基于GSM網(wǎng)絡(luò)的RFID汽車防盜系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文采用RFID芯片技術(shù)與GSM模塊技術(shù)設(shè)計(jì)并制作了汽車防盜系統(tǒng)，與其它防盜系統(tǒng)相比，其主要特點(diǎn)如下：

（ 1）編碼唯一性和不可復(fù)制性

普通電子式防盜器是時(shí)下最流行的防盜器， 它通過手持遙控裝置來設(shè)防和撤防，遙控收發(fā)模塊可以采用固定碼編碼和滾動(dòng)碼編碼方式。固定編碼方式的缺點(diǎn)是地址碼容易重復(fù)，并且容易被復(fù)制。而滾動(dòng)碼方式每次發(fā)送的代碼都是唯一且不規(guī)則的，但通過專門的解碼器也能在幾秒鐘內(nèi)解碼，且這種防盜器經(jīng)常會(huì)有誤報(bào)警的情形發(fā)生。

新方案采用了RFID （無線射頻身份識(shí)別）技術(shù)的芯片， 該芯片出廠時(shí)已經(jīng)設(shè)定唯一編碼，無法復(fù)制。采用的第四代RFID芯片具有特殊診斷功能，即受權(quán)者在讀取鑰匙保密信息時(shí)， 能夠得到該防盜系統(tǒng)的歷史信息（如讀取次數(shù)、時(shí)間等）， 令這類RFID芯片現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于各種高級(jí)安防系統(tǒng)中。

（ 2）網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)遠(yuǎn)程防盜

在防盜系統(tǒng)中運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是目前最先進(jìn)、最有效的防盜方式之一，是現(xiàn)行廣泛應(yīng)用GPS（全球定位系統(tǒng)）的網(wǎng)絡(luò)報(bào)警系統(tǒng)。

該系統(tǒng)在車上安裝小型的無線網(wǎng)絡(luò)終端， 通過GPS模塊向網(wǎng)絡(luò)中心報(bào)告車輛運(yùn)行位置， 由監(jiān)控中心統(tǒng)一完成調(diào)度、跟蹤。 該網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的缺點(diǎn)是需要建立無線網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控中心、信號(hào)中繼基站等， 一般需要人工服務(wù)， 終端用戶要定期支付固定費(fèi)用， 其使用區(qū)域還受到無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍的限制。

本系統(tǒng)采用GSM 模塊，利用成熟的GSM 網(wǎng)絡(luò)覆蓋全國(guó)甚至全世界， 24小時(shí)在線， 通過程序控制可以在任何地方完成對(duì)失竊車輛的鎖定。該系統(tǒng)在不使用時(shí)不產(chǎn)生任何費(fèi)用，適用于普通大眾?；贕SM網(wǎng)絡(luò)的RFID芯片式防盜器，可實(shí)現(xiàn)無匙進(jìn)入，還能唯一地識(shí)別車主控制的車輛， 誤報(bào)警的機(jī)率更小。

2  系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

該系統(tǒng)由3部分組成：射頻身份識(shí)別（RFID）芯片、主控電路（MCU）、網(wǎng)絡(luò)接口模塊（TC35） . 通信設(shè)備采用西門子手機(jī)模塊TC35, 主控芯片采用AT89C51, 身份識(shí)別采用TI公司的基站芯片TMS3705和感應(yīng)器，該感應(yīng)器具有世界上唯一的ID號(hào)， 并且不能夠進(jìn)行復(fù)制， 因此保密性極佳。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1  系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2. 1  射頻身份識(shí)別（ RFID）部分

