基于Android系統(tǒng)汽車遠(yuǎn)程啟動(dòng)及防盜系統(tǒng)的研究

于鑫洋，鄒常豐*，侯森垚，劉 群，王 粵，趙 曦

(1.東北林業(yè)大學(xué) 交通學(xué)院，哈爾濱 150040；2.東北林業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，哈爾濱 150040)

?

基于Android系統(tǒng)汽車遠(yuǎn)程啟動(dòng)及防盜系統(tǒng)的研究

于鑫洋1，鄒常豐1*，侯森垚2，劉 群2，王 粵1，趙 曦1

(1.東北林業(yè)大學(xué) 交通學(xué)院，哈爾濱 150040；2.東北林業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，哈爾濱 150040)

針對(duì)傳統(tǒng)汽車的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)控制及防盜性能較差的問題，提出移動(dòng)設(shè)備遠(yuǎn)程控制的新型控制方案，實(shí)現(xiàn)通過安卓手機(jī)對(duì)汽車進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)防盜監(jiān)控；在手機(jī)終端與遠(yuǎn)程服務(wù)器之間采用網(wǎng)絡(luò)連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速傳輸；在遠(yuǎn)程服務(wù)器與車載控制模塊之間采用GSM網(wǎng)絡(luò)連接，保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性；在車載控制模塊與汽車節(jié)點(diǎn)設(shè)備之間采用CAN總線網(wǎng)絡(luò)連接，實(shí)現(xiàn)了各節(jié)點(diǎn)設(shè)備的互通互信；在調(diào)試后，本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了通過安卓手機(jī)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)與熄火，對(duì)車輛所在位置的定位以及調(diào)用地圖顯示汽車的實(shí)時(shí)位置等功能，具有廣泛的擴(kuò)展性。

遠(yuǎn)程控制；CAN總線；GSM網(wǎng)絡(luò)

0 引 言

隨著現(xiàn)代汽車的不斷發(fā)展和如今智能手機(jī)的普及，汽車將向著智能化的方向發(fā)展，汽車的遠(yuǎn)程智能控制也會(huì)逐漸的流行[1]。在當(dāng)前汽車行業(yè)信息化建設(shè)以及車聯(lián)網(wǎng)的進(jìn)程中，防盜系統(tǒng)得到了高度的重視和迅速的推廣[2-4]，成為今后汽車行業(yè)信息化建設(shè)的重要內(nèi)容和必然趨勢(shì)。CAN(控制器局域網(wǎng)絡(luò)Controller Area Network)總線技術(shù)已經(jīng)在汽車領(lǐng)域得到了非常成熟的運(yùn)用。借助CAN總線，可以實(shí)現(xiàn)車載控制模塊對(duì)汽車各節(jié)點(diǎn)設(shè)備進(jìn)行通訊[5-6]。Android系統(tǒng)的移動(dòng)設(shè)備較其他系統(tǒng)應(yīng)用廣泛，選擇基于Android系統(tǒng)移動(dòng)設(shè)備汽車遠(yuǎn)程啟動(dòng)及防盜系統(tǒng)作為主要研究內(nèi)容[7-13]，以適應(yīng)未來汽車的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)人們經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、安全和舒適的乘駕體驗(yàn)。

1 設(shè)計(jì)方案

該汽車遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)為實(shí)現(xiàn)通過手機(jī)終端遠(yuǎn)程控制汽車點(diǎn)火、熄火以及定位等功能，提高汽車安全性能，讓駕駛者能夠安心駐車，即使在車輛被盜情況下也能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控的效果，可將整個(gè)系統(tǒng)分為以下幾個(gè)部分，嵌入式系統(tǒng)安卓智能設(shè)備軟件設(shè)計(jì)、基于單片機(jī)車載控制器的車載控制終端、車載部分CAN節(jié)點(diǎn)設(shè)置、車載端與遠(yuǎn)程控制端信息通信。

該系統(tǒng)中通過設(shè)計(jì)一個(gè)手機(jī)客戶端，用戶可通過客戶端發(fā)出指令，經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)，與遠(yuǎn)程服務(wù)器之間建立連接，服務(wù)器與單片機(jī)車載控制器之間通過GSM網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)信息傳輸[14-16]，從而將客戶端命令信號(hào)傳遞給控制器，控制器根據(jù)設(shè)定好的程序，執(zhí)行命令指令，通過CAN總線網(wǎng)絡(luò)在車載端內(nèi)部發(fā)送指令信號(hào)并接收反饋信號(hào)，從而控制車載端執(zhí)行器工作，達(dá)成控制目的，其系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖Fig.1 System Chart

2 設(shè)計(jì)原理

2.1 車載控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)車載終端采用了開源電子原型平臺(tái)Arduino微處理器作為主控制器，同時(shí)應(yīng)用GPS、GPRS以及CAN等模塊，采集車輛狀態(tài)及定位信息等數(shù)據(jù)，經(jīng)過Arduino微處理器的處理后通過GPRS網(wǎng)絡(luò)與通信服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸[17-19]。

