基于RFID和GSM的汽車防盜報警系統設計

王素青，許根源

（南京航空航天大學 金城學院，南京 211156）

隨著電子信息技術、傳感器技術、無線通信技術和全球衛星定位技術的飛速發展，汽車防盜系統正在向多功能化、網絡化、可視化和便捷化方向發展。目前汽車防盜裝置按其結構與功能可分為4大類[1-2]：機械式、電子式、芯片式和網絡式。電子防盜是目前應用最多的防盜方式，而芯片式的數碼防盜和網絡式防盜則是汽車防盜技術的發展方向。射頻識別RFID技術又稱電子標簽，它是一種非接觸式的自動識別技術，具有無源、免接觸、安全性好、使用方便等特點。本文應用RFID技術和成熟的遠程控制GSM及GPS技術，設計出一個汽車防盜報警系統，該系統突破了距離的限制，覆蓋范圍廣，可用于實時高精度監測車輛位置以及被盜車輛的定位追蹤，提高失竊車輛被找回的速度。

1 系統功能與總體方案

1.1 系統功能

按照網絡式智能化汽車防盜系統的功能要求和汽車防盜報警系統特點，總體功能要求如下：

（1）應用RFID技術作為第一重防盜，系統通過RFID模塊對車主進行識別。如果識別正確，車門將會打開，否則，車門將不會打開；

（2）系統可以識別車主的信息，以辨別控制信息是否為真正的車主發送。車主可以修改辨別控制信息，以便更換手機號碼后進行修改；

（3）當非法分子通過暴力手段盜走車輛后，車主可通過發送短信代碼對車輛進行切斷主電路，使車輛無法繼續正常行駛和控制車輛發回車輛當前的地理位置信息，以便車主和公安機關迅速找到失竊車輛的控制。

1.2 系統總體方案

根據系統的功能要求，所設計的汽車防盜報警系統的總體結構框圖如圖1所示。

圖1 系統的總體結構框圖Fig.1 Overall block diagram of the system

系統主要由外部信息檢測單元、MCU主控和執行單元組成。外部信息檢測單元由車輛震動傳感器、RFID用戶信息讀取單元、GPS車輛位置信息讀取單元組成。MCU主控和執行單元主要由單片機、GSM短信無線收發模塊，汽車控制電路組成。汽車控制電路主要由繼電器組成，用來控制汽車的主電源電路和汽車的點火系統的通斷。

外部信息檢測單元獲得車輛信息通過UART接口與主控單元進行數據交流，主控中心對獲得的車輛信息解析為用戶可識別的信息，再根據GSM模塊獲得的控制指令將做出相應的控制動作。

根據系統功能要求，設計了用戶刷卡進入、修改控制密碼、修改用戶控制號碼、關閉和開啟汽車主電路、自動返回車輛位置信息（經度、緯度、海拔、運動速度等）和控制系統報警等軟件功能。

2 系統的硬件設計

2.1 電源模塊

穩定可靠的電源是整個系統可靠穩定運行的前提條件。本系統中主要模塊：MCU模塊、GSM模塊、GPS模塊、RFID模塊、LCD模塊，它們的供電電源均為5 V。而汽車采用12 V電壓的蓄電池作為供電電源，因此，本系統需要設計一個將汽車蓄電池12 V電壓降為5 V電壓的電源模塊。

系統電源模塊采用LM7805三端穩壓器芯片，其有一系列固定的電壓輸出。由它組成的穩壓電源所需的外圍元器件極少，內部還有過流、過熱保護電路，如能提供足夠的散熱片，就能提供大于1.5 A的輸出電流。5 V電源模塊電路如圖2所示。

圖2 5 V電源模塊的電路圖Fig.2 Circuit diagram of 5 V power supply module

2.2 主控模塊

系統主控模塊包括單片機、復位電路、外部晶振電路，其中單片機采用STC12C5A60S2新一代8051單片機，指令代碼完全兼容傳統8051，但速度快8～12倍。有32個外部雙向I/O口，1280字節RAM，有E2PROM功能，內部集成MAX810專用復位電路，4個16位定時器，7路外部中斷I/O口，通用全雙工異步串行口（UART），雙串口，具有 ISP/IAP編譯器，可通過串口直接下載用戶程序，無需專用的下載器。