典型的RFID 系統(tǒng)包括感應(yīng)器、閱讀器和處理數(shù)據(jù)的后端計(jì)算機(jī)。 感應(yīng)器也稱射頻卡， 它具有智能讀寫及加密通信的能力。 閱讀器通過調(diào)制的RF通道向感應(yīng)器發(fā)出請(qǐng)求信號(hào)， 感應(yīng)器回答識(shí)別信息，然后閱讀器把收到的信號(hào)送到計(jì)算機(jī)。系統(tǒng)最大的特點(diǎn)是非接觸式識(shí)別， 因此可以同時(shí)識(shí)別多個(gè)感應(yīng)器及高速運(yùn)動(dòng)的電子標(biāo)簽。該系統(tǒng)中因?yàn)楦袘?yīng)距離不要求很遠(yuǎn)（ 0 1~ 5 m） , 采用無源感應(yīng)器，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，更適合隨身攜帶。

然后閱讀器把收到的信號(hào)送到計(jì)算機(jī)。系統(tǒng)最大的特點(diǎn)是非接觸式識(shí)別， 因此可以同時(shí)識(shí)別多個(gè)感應(yīng)器及高速運(yùn)動(dòng)的電子標(biāo)簽。 該系統(tǒng)中因?yàn)楦袘?yīng)距離不要求很遠(yuǎn)（ 0 1~ 5 m） , 采用無源感應(yīng)器， 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單， 更適合隨身攜帶。

該系統(tǒng)所選用的閱讀器是TMS3705, 它是TI公司生產(chǎn)的低頻基站集成電路， 可作為RFID 讀卡器。

當(dāng)閱讀器TMS3705接入電源時(shí)， 首先發(fā)射一定頻率的射頻脈沖信號(hào)， 若感應(yīng)器（本系統(tǒng)采用無源只讀型感應(yīng)器為R I- TRP- RR2B ）在有效感應(yīng)范圍內(nèi)，它將接收到的信號(hào)進(jìn)行最佳耦合， 并對(duì)它的電容進(jìn)行充電， 以供感應(yīng)器內(nèi)部電路工作。 感應(yīng)器工作時(shí)，以FSK 方式發(fā)射數(shù)據(jù)， 閱讀器TMS3705中的射頻模塊接收并解調(diào)該信號(hào)， 然后按照一定通信協(xié)議上傳給MCU 進(jìn)行處理。 假如感應(yīng)器是合法卡， MCU 下傳命令給控制單元撤防， 并且打開中央門鎖； 假如該感應(yīng)器是非法卡， 則說明有人持非法卡強(qiáng)行進(jìn)入， 控制單元發(fā)出系統(tǒng)報(bào)警和通過手機(jī)模塊（ TC35）以短信息的方式通知用戶。

2. 2  主控部分

主控單片機(jī)采用通用芯片AT89C51以降低造價(jià)。 在系統(tǒng)中，主控單片機(jī)負(fù)責(zé)用戶身份的識(shí)別、信號(hào)的檢測(cè)、各種控制信號(hào)的產(chǎn)生和與GSM 模塊的通信[2]

2. 3  GSM 網(wǎng)絡(luò)接口模塊

該系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)使用GSM網(wǎng)絡(luò)。 采用的是西門子公司的TC35模塊， 它是GSM無線雙頻模塊， 具有語(yǔ)音、數(shù)據(jù)、短消息、FAX 等4 種傳輸方式。它屬于GSM /GPRS模塊，支持GSM 模塊的所有功能，還具有永久在線功能，支持快速數(shù)字接入和高速數(shù)據(jù)傳輸， 可以實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛的無間斷追蹤。 其功能結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2  TC35模塊功能框圖

TC 35模塊主要由4部分組成： GSM基帶處理器、GSM 射頻部分、電源ASIC、Flash. GSM 基帶處理器是整個(gè)模塊的核心， 控制著模塊內(nèi)各種信號(hào)的傳輸、轉(zhuǎn)換、放大等處理過程。GSM 射頻部分是1個(gè)單片收發(fā)器， 完成射頻接收和發(fā)送等。 GSM 模塊電流變化非常大， 這就對(duì)供電電路提出了較高的要求。

