摘 要： 針對目前車輛防盜設(shè)備存在的問題，提出了一種成本低、功能強的車載防盜追蹤裝置設(shè)計方案。在完成系統(tǒng)整體方案和以STM32F103為核心的低成本車載裝置硬件框架設(shè)計的基礎(chǔ)上，分別設(shè)計了該裝置的圖像獲取和GPS定位的軟件。最后，粗略估算了該裝置各元件的成本，從而顯現(xiàn)出該設(shè)備的低成本。實驗證明, 本裝置穩(wěn)定可靠、靈活性好、互動性強、體積小、成本低、通信效率高，對車載防盜系統(tǒng)的進一步應(yīng)用有一定參考價值和市場應(yīng)用前景。

　　關(guān)鍵詞： 車載防盜追蹤裝置；攝像頭；全球定位系統(tǒng)；通用分組無線業(yè)務(wù)；低成本

　　隨著中國經(jīng)濟的發(fā)展、人民生活水平的提高，汽車已進入百姓家庭，但隨之而來的盜竊案也在逐漸增加?，F(xiàn)有的汽車防盜產(chǎn)品雖然具備了高科技、GPS定位等新功能，但是大多數(shù)并沒有達到實時準(zhǔn)確地監(jiān)控效果。例如聲光報警，一旦人車超過一定距離，難以起到報警作用。而移動通信技術(shù)的迅猛發(fā)展以及智能終端的廣泛普及，利用智能終端和無線通信技術(shù)來實現(xiàn)車輛防盜有著廣泛的理論和實踐前景[1-3]。

　　本文設(shè)計的互動式低成本車載防盜追蹤裝置充分利用了嵌入式技術(shù)、智能終端應(yīng)用軟件和GPRS無線通信技術(shù)，其區(qū)別于一般報警系統(tǒng)，最大優(yōu)點是能實現(xiàn)雙向通信和不受地理范圍的限制[4-5]，車主可以遠程遙控車載防盜裝置以及通過車內(nèi)攝像頭及時了解車內(nèi)信息。此外，車主還可以通過車輛追蹤軟件實現(xiàn)對汽車定位、規(guī)劃當(dāng)前最佳追捕路徑等功能，這是傳統(tǒng)汽車防盜系統(tǒng)所不具備的新功能。

1 車載防盜追蹤系統(tǒng)整體設(shè)計

　　整個系統(tǒng)由車載防盜追蹤裝置、 GPRS無線網(wǎng)絡(luò)和手機終端3部分組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

　　車載防盜追蹤裝置是整個系統(tǒng)的關(guān)鍵，它由微控制器、攝像頭、GPRS模塊、GPS模塊以及一些外圍電路構(gòu)成，本車載裝置可以實現(xiàn)車內(nèi)圖像的實時采集，定位數(shù)據(jù)的接收、處理和發(fā)送，以及人車互動式操作。

　　該防盜追蹤系統(tǒng)的工作過程如下。當(dāng)異常情況發(fā)生時，車載防盜追蹤裝置向車主手機終端發(fā)送報警信息，車主根據(jù)手機終端軟件實現(xiàn)與車載防盜追蹤裝置的實時互動。若車主需要獲取當(dāng)前汽車內(nèi)部的實時圖像信息，車載防盜追蹤裝置接收到車主請求命令后，調(diào)用攝像頭進行圖像數(shù)據(jù)的采集，然后通過GPRS無線通信網(wǎng)絡(luò)[6]傳遞給車主當(dāng)前汽車內(nèi)部實時圖像信息。若汽車被盜，車主可以讓車載防盜追蹤裝置獲取當(dāng)前GPS位置信息，車載裝置調(diào)用GPS采集模塊，并將采集的GPS位置信息傳遞至車主手機終端，以此來完成對被盜汽車的追蹤定位。

2 低成本車載防盜追蹤裝置硬件設(shè)計

　　該低成本車載防盜追蹤裝置以STM32F103微控制器為核心，在微控制器上連接傳感器模塊、電源模塊、GPS模塊、GPRS通信模塊、用戶面板、圖像采集模塊及聲光報警器。裝置的硬件設(shè)計框圖如圖2所示。