2.3 RFID模塊

系統中RFID模塊選用的是MIFARE522模塊，該模塊的硬件電路主要包涵主控芯片和MF RC522芯片，MF RC522是與射頻IC卡實現無線通信的核心部件，也是讀寫器讀寫Mifare卡的關鍵接口芯片，是目前用于13.56 MHz頻段的非接觸式通信的主流讀卡IC，使用27.12 MHz的外部晶振，經過內部二分頻得到13.56 MHz頻段[3]。MF RC522是NXP公司針對“三表”應用推出的一款低電壓、低成本、體積小的非接觸式讀寫卡芯片，是智能儀表的較好選擇。該芯片采用先進的調制和解調技術，集成了13.56 MHz頻段所有類型的被動非接觸式通信方式和協議，并支持ISO14443A所有的層，傳輸速度最高可達424 kb/s，內部的發送器部分不需增加有源電路就能直接驅動近距離天線，接收器部分提供了一個解調與解碼電路，用于處理ISO14443A兼容的應答器信號。數字處理部分提供奇偶和CRC檢測功能。MF RC522具有3種接口方式可方便地與任何MCU通訊：SPI模式、UART模式、I2C模式。本系統中，MF RC522模塊與MCU之間采用的是UART模式進行通訊的，采用如圖3所示的典型應用電路。

圖3 MF RC522在系統中的應用電路Fig.3 MF RC522 application circuit in the system

在電感耦合式射頻識別系統中，天線設計直接決定產品性能。本系統采用直接匹配的天線設計方式，分為發射電路、接收電路和天線及匹配電路，如圖3所示。由R2、C3和R1、C10組成的接收電路與由L1、L2、C4、C5組成的發射濾波電路中的元件參數一般采用推薦值，而天線匹配電路中的C6、C7、C8和C9的值由設計的天線來決定，為獲得良好性能，相關參數取值的選取還需經過天線的調諧過程[4]。

MIFARE522 RFID模塊可以自動讀取IC卡的ID號（即通電后，有IC卡靠近，就可自動讀取16進制的IC卡號，通過串口發出），及通過發送命令操作RFID模塊讀寫卡（被動讀寫卡）功能。本RFID讀寫模塊默認情況下是通過發送命令讀寫卡的，若要設置成自動讀卡，需要將該模塊的J1接口的中間2個引腳（SWIM和GND）短接，然后給模塊通電，通電后只要有IC卡靠近，模塊就會自動讀卡，通過串口發出16進制的IC卡號。

2.4 GSM無線通信模塊

系統中GSM模塊選用的是Simcom公司的SIM900A模塊，該模塊是一款內置TCP/IP協議棧的GSM/GPRS模塊，可以工作在EGSM 900 MHz和DCS 1800 MHz 2個頻段，它可以自動地搜尋2個頻段，也可以通過AT命令來設置頻段。SIM900A支持GPRS multi-slot class 10/class 8（可選）和 GPRS 編碼格式 CS-1，CS-2，CS-3，CS-4[5-6]。SIM900A模塊功能結構框圖如圖4所示，主要由GSM基帶、存儲器、GSM射頻、天線接口、電源接口、音頻接口、SIM卡接口、UART接口、LCD接口和GPIO/鍵盤接口幾部分組成。SIM900A提供2個非對稱的異步串行接口，一個用于通訊，另一個用于軟件調試。串口支持Modem設備，包含數據信號線TXD和RXD，狀態信號線RTS和CTS，控制信號線 DTR、DCD、DSR 和 RI。 串口可用于CSD傳真、GPRS服務、發送AT命令控制模塊。同樣也可以用于串口復用功能，SIM900A只支持基本的復用模式。SIM卡接口引腳為 SIM_VDD，SIM_DATA（SIM 卡數 據 I/O），SIM_CLK，SIM_RST，SIM_PRESENCE（SIM卡檢測）。 此外，該模塊提供一路模擬音頻輸入通道可以用于連接麥克風，提供一路音頻輸出通道可以用于連接喇叭。音頻接口引腳分別為 MIC_P，MIC_N，SPK_P，SPK_N，LINEIN_R，LINEIN_L。 SIM900A 提供一個串行LCD顯示接口，支持串行通訊的LCD顯示設備。SIM900A的鍵盤接口包含了5列鍵盤輸出和5行鍵盤的輸入。本系統中，SIM900A模塊和單片機之間的數據通訊是通過串口來實現的。

