基于GPS和GSM网络的新型汽车防盗系统

摘要：在对目前各种常规汽车防盗装置的不足进行分析的基础上，设计了一种基于GPS和GSM网络的嵌入式汽车防盗系统。该系统基于CC2430微处理器进行开发，采用ZigBee技术在车辆内部建立无线传感网络，能够在汽车被盗走、破坏以及防盗系统被部分破坏的情况下，将相关信息发送到车主预先设定的手机等通信设备，以实现对汽车的跟踪和监控。
关键词：汽车防盗；GPS；GSM；Ziglbee技术；无线局域网

    随着经济的飞速发展，汽车作为重要的交通工具正在迅猛增加，随之而来的汽车被盗事件也日趋增多。目前汽车防盗设备主要有机械式防盗器、电子式防盗系统和网络式防盗系统。它们之间各有优劣，但其发展趋势是向智能程度高的网络式方向发展。20世纪60年代以来，电子信息技术的飞速发展使电子信息技术、传感器技术、数据通信技术和计算机处理技术等有效地应用于汽车防盗技术，促进了汽车防盗技术的高度智能化和功能多样化。国内已有部分高校、公司开发了相关的产品。但从文献可以看出，汽车防盗技术仍存在监控盲区、易被破坏和信号易受干扰等缺陷。
    基于GPS(Global Positioning System)和GSM(Global Systern for Mobile Communications)网络的汽车防盗系统，以其高度的智能化，先进的监控技术，依托监控中心进行对汽车的定位及报警，在经济发达的大中城市已被广泛采用。然而在中小城市，廉价、可靠的汽车防盗系统却有待开发。本项目采用GPS和GSM网络，开发一种较为廉价、更加可靠的汽车防盗系统。该系统能在汽车被盗走、破坏以及防盗系统被部分拆卸的情况下，将相关信息发送到车主预先设定的手机等通信设备，以实现对汽车状况的了解和跟踪。

1 系统总体结构设计
    基于GPS和GSM的新型汽车防盗系统结构如图l所示。该系统由车载设备、控制设备和显示设备构成。车载设备以GPS模块和GSM模块为核心，各模块在车辆内部组成zigBee无线局域网，主要功能是监测车辆状况、采集车辆位置信息并将信息发送给控制设备。控制设备采用嵌入式系统与GSM模块结合，并与显示设备连接，主要功能是发送用户命令、接收和处理远程端的数据、并将数据送给显示设备。显示设备为用户的PC机或便携式笔记本等，主要功能是显示车辆的实时位置，并跟踪车辆行驶路径。

2 系统硬件设计
2．1 车载设备
    车载设备由多个GPS模块、GSM模块和ZigBee无线模块组成，各模块通过ZigBee模块无线连接，如图2所示。

2．1．1 ZigBee模块
    ZigBee是一种短距离、低速率、低功耗、低成本和低复杂度的无线传输技术。它工作在无需注册的2．4 GHz ISM频段，传输速率为100～250 Kb／s，传输距离为10～75 m。TI／Chipcon公司的CC2430内部集成有8051微控制器核和符合IEEE802．15．4标准的2．4 GHz的RF无线电收发机，还具有128 KG可编程闪存和8 KG的RAM。系统的数据处理程序运行在这个芯片上。ZigBee无线模块由CC2430芯片、时钟电路、复位电路、电源电路、天线及相应外围电路组成，为了增强模块的抗干扰能力。在PCB电路板上增加了一个防护罩。 [p]
2．1．2 GPS接收模块
    选用SR-87型串口GPS接收模块，具有高灵敏度、高性能的SiRF StarⅢ导航芯片，最多可同时接收20个卫星，提供快速定位和l Hz数据更新速率。该模块支持NMEA0183．22通信协议，输出SiRF二位编码，能够快速启动(冷，暖，热开机时间分别为42，28，1 s)。并提供小于10 m的二维定位精度，适合车载GPS设备的要求。SR-87的2、3引脚为数据输出与输入端，分别连接CC2430的17、18引脚，6引脚为状态指示端，当输出有效的GPS数据时，该端输出脉冲信号，外接LED予以指示。模块的5引脚和外壳要同时接地。
2．1．3 GSM通信模块
    系统采用Siemens公司的新一代无线通信模块TC35i，配合相应的外围电路可实现SMS消息服务功能。TC35i共有40个引脚。通过ZIF连接器分别与电源、启动和关闭、SIM卡、数据通信、状态指示等电路连接。模块上电后，需在其15引脚(启动引脚)加时长至少为100 ms的低电平信号，才能启动。启动后该引脚应保持高阻抗状态。
    TC35i的数据接口采用串行异步收发，符合ITU-T RS-232接口电路标准，工作在CMOS电平(2．65 V)。数据接口配置为8位数据位、1位停止位、无校验位，可以在300～115Kb／s的波特率下运行，支持的自动波特率为4．8～115 Kb／s(14．4 Kb／s和28．8 Kb／s除外)。
    TC35i模块还支持RTS0／CTSO的硬件握手和XON／XOFF的软件流控制。模块的第18、19引脚为串口数据发送和接收端口，与CC2430的P02、P03连接(如图3)。此外，TC35i在发射时，瞬时电流可达到2 A，而此时的电压降不能超过0．4 V，否则模块将自动关闭。

