摘要： 提出了一種基于GSM 網(wǎng)絡(luò)與RFID技術(shù)相結(jié)合的高級汽車防盜系統(tǒng)設(shè)計方案， 通過硬件和軟件的實際制作與測試， 表明該系統(tǒng)方案完全可行， 具有很高的實用價值和廣闊的市場前景。
1 防盜系統(tǒng)的特點
早期汽車防盜系統(tǒng)主要由機械結(jié)構(gòu)的門鎖和車輪鎖構(gòu)成。 車鎖的功能從簡單控制車門開啟演變?yōu)榭刂泣c火和操控汽車電路等。 隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的發(fā)展， 芯片式和網(wǎng)絡(luò)式相結(jié)合的高端防盜系統(tǒng)得到了發(fā)展， 它提供更有效的防盜手段。 本文采用RF ID芯片技術(shù)與GSM 模塊技術(shù)設(shè)計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碼編碼方式。 固定編碼方式的缺點是地址碼容易重復(fù)， 并且容易被復(fù)制。 而滾動碼方式每次發(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)常會有誤報警的情形發(fā)生。
新方案采用了RF ID （無線射頻身份識別）技術(shù)的芯片， 該芯片出廠時已經(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， 能夠得到該防盜系統(tǒng)的歷史信息（如讀取次數(shù)、時間等）， 令這類RF ID芯片現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于各種高級安防系統(tǒng)中。
?。?2）網(wǎng)絡(luò)自動遠(yuǎn)程防盜
在防盜系統(tǒng)中運用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是目前最先進、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)中心報告車輛運行位置， 由監(jiān)控中心統(tǒng)一完成調(diào)度、跟蹤。 該網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的缺點是需要建立無線網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控中心、信號中繼基站等， 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)覆蓋全國甚至全世界， 24小時在線， 通過程序控制可以在任何地方完成對失竊車輛的鎖定。 該系統(tǒng)在不使用時不產(chǎn)生任何費用， 適用于普通大眾。 基于GSM網(wǎng)絡(luò)的RFID芯片式防盜器， 可實現(xiàn)無匙進入， 還能唯一地識別車主控制的車輛， 誤報警的機率更小。
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)備采用西門子手機模塊TC35, 主控芯片采用AT89C51, 身份識別采用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， 并且不能夠進行復(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)的后端計算機。 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)出請求信號， 感應(yīng)器回答識別信息，然后閱讀器把收到的信號送到計算機。 系統(tǒng)最大的特點是非接觸式識別， 因此可以同時識別多個感應(yīng)器及高速運動的電子標(biāo)簽。 該系統(tǒng)中因為感應(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)簡單， 更適合隨身攜帶。
然后閱讀器把收到的信號送到計算機。 系統(tǒng)最大的特點是非接觸式識別， 因此可以同時識別多個感應(yīng)器及高速運動的電子標(biāo)簽。 該系統(tǒng)中因為感應(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， 首先發(fā)射一定頻率的射頻脈沖信號， 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)，它將接收到的信號進行最佳耦合， 并對它的電容進行充電， 以供感應(yīng)器內(nèi)部電路工作。 感應(yīng)器工作時，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， 然后按照一定通信協(xié)議上傳給MCU 進行處理。 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行進入， 控制單元發(fā)出系統(tǒng)報警和通過手機模塊（ TC35）以短信息的方式通知用戶。
2. 2 主控部分
主控單片機采用通用芯片AT89C51以降低造價。 在系統(tǒng)中， 主控單片機負(fù)責(zé)用戶身份的識別、信號的檢測、各種控制信號的產(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， 可以實現(xiàn)對車輛的無間斷追蹤。 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 基帶處理器是整個模塊的核心， 控制著模塊內(nèi)各種信號的傳輸、轉(zhuǎn)換、放大等處理過程。 GSM 射頻部分是1個單片收發(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 用來存儲一些用戶配置信息、電話本等。
3 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計
主機板的硬件電路包括： 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， 如啟動切斷汽車電路和油路， 以及進行聲光報警等。 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)繼電器實現(xiàn)。 報警喇叭控制電路由MCU 輸出接口控制三極管實現(xiàn)。
中央門鎖控制器和電動窗的控制電路采用了光電耦合器件來實現(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)電源被剪斷時備用電源就給主機板供電， 同時產(chǎn)生一個中斷信號通知MCU 發(fā)出報警信號。
（ 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行通信，簡單可靠。
4 系統(tǒng)軟件編程設(shè)計
4. 1 RFID 軟件編程
數(shù)據(jù)在射頻卡中的存儲格式如表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為實際發(fā)送的數(shù)據(jù)。
表2 數(shù)據(jù)存儲格式表
讀取射頻信號時， 先將TXCT 置為Low, 延時50ms后， 再恢復(fù)成H igh. 大約經(jīng)過3m s后， SC IO 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)的存儲格式對每Byte和每次讀進的14 By tes進行校驗， 當(dāng)檢測到錯誤則轉(zhuǎn)入錯誤處理程序。
4. 2 GSM 軟件設(shè)計
GSM 終端軟件設(shè)計是為了實現(xiàn)MCU 對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、Tex t模式和PDU 模式。 用B lock模式需要手機生產(chǎn)廠家提供驅(qū)動支持。
目前， 這種模式已被PDU 所取代。 Text模式較簡單， 可以實現(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， 實現(xiàn)中文編解碼收發(fā)。 為對產(chǎn)品提供多樣化服務(wù)， 本方案實現(xiàn)了Tex t和PDU 2種模式。
?。?1） Text模式
本設(shè)計主要傳送系統(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， 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。
?、貾DU 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。
首先將各個字符轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)二進制ASC II碼， 然后將后面字符的低位逐位調(diào)整到前面， 補齊前面的差別。 實際使用發(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)字符號時， 最好采用Tex t模式。
?、谥形亩绦畔⒌木幗獯a轉(zhuǎn)換。 在GSM 標(biāo)準(zhǔn)中，中文編碼采用UTF- 8的編碼， 不是目前國內(nèi)常用的GB - 2312編碼， 故還需要進行中文編碼的轉(zhuǎn)換，完成2個編碼表的轉(zhuǎn)換后， 才能實現(xiàn)顯示GB- 2312漢字庫中的漢字字型。 這也是編程需要考慮的。
4. 3 主控程序的設(shè)計
在主控程序中對2種情景進行軟件設(shè)計：①車主持有RFID 射頻卡時， 系統(tǒng)接受正確的ID, 并做出響應(yīng)；② 車主遺失RF ID射頻卡時， 車主通過GSM手機發(fā)送車主的認(rèn)證信息以控制汽車。
設(shè)計②的原因是RFID 的ID 號具有唯一性， 當(dāng)車主遺失射頻卡時， 需要更換整個RF ID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汽車的操作， 設(shè)置啟動方法 ②并將其設(shè)置為高的優(yōu)先級別。
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)
整個系統(tǒng)通過硬件制作和軟件調(diào)試， 完全達到設(shè)計要求。 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， 安裝簡單方便， 通用性強。 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)改進就可以做到， 其擴展優(yōu)勢是明顯的。 該系統(tǒng)方案可以推廣到各種移動場合的高級安防系統(tǒng)中。