圖4 SIM900A模塊功能結構框圖Fig.4 SIM900A module functional block diagram

2.5 GPS模塊

系統中GPS模塊選用ATK-NEO-6M GPS定位模塊。該模塊采用u-blox NEO-6M模組，體積小，性能優異；自帶MAXIM公司高增益（20.5 dB）LAN芯片與高性能陶瓷天線結合，組成接收天線，搜星能力強，具有多達50個衛星通道接收功能；自帶E2PROM，可通過串口進行各種參數設置，并可保存在E2PROM，使用方便；自帶IPX接口，可連接各種有源天線，適應能力強；兼容3.3 V/5 V電平，方便連接各種單片機系統；自帶可充電后備電池，可掉電保持星歷數據。該模塊通信協議有：一種是NEMA-0183標準的串口數據傳輸協議；另一種是UBX標注的二進制數據傳輸協議[7]。本系統中，GPS模塊和單片機之間的數據通訊是通過串口來實現的。

3 系統的軟件設計

系統的程序設計采用C語言設計，系統的軟件編程采用模塊化程序設計思想。系統的主程序作用主要是完成對各個模塊子程序的調用，從而實現整個系統功能的運行。系統的模塊子程序主要包括：初始化程序、RFID模塊子程序、GSM模塊子程序、GPS模塊子程序和LCD顯示子程序等。

3.1 初始化程序

系統的初始化程序主要包括串口初始化、LCD初始化、GPS初始化和GSM初始化4部分。串口初始化包括設置串口通信模式、通信波特率、打開串口中斷、啟動相應定時器等。串口初始化作用是將單片機的2個串口初始化為和GSM、GPS模塊相同數據格式，即一幀的數據格式為1個起始位、8個數據位、無奇偶校驗位、1個停止位，波特率固定為9600。GPS初始化是對各個GPS數據寄存器初始化，同時對串口接收到的GPS數據的完整性進行判斷，確認可視衛星個數。GSM初始化包括開啟GSM模塊、發送AT聯機指令、設置GSM終端模式、設置新消息提醒、設置短信息模式、清空收件箱等操作。

3.2 RFID模塊子程序

RFID模塊的作用是對用戶卡內的信息進行讀取，并將讀取的信息通過串口發送給單片機，單片機對用戶信息進行比對操作，若信息比對后確定用戶的合法性后，會控制繼電器打開相應的權限，比如打開車門或者開啟報警等。RFID模塊子程序包括：復位、認證權限和讀取用戶數據等。當有用戶卡進入到射頻天線的有效范圍，讀卡程序將開始一系列操作，將卡唯一的64位ID讀出，與E2PROM中的已存的ID進行比對，以確定車主的身份是否合法[2]。

3.3 GSM模塊子程序

短信的發送與接收由GSM模塊完成，短信可分2種：一種是主控模塊根據系統傳感器采集的信息，向車主發送報警信息；另一種是車主向主控模塊發送控制信息，當收到信息時，主控模塊自動讀取新信息內容并判別信息來源及所含控制指令，主控模塊根據收到的指令完成相應的操作。GSM模塊子程序包括GSM初始化、發送短消息、接收短消息3部分，發送接收消息均按照標準AT指令操作。

GSM模塊子程序中發送短信的流程如圖5所示。發送短信主要根據標準AT指令集控制GSM模塊，在GSM初始化程序中已設置好GSM模塊的工作方式，發送短信時只需通過單片機串口1發送相關的指令和數據即可，發送的數據為TEXT格式。