　　車載防盜追蹤裝置不同的功能依托對應(yīng)的功能模塊來完成，微控制器是整個嵌入式防盜裝置的核心，負(fù)責(zé)信息交換處理等工作；傳感器模塊用于檢測汽車的異常信號；電源模塊用于給嵌入式防盜裝置提供所需要的電源；GPS模塊用于收集汽車的GPS數(shù)據(jù)；用戶面板用于設(shè)置嵌入式車載防盜裝置的工作參數(shù)及相應(yīng)的信息顯示；圖像采集模塊負(fù)責(zé)采集汽車內(nèi)部圖像；聲光報警器用于在檢測到異常信號時發(fā)出聲光報警；GPRS通信模塊用于實現(xiàn)嵌入式防盜裝置和手持終端的通信。圖3為主要功能模塊的硬件設(shè)計電路圖。

　　2.1 STM32F103模塊

　　STM32F103系列微處理器是首款基于ARMv7-M體系結(jié)構(gòu)的32 bit標(biāo)準(zhǔn)RISC(精簡指令集)處理器，能提供很高的代碼效率，能夠在8 bit和16 bit系統(tǒng)的存儲空間上發(fā)揮ARM內(nèi)核的高性能。該微處理器工作頻率為72 MHz，內(nèi)置高達20 KB的SRAM和128 KB的Flash存儲器，芯片集成有CAN，多個定時器，ADC、SPI、I2C、USB和UART等多種功能，以及豐富的通用I/O端口。豐富的片上資源使得STM32F103系列微處理器在手持終端、報警系統(tǒng)以及視頻對講等領(lǐng)域有著強大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

　　2.2 GPS模塊

　　在進行衛(wèi)星GPS定位計算時，以所觀測到的4顆衛(wèi)星的瞬時位置作為已知數(shù)據(jù)，通過一定的方法測定這4顆以上衛(wèi)星在此瞬間位置以及它們分別至該觀測點接收機的距離，利用距離交會法解算出觀測點P的位置及接收機鐘差δt。

　　設(shè)計中GPS模塊由GPS Antenna G-503和REB_1315組成，用于收集汽車GPS數(shù)據(jù)。

　　2.3 GPRS模塊

　　GPRS網(wǎng)絡(luò)是基于GSM網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)的，它采用與GSM相同的頻段、頻寬、突發(fā)結(jié)構(gòu)、調(diào)制標(biāo)準(zhǔn)、跳頻規(guī)則以及TDMA幀結(jié)構(gòu)。在GSM的基礎(chǔ)上引入了分組控制單元(PCU)、服務(wù)支持節(jié)點(SGSN)和網(wǎng)關(guān)支持節(jié)點(GGSN)等新部件而構(gòu)成的無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)[6]，其用戶能夠在端到端分組方式下發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。

　　本裝置采用GPRS模塊為M10，通過串口1將有關(guān)的AT指令發(fā)送到無線網(wǎng)絡(luò)模塊中，無線網(wǎng)絡(luò)模塊收到指令作出響應(yīng)并向串口1返回結(jié)果碼。本裝置中使用的主要AT指令如下。

　　AT_CIPMUX[]="AT+CIPMUX=0" //使用單路連接

　　AT_CIPMODE[]="AT+CIPMODE=0" //TCPIP以非透明方式傳輸入

　　AT_QISEND[]="AT+QISEND" //GPRS文本發(fā)送

　　AT_QIOPEN[]="AT+QIOPEN=" //開始連接

　　AT_CIPSTATUS[]="AT+CIPSTATUS" //GPRS狀態(tài)查詢

　　AT_QFUPL[]= "AT+QFUPL="pic.jpg",2644 //上傳圖片

　　AT_QFDEL[]="AT+QFDEL=" pic.jpg" //刪除圖片

　　AT_QMMSCS[]="AT+QMMSCS=" //+QMMSCS: ("ASCII","UTF8","UCS2","GBK"),(0,1)

　　AT_QICSGP[]="AT+QICSGP=1," //彩信接入方式

　　AT_QMMSEND[]="AT+QMMSEND=1" //發(fā)送彩信

　　2.4 攝像頭模塊

　　景物通過鏡頭將生成的光學(xué)圖像投射到圖像傳感器表面上，然后轉(zhuǎn)為電信號，經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換后變?yōu)閿?shù)字圖像信號，再送到數(shù)字信號處理芯片中加工處理，最后通過接口等方式傳輸?shù)诫娔X中處理，通過顯示器就可以看到圖像。本裝置攝像頭采用日常生活常見的USB攝像頭。

