態(tài)，再次循環(huán)。在行駛模式下，系統(tǒng)將不斷查詢求救按鈕是否按下，一旦求救按鈕按下，車輛將進(jìn)入被搶模式。系統(tǒng)會首先將信息發(fā)送到指定的手機(jī)號碼上（例如車主朋友），然后控制權(quán)交予控制中心（通過指定的手機(jī)號碼），控制中心同樣可以執(zhí)行上述控制操作。

　　振動、傾角信息的提取和判別

　　由上文可知，我們需要從加速度信息中提取出以下三種信息：撬鎖時車體振動、車門打開時的加速度信號、車輛的傾角變化。它們的波形如圖3所示，在正常情況下，如圖中的平穩(wěn)區(qū)所示，X、Y、Z三個方向的加速度基本不變（但是有輕微的擾動）。有人撬鎖時，加速度值會出現(xiàn)一個減幅震蕩的過程，震蕩的周期很短，只有十幾毫秒。而在車門打開的過程中，加速度值會出現(xiàn)一個很大的變化，并且持續(xù)的時間較長，能達(dá)到上百毫秒。

　　經(jīng)分析我們可以發(fā)現(xiàn)，撬鎖振動和車門打開時的加速度值都與加速度變化的速度有關(guān)，更適合用差分來表示；傾角的變化只與加速度值變化的大小有關(guān)，而與變化的速度無關(guān)，可以直接用當(dāng)前的加速度來表示。針對聲波振動所造成的誤報，本文采用兩種辦法：由于聲波振動的頻率遠(yuǎn)高于撬鎖振動的頻率，適當(dāng)降低ADC的采樣頻率就可以濾去大部分，系統(tǒng)的采樣頻率是1000Hz；若干項(xiàng)相鄰差分值加權(quán)平均，這相當(dāng)于低通濾波的作用，也可以濾除聲波造成的振動，系統(tǒng)采用3項(xiàng)加權(quán)平均。假設(shè)ADC采樣量化后的值為
A=a(1)+…+a(i-1)+a(i)+a(i+1)+… 
加權(quán)系數(shù)為M1、M2、M3，則加權(quán)平均處理的公式為 
b(i)=[M1*a(i-1)+M2*a(i)+M3*a(i+1)]/(M1+M2+M3)

　　對于傾角的檢測通過現(xiàn)在的加速度值與平穩(wěn)狀態(tài)下的加速度值作差得到，設(shè)初始加速度值為a(0)，則當(dāng)a(i)-a(0)的絕對值大于設(shè)定值時即可認(rèn)為傾角變化超標(biāo)，啟動報警。ADC初始化的部分程序如下： 




 
　　車輛信息的傳輸與控制
　　車輛信息的傳輸與控制主要依靠的是Siemens公司的TC35i GSM Modem模塊。單片機(jī)通過串口對TC35i寫AT指令，從而達(dá)到信息的傳輸與接收的目的。
單片機(jī)控制TC35i收發(fā)信息的主要程序如下：  

 　　MC9S08QG8單片機(jī)編程注意事項(xiàng)

　　MC9S08QG8單片機(jī)不同于一般的51單片機(jī)，在編程時有一些值得注意的地方，特列舉如下：

　　1) SOPT1寄存器寫入問題：SOPT1是一個單次寫入寄存器，每次復(fù)位后只能寫一次。所以它的每個位要一次寫入，而不能分多次寫。比如下面語句

　　則單片機(jī)只認(rèn)為第一條指令有效，而后面的語句無效。這樣就造成外部中斷復(fù)位腳可用，看門狗定時器卻不能關(guān)閉。應(yīng)該寫成以下形式  

　　2)片內(nèi)起振狀態(tài)下ICS Trim Register (ICSTRM)寄存器一定要設(shè)置。這個寄存器就是用來調(diào)節(jié)內(nèi)部振蕩器的時鐘頻率的，因?yàn)閮?nèi)部振蕩器是采用半導(dǎo)體工藝制成的，不同芯片的振蕩頻率會有偏差，Trim寄存器就用來調(diào)整這個偏差。調(diào)整值一般在出廠時就寫在芯片的固定位置上了，直接使用即可。但是BDM調(diào)試時會根據(jù)設(shè)定的頻率對其進(jìn)行調(diào)整（可能與上電復(fù)位的初始值不同），將造成時鐘頻率微小改變，從而BDM調(diào)試狀態(tài)與掉電復(fù)位后的時鐘頻率不同，在SCI通信時造成波特率不準(zhǔn)g。