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2．2 控制设备
    ATMEGAl28有2个串行异步收发接口，工作在COMS电平，一接口可与TC35i的数据接口直接连接，另一接口经过电平转换电路与PC串口连接。在相应外部电路的配合下。构成控制台，如图4所示。微处理器ATMEGAl28通过串口读取TC35i中的数据，经过处理后再通过另一串口发送给PC。控制按键产生中断信号，作为用户指令，控制数据收发。控制器的工作状态由状态指示电路显示。

3 系统软件设计
3．1 GPS数据处理
    SR-87型GPS数据接收模块支持NMEA0183的通信标准，输出4条语句$GPGGA，$GPGSA，$GPRMC，$GPVTG。$GPRMC是标准推荐的输出语句，该语句包含UTC时间、接收状态、经度、纬度、速度、航向等信息。经处理可得到单一的GPRMC语句，例(长江大学，实验室)：$GPRMC，143448. 000，A，3020．0745，N，11212．4731，E，0．00，141．8l，180509，，，*6F。该数据经过处理，从中提取经度、纬度、速度、航向等有用信息，这些信息是定位车辆位置的主要来源。
3．2 GSM网络通信
    TC35i GSM模块提供的命令接口符合GSM07．05和GSM07．07规范。GSM07．07中定义的AT Command接口，提供了一种移动平台与数据终端设备之间的通用接口。在短消息模块收到网络发来的短消息时，能够通过串口向数据终端设备发送指示消息，数据终端设备可以使用GSM AT指令通过串口向GSM模块发送各种命令。通过AT指令(见表1)，可以控制SMS消息的接收与发送。
    SMS消息的发送采用PDU(protocol data unit)模式，在数据发送时需要把ASCⅡ字符及汉字统一编码成UCS2码。接收到的数据是以7 bit的编码形式存储在TC35i模块或SIM卡内，在数据读取时直接从TC35i模块中得到符合GSM规范的数据，需经过提取得到7 bit编码的有效数据。然而这些数据是以ASCⅡ字符的形式存在的，要转换成8位的十六进制形式的7 bit编码，再解码成可用的ASCⅡ码数据，如图5所示。这样得到远程发送来的原始数据，然后把这些数据模拟成NMEA-0183格式的串口数据包输出，并加入校验码(半字节校验)。

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3．3 ZigBee无线局域网的建立
    在系统的远程监测端，每个GPS模块或GSM模块与一个ZigBee模块组合，构成ZigBee网络结点。系统启动后，这些网络结点按照以下3个过程组建无线局域网：
    1)网络初始化过程：节点(配有CC2430射频芯片的模块单元)初始化后，扫描信道检查网络是否存在；
    2)主节点配置网络过程：产生协调器网络节点，开始配置网络；
    3)从节点入网过程：终端设备节点申请加入协调器节点或路由节点。
    当ZigBee网络组建完成后，网络推荐一个GSM模块与控制端建立联系，其他GSM模块处于备用状态，系统进入监测状态。如有异常情况发生，异常信息汇集到推荐的GSM模块，向控制端发出报警信息。监测网络定时检测网络的工作状况，一旦有网络结点出现异常，也会发出报警信息，如果出现异常的结点是与控制端建立联系的GSM模块，系统推荐另一个GSM模块进入工作状态。
3．4 防盗策略
    系统启动后，一旦监测到异常，远程端通过GSM网络向用户定义的控制端或手机发送报警信号。用户通过控制端或手机下达命令，获取车辆的位置信息，借助电子地图(如GOOGLE地图)。可以实现对被盗汽车的跟踪。
    车辆内部的ZigBee无线网络，能够较好应对窃贼对车载设备的攻击。各模块在物理连接上是独立的，可安装在车辆内任何位置；模块的数量是不确定的，由用户自定，块间由ZigBee无线网络连接。各模块间能相互通信，当个别模块被坏，其他模块能迅速响应，发报警信息，并启动其他模块，同时网络自动更改结构，系统正常运行。

4 试验结果
    在实验过程中选用了GPS模块和GSM模块各3个，安装在车内较为隐秘的位置，在车内形成了具有6个节点的ZigBee网络。将控制设备与计算机串口连接，计算机运行电子地图软件，按下控制设备上的“跟踪”键，即在电子地图上观测到车辆的实时位置，如图6所示。随机拆出其中2个节点，仍可观测到车辆位置，并收到了告警信息，系统没有受到影响。只要保证车内有一对由GPS模块和GSM模块构成的节点存在，系统仍可正常运行。按照概率论，随机拆出3个节点而使系统遭受彻底破坏的可能性只有5％。在安装时注意节点的位置，多个节点都被拆出的可能性将会降低。

5 结束语
    采用GPS和GSM网络与ZigBee技术，在车内组建Zig-Bee无线数据传输局域网，在汽车被盗、破坏以及防盗系统被部分拆卸的情况下，仍能将相关信息发送到车主预先设定的手机等通信设备，实现了对汽车的实时监控保护。各局域网各节点之间能够相互通信，当个别单元遭到破坏时，其他单元能迅速响应，发出报警信息，并自动更改网络结构，维护局域网的正常运行，从而提高了系统的安全性。与一般的GPS和GSM汽车防盗系统比较，该系统增加了冗余的GPS、GSM模块，提高了系统的可靠性。由于模块间采用无线网络技术，增加了防盗系统的隐秘性，降低了系统彻底被破坏的可能。