電源AS IC 部分使用線性電壓調(diào)節(jié)器把外部輸入的電源電壓Vbatt+ 進(jìn)行穩(wěn)壓后供GSM 基帶處理器和GSM 射頻部分使用， 此外它還輸出1 個(gè)2 9 V /70mA 的電壓供模塊外的其他電路使用。 GSM 射頻部分的功率放大器對(duì)電源電壓要求不高， 所以直接使用外部的輸入電壓Vbatt+ . Flash 用來存儲(chǔ)一些用戶配置信息、電話本等。

3  系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

主機(jī)板的硬件電路包括：RFID 接口電路、汽車控制接口電路、MCU 的控制電路、TC35 網(wǎng)絡(luò)接口電路。

（ 1） RFID接口電路

RFID 接口電路由4線組成，其中2線為電源和地， 另外的2線為數(shù)據(jù)線與控制線，射頻部分通過一定的通信協(xié)議和MCU 進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸交換，用控制線控制數(shù)據(jù)流向。

（ 2）汽車接口電路

汽車電路由16 針的接口與MCU 電路連接。其中，接口各針的電路輸出控制說明如表1所示。

表1汽車接口電路說明

（ 3）MCU 控制電路

在系統(tǒng)中， 各種控制命令由控制電路完成，如啟動(dòng)切斷汽車電路和油路，以及進(jìn)行聲光報(bào)警等。其中， 電路、油路和轉(zhuǎn)向燈的控制電路由MCU的輸出接口控制相應(yīng)繼電器實(shí)現(xiàn)。 報(bào)警喇叭控制電路由MCU 輸出接口控制三極管實(shí)現(xiàn)。

{$page$}

中央門鎖控制器和電動(dòng)窗的控制電路采用了光電耦合器件來實(shí)現(xiàn)隔離。電源由汽車電瓶的12 V 電源穩(wěn)壓成5 V 產(chǎn)生，并裝有9 V的備用電源，當(dāng)電源被剪斷時(shí)備用電源就給主機(jī)板供電，同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)中斷信號(hào)通知MCU 發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

（ 4）網(wǎng)絡(luò)接口電路

GSM 模塊TC35和主控制器以串口的方式連接，采用一定的波特率進(jìn)行通信，簡(jiǎn)單可靠。

4  系統(tǒng)軟件編程設(shè)計(jì)

4. 1  RFID 軟件編程

數(shù)據(jù)在射頻卡中的存儲(chǔ)格式如表2所示。數(shù)據(jù)的每Byte由10 bits組成，第1 b it是H igh, 最后1 b it是Low, 第2~ 9 b it為實(shí)際發(fā)送的數(shù)據(jù)。

表2  數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式表

讀取射頻信號(hào)時(shí)， 先將TXCT 置為L(zhǎng)ow, 延時(shí)50ms后， 再恢復(fù)成H igh. 大約經(jīng)過3m s后，SCIO 開始輸出數(shù)據(jù)，總共輸出14 Bytes數(shù)據(jù)。程序需根據(jù)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)格式對(duì)每Byte和每次讀進(jìn)的14 By tes進(jìn)行校驗(yàn)，當(dāng)檢測(cè)到錯(cuò)誤則轉(zhuǎn)入錯(cuò)誤處理程序。

4. 2  GSM 軟件設(shè)計(jì)

GSM 終端軟件設(shè)計(jì)是為了實(shí)現(xiàn)MCU 對(duì)TC35模塊的控制， 通過短信功能完成用戶與防盜系統(tǒng)雙向通信過程。TC35模塊與短信操作有關(guān)的AT命令可以通過3種途徑：B lock模式、Text模式和PDU 模式。用Block模式需要手機(jī)生產(chǎn)廠家提供驅(qū)動(dòng)支持。