3 裝置軟件設(shè)計及系統(tǒng)實現(xiàn)

　　3.1 裝置運行的軟件實現(xiàn)

　　裝置控制軟件采用微控制器嵌入式C進行編寫，軟件的重點在于傳感器(震動、紅外)檢測部分和GPRS無線通信部分的編寫。當(dāng)傳感器檢測到的信號強度和次數(shù)達到報警次數(shù)時，首先啟動聲光報警嚇阻盜竊發(fā)生，同時通過GPRS通信模塊發(fā)送報警信息到車主的手機終端，車主可以通過手機終端的車輛追蹤軟件與車載防盜追蹤裝置互動式操作。例如，車主可以通過手機終端的追蹤軟件向車載裝置發(fā)送獲取汽車內(nèi)部圖像或GPS位置等指令，當(dāng)汽車接收到車主請求指令后啟動相應(yīng)的功能模塊，然后通過3G網(wǎng)絡(luò)向車主回復(fù)其需要的相關(guān)信息，以方便車主做下一步的決策。裝置運行的主要軟件流程如圖4所示。

　　該部分的實現(xiàn)主要由以下函數(shù)構(gòu)成。

　　uchar Send_AT_Command(char *str_at ) //發(fā)送AT命令

　　void Initialize_Model(char* ptr1_at) //初始化SIM卡PIN

　　uchar READ_TEL(char* ptr1_at,uchar id) //讀SIM卡里面的電話號碼

　　uchar CPMS_SM(char* ptr1_at ) //閱讀接收短信內(nèi)容

　　uchar read_sms(char* ptr1_at,char* ptr1_code,char* ptr_tel)

　　//分析短信內(nèi)容并處理

　　uchar pdu_set(char* ptr1_at,char* ptr1_code1,char* ptr_tel)

　　GPRS //GPRS模塊發(fā)送中文短信

　　uchar PHONE_RD(char *ptr1_at,char *str,uchar id )

　　//分析來信息的電話號碼

　　uchar jpg_read (char* ptr1_at,char* ptr1_code)

　　//攝像頭拍照及上傳照片

　　uchar mms_send(char* ptr1_at,char* ptr1_code,char* ptr_tel)

　　//彩信發(fā)送處理

　　uchar Read_Call_ID(char* ptr1_at,char* ptr1_tel)

　　//讀出來電顯示的號碼

　　void GPS_READ(char* ptr1_code ) //讀取GPS數(shù)據(jù)

　　3.2 GPS定位與圖像獲取的軟件實現(xiàn)

　　在該系統(tǒng)中，車主可以向車載防盜追蹤裝置發(fā)送獲取GPS位置以及獲取車內(nèi)實時圖像等功能操作。

　　車載防盜追蹤裝置接收到短信后，首先分析是否為車主號碼，如果是，判斷車主短信指令內(nèi)容，然后啟動GPS模塊定位。

　　本裝置中GPS通信接口協(xié)議采用美國NMEA 0183 ASCII碼協(xié)議，GPS數(shù)據(jù)由幀頭、幀尾和幀內(nèi)數(shù)據(jù)構(gòu)成。當(dāng)幀頭數(shù)據(jù)不相同時，幀內(nèi)數(shù)據(jù)也將不相同。分析數(shù)據(jù)幀的內(nèi)容，可以得到GPS數(shù)據(jù)的經(jīng)緯度信息和時間信息[6-7]。其中GPS數(shù)據(jù)幀的格式如下所示：

　　$GPGGA、<1>、<2>、<3>、<4>、<5>、<6>、<7>、<8>、<9>、M,<10>、<11>、<12>*hh<CR><LF>。

　　在解析GPS數(shù)據(jù)時，需要判別ASCII碼的幀頭是否是“GPGGA”，若檢驗無誤，則確定本幀數(shù)據(jù)是可用數(shù)據(jù)，然后回復(fù)GPS經(jīng)緯度信息和時間信息至車主的手機終端[8]。獲取GPS位置信息軟件流程如圖5(a)所示。

　　該部分的實現(xiàn)主要包括：

　　void GPS_READ(char* ptr1_code ) //GPS數(shù)據(jù)的獲取

　　void GPS_Safe(char *ptr1_at, char* ptr1_code, char *ptr_tel)