圖5 GSM模塊發送短信的流程圖Fig.5 Flow chart of GSM module to send SMS

GSM模塊子程序中接收短信的流程圖如圖6所示。接收短信程序也是在設置好GSM模塊工作方式的前提下，初始化中已經設置了收到信息提醒，當收到新信息時GSM模塊會自動傳回“+GMTI”的數據，根據串口是否接收到此數據來判斷是否收到新信息，當收到信息時再發送“AT+CMGR=1”，讀取收到的新信息內容，將收到的新信息做分析比對，如果是用戶號碼發來的相關控制指令則根據控制指令完成相應的操作，最后刪除該新信息，等待下一條信息到來。

圖6 GSM模塊接收短信的流程圖Fig.6 Flow chart of GSM module to receive SMS

3.4 GPS模塊子程序

GPS模塊子程序流程如圖7所示。GPS模塊子程序主要功能是對GPS模塊輸出到單片機的數據流進行分析和讀取，以方便單片機對這些數據加以利用。GPS數據接收通過單片機的串口2來完成，當串口2收到的數據符合NMEA0183格式的字符時，解析程序根據數據信息中的特殊字符來分辨數據的類型，分別提取出時間、經度、緯度、日期等信息，然后將解析好的數據存放在不同的數據變量中。

圖7 GPS模塊子程序的流程圖Fig.7 Flow chart of GPS module subprogram

GPS模塊輸出的數據以數據流為基本形式，每一秒更新一次。本系統只對GPRMC數據包進行解析，它的數據包內容是：

$GPRMC，<1>，<2>，<3>，<4>，<5>，<6>，<7>，<8>，<9>，<10>，<11>

<1>：UTC 時間，格式為（時分秒）。時、分、秒均為2位。<2>：定位情況，V表示無效定位，A表示有效定位。<3>：緯度，格式為（度分），需要把它轉換成度分秒的格式。<4>：南北半球S（南半球）或者N（北半球）。<5>：經度，格式為（度分），經度的算法和緯度的算法一樣。<6>：東西半球W（西經）或E（東經）。<7>：地面速率，其單位是節，如果把它轉化成km/h，將取得的速度乘上1.85。<8>：地面航向，是它偏離正北的角度。<9>：UTC日期，格式為（日月年）。<10>：磁偏角。<11>：校驗和。以上數據中，UTC時間代表的是世界時間，如果要換算成北京時間，需要將該值加上8 h。

4 結語

汽車防盜報警系統綜合應用了RFID技術、GSM技術和GPS技術，應用RFID技術作為第一重防盜，對車主身份進行識別；應用GSM和GPS技術作為第二重防盜，當車輛被盜時進行短信報警提示，通過GPS定位技術可準確、實時地了解車輛的狀態和位置等信息，以便車主能實時地對失竊車輛進行遠程監控。該系統具有可靠性高、報警范圍廣、監測定位精度高等優點，在實際試用中取得很好的防盜效果，具有廣闊的應用前景。

[1]彭華，李燦平.射頻識別技術和GSM網絡在汽車防盜中的應用[J].中國集成電路，2012（5）：87-91.

[2]歐陽宏志，王新林，朱衛華，等.基于RFID技術的網絡式汽車安防系統的設計[J].計算機測量與控制，2011，19（7）：1719-1721.

[3]徐紹娟，邱琳.基于RC522模塊的水控機一卡通讀寫控制器設計[J].科技傳播，2011（19）：128-129.

[4]鄧偉，劉暾東，鄭中杰.MF RC522射頻模塊在門禁系統中的應用[J].單片機與嵌入式系統應用，2012（12）：38-41.

[5]翟順，王衛紅，張衍，等.基于SIM900A的物聯網短信報警系統[J].現代電子技術，2012，35（5）：86-89.

[6]荊世勇，周景龍，劉明鑫，等.基于SIM900A和LPC2378無線數據傳輸系統設計[J].電子科技，2012，25（11）：66-68.

[7]劉振武，宋蟄存，王海濱.基于GPS技術的公交車智能報站及液晶顯示系統設計[J].自動化技術與應用，2013，32（12）：102-105.