目前， 這種模式已被PDU 所取代。Text模式較簡(jiǎn)單， 可以實(shí)現(xiàn)數(shù)字和字符的直接收發(fā)； PDU 模式是將GB2312的中文編碼轉(zhuǎn)換為Unicode編碼， 實(shí)現(xiàn)中文編解碼收發(fā)。 為對(duì)產(chǎn)品提供多樣化服務(wù)，本方案實(shí)現(xiàn)了Tex t和PDU 2種模式。

（ 1） Text模式

本設(shè)計(jì)主要傳送系統(tǒng)狀態(tài)、控制等信息，采用Tex t模式就可以滿足要求，在該模式下，控制TC35實(shí)用的AT命令如表3所示。

表3  AT命令功能說明表

（ 2） PDU 模式

發(fā)送和接收中文或中/英文混合的短信息必須采用PDU 模式。 根據(jù)GSM 07. 05的定義， 只要控制器通過UART接口向GSM 模塊下發(fā)AT命令， 就可以直接讀取收到的PDU 模式的短信息。分析PDU 數(shù)據(jù)包時(shí)， 要根據(jù)PDU 的數(shù)據(jù)格式將收到的中文信息和其它相關(guān)信息解析出來。

①PDU 模式的純英文短信息解碼。PDU 模式的純英文短信息編碼使用GSM 字符集的7位編碼。

首先將各個(gè)字符轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)二進(jìn)制ASC II碼， 然后將后面字符的低位逐位調(diào)整到前面， 補(bǔ)齊前面的差別。 實(shí)際使用發(fā)現(xiàn)， 由于PDU 模式的純英文短信息解碼不方便， 因此收發(fā)純英文字符和數(shù)字符號(hào)時(shí)，最好采用Tex t模式。 

②中文短信息的編解碼轉(zhuǎn)換。 在GSM 標(biāo)準(zhǔn)中，中文編碼采用UTF- 8的編碼， 不是目前國(guó)內(nèi)常用的GB-2312編碼，故還需要進(jìn)行中文編碼的轉(zhuǎn)換，完成2個(gè)編碼表的轉(zhuǎn)換后， 才能實(shí)現(xiàn)顯示GB- 2312漢字庫(kù)中的漢字字型。 這也是編程需要考慮的。

4. 3  主控程序的設(shè)計(jì)

在主控程序中對(duì)2種情景進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)：①車主持有RFID 射頻卡時(shí)， 系統(tǒng)接受正確的ID, 并做出響應(yīng)；②車主遺失RFID射頻卡時(shí)，車主通過GSM手機(jī)發(fā)送車主的認(rèn)證信息以控制汽車。

設(shè)計(jì)②的原因是RFID的ID 號(hào)具有唯一性，當(dāng)車主遺失射頻卡時(shí)，需要更換整個(gè)RFID系統(tǒng)。 或者找廠家， 這是很困難的。 為了在更換前不影響車主對(duì)汽車的操作， 設(shè)置啟動(dòng)方法 ②并將其設(shè)置為高的優(yōu)先級(jí)別。

主控程序的流程圖如圖3所示。

圖3  主控程序流程圖

5  小結(jié)

整個(gè)系統(tǒng)通過硬件制作和軟件調(diào)試， 完全達(dá)到設(shè)計(jì)要求。 在0 01~ 5 m范圍內(nèi)， 系統(tǒng)工作穩(wěn)定。 該系統(tǒng)大大提高了汽車防盜性能， 整體成本較低， 安裝簡(jiǎn)單方便， 通用性強(qiáng)。 如果要增加全球定位跟蹤功能， 隨著GSM網(wǎng)絡(luò)本身功能的增加與性能的提高，設(shè)計(jì)方案并不需要增加專門的GPS （ 全球定位系統(tǒng)）硬件模塊， 只通過軟件技術(shù)改進(jìn)就可以做到， 其擴(kuò)展優(yōu)勢(shì)是明顯的。 該系統(tǒng)方案可以推廣到各種移動(dòng)場(chǎng)合的高級(jí)安防系統(tǒng)中。