　　//GPS位置變動監(jiān)測

　　攝像頭主要功能是作為車內(nèi)實時圖像的獲取，通過GPRS無線網(wǎng)絡(luò)向車主發(fā)送車內(nèi)實時圖片，輔助車主對當(dāng)前車內(nèi)財物損失作出下一步判斷決定。圖5(b)為車載防盜追蹤裝置執(zhí)行獲取車內(nèi)實時彩色信息的軟件流程圖。

　　該部分的實現(xiàn)主要由3個函數(shù)構(gòu)成。

　　unsigned char Com_command(char *Cmd1,unsigned char type)

　　//負(fù)責(zé)指令功能

　　unsigned int jpg_ok(char *pc_buff_tmp) //負(fù)責(zé)拍照功能

　　unsigned int EE_02_OK(char *com1_int ,uint ID) //負(fù)責(zé)圖片分包讀取功能

　　3.3 系統(tǒng)測試

　　系統(tǒng)平臺搭建完成后，向車載防盜追蹤裝置導(dǎo)入代碼，測試手機終端是HTC G1智能手機。車輛追蹤軟件安裝完成后，首先對該軟件進行設(shè)置，“車的號碼”需要輸入車載防盜追蹤裝置SIM卡的電話號碼，為了防止用戶的誤操作或其他人員的破壞，號碼設(shè)置前需要輸入正確的密碼。軟件界面及設(shè)置如圖6所示。

　　點擊“獲取信息”按鍵會進入圖6(a)所示軟件界面，當(dāng)點擊“車的位置”時，手機終端會向汽車上的防盜追蹤裝置發(fā)送獲取GPS信息命令，然后汽車回復(fù)其所在的GPS地址給用戶的手機終端，例如回復(fù)給手持終端的GPS信息為21.6778,106.898，并自動將其顯示在百度地圖中。規(guī)劃路線就是根據(jù)用戶所在位置與汽車所在位置規(guī)劃的一條最優(yōu)路線，以方便用戶最快速度找到丟失的車輛。此外，點擊獲取車內(nèi)信息，車載裝置會啟動圖像采集模塊采集圖像，并以彩信的形式將車內(nèi)的圖像信息通過GPRS無線網(wǎng)絡(luò)傳遞給用戶，以方便用戶判斷汽車受損情況及下一步操作。若車無任何異狀，則用戶的手機客戶端不會收到任何消息，避免了該系統(tǒng)對用戶的打擾，如圖7所示，其中圖7(a)為車載防盜追蹤系統(tǒng)采集GPS數(shù)據(jù)返回至手機終端結(jié)合百度地圖生成的車輛移動路徑圖，圖7(b)為車載防盜追蹤裝置通過GPRS網(wǎng)絡(luò)傳遞至手機終端的報警短信及彩信狀態(tài)圖。

4 裝置成本分析

　　結(jié)合阿里巴巴各電子元器件報價，表1為本車載防盜追蹤裝置主要元器件的價格。

　　從表1可以看出，該裝置的主要成本為：主控芯片STM32F103C8T6、GPRS通信模塊M10、GPS定位模塊REB_1315、攝像頭和PCB電路板。再加上其他外圍電路需要的電阻電容、三極管、存儲芯片等小器件，以及考慮人工成本等因素，該裝置量產(chǎn)成本估計在157.3元，與現(xiàn)有的車載防盜系統(tǒng)相比，該裝置在功能大幅度提升的同時，價格十分低廉，必將有著非常好的商業(yè)應(yīng)用前景。如果將GPRS模塊升級為WCDMA 3G通信模塊，成本僅需增加100元左右，量產(chǎn)成本仍然十分低廉。

　　本文通過利用攝像頭、GPS定位、GPRS無線通信，并結(jié)合傳統(tǒng)的車載報警，設(shè)計了一種互動式低成本車載防盜追蹤裝置，給出了該裝置的硬件結(jié)構(gòu)及主要功能模塊，分析了系統(tǒng)工作流程及主要模塊的軟件實現(xiàn)。從實驗結(jié)果可以看出，本系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)車輛的實時防盜功能以及對失竊車輛的跟蹤功能。經(jīng)過多次測試，該裝置穩(wěn)定可靠，實時性高，人車互動性強，是一種方便實用、成本極低的車輛安全解決方案。

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