車載設(shè)備中主要有主控制器、GPS模塊、CAN模塊、GPRS通信模塊和電源模塊等組成。主控制器選擇的是Arduino微處理器 Mega 1280微處理器，GPS模塊采用的是U-BLOX的NEO-6M，CAN模塊選用的是Microchip的Mcp2515控制器，GPRS模塊使用的是SIMCOM的工業(yè)級(jí)的SIM808模塊，電源模塊用的是降壓型穩(wěn)壓芯片LM2596，其結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)方面選擇使用開源硬件Arduino微處理器的集成開發(fā)環(huán)境來進(jìn)行編寫，編程語言是基于Wiring，語法使用規(guī)則類似于C語言。軟件主程序流程如圖3所示。主程序包括系統(tǒng)初始化和循環(huán)檢測以及中斷程序等，設(shè)置了高低優(yōu)先級(jí)。服務(wù)器上的特定位置設(shè)置變量來控制汽車的啟動(dòng)和熄火，1為啟動(dòng)指令，0為熄火指令，可由安卓手機(jī)端來修改。當(dāng)要控制汽車啟動(dòng)時(shí)，安卓端點(diǎn)啟動(dòng)按鈕后，服務(wù)器上的特定位置設(shè)置變量變?yōu)?，并返回到車載端從而控制汽車啟動(dòng)。同理類似也可控制汽車熄火。單片機(jī)通過GPRS模塊接收用戶的命令，并在處理后給予回復(fù)。Arduino控制器通過AT指令控制SIM808模塊完成各種功能。AT指令集是從終端設(shè)備(TE)或者數(shù)據(jù)終端設(shè)備(DTE)向終端適配器(TA)或者數(shù)據(jù)電路終端設(shè)備(DCE)發(fā)送的。通過TA、TE發(fā)送AT指令來控制移動(dòng)臺(tái)(MS)的功能，與GSM網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)進(jìn)行交互。用戶可以通過AT指令進(jìn)行呼叫、短信和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)等方面的控制。AT指令必須以“AT”或者“at”開頭，以回車()結(jié)尾。

圖2 結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 Structure chart

圖3 主程序流程圖Fig.3 Main program flow chart

車載移動(dòng)終端通過GPS模塊獲取汽車當(dāng)前的位置和時(shí)間等信息，GPRS模塊再通過GPRS網(wǎng)絡(luò)將所獲取的信息不斷的向通信服務(wù)器傳輸。同時(shí)，GPRS模塊也不間斷的從服務(wù)器上查詢是否有數(shù)據(jù)需要返回，通過這種方法實(shí)現(xiàn)了移動(dòng)終端與通信服務(wù)器的雙向數(shù)據(jù)傳輸。從服務(wù)器上傳回終端的數(shù)據(jù)信號(hào)通過串口傳輸給Arduino微處理器處理并根據(jù)信號(hào)執(zhí)行相應(yīng)的操作。安卓手機(jī)也要通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)議與通信服務(wù)器建立連接，安卓手機(jī)可根據(jù)用戶指令隨時(shí)從服務(wù)器調(diào)取所需要的信息或發(fā)送數(shù)據(jù)到服務(wù)器。通過這種方法，車載移動(dòng)終端和手機(jī)客戶端通過通信服務(wù)器間接的連接在一起，達(dá)到手機(jī)與汽車之間的信息交互以及遠(yuǎn)程控制汽車的目的。

2.2 手機(jī)終端設(shè)計(jì)

隨著智能手機(jī)的普及，手機(jī)在生活中的地位也隨之提高，手機(jī)應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域也迅猛發(fā)展。車輛作為人們出行不可或缺的代步工具，其遠(yuǎn)程操控有著舉足輕重的地位。用戶通過手機(jī)對(duì)車輛進(jìn)行遠(yuǎn)程控制成為了必然的發(fā)展趨勢(shì)。本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)就是基于Android平臺(tái)的手機(jī)設(shè)計(jì)一款A(yù)PP，實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛的啟動(dòng)、熄火和定位等一系列的操作。具體的手機(jī)軟件界面如圖4所示。圖中所示圖標(biāo)自左至右、自上至下分別代表的功能為啟動(dòng)與熄火、油量檢測、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速檢測、胎壓檢測、定位、啟動(dòng)與停止報(bào)警。其中啟動(dòng)與熄火、定位、啟動(dòng)與停止報(bào)警等功能已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，油量檢測、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速檢測、胎壓檢測等功能處于待開發(fā)狀態(tài)。

圖4 手機(jī)軟件界面Fig.4 Mobile phone APP interface

首先要搭建Android的開發(fā)環(huán)境。Android程序是用Java語言編寫，所以要安裝Java開發(fā)工具；而編輯環(huán)境是使用Eclipse工具包執(zhí)行，故需要Eclipse完整工具包再加上Android開發(fā)工具及插件就構(gòu)成Android開發(fā)環(huán)境。Eclipse是一個(gè)開發(fā)平臺(tái)，要在Eclipse中編寫任何一種開發(fā)語言的程序，必須依靠插件工具包，Eclipse利用Android開發(fā)工具插件(ADT Plugin for Eclipse)將AndroidSDK 整合到Eclipse集成開發(fā)環(huán)境當(dāng)中。Android軟件開發(fā)工具包(Android SDK)提供完整的AndroidAPI、Android應(yīng)用程序調(diào)試工具及Android模擬器。解壓出android-sdk-windows文件夾后，設(shè)置安裝SDK安裝工具包路徑以后，啟動(dòng)SDK Manager，選擇自己需要的SDK版本進(jìn)行安裝。

本系統(tǒng)采用的地圖是高德地圖。高德定位SDK提供了LBS定位功能，開發(fā)者可以便捷的為應(yīng)用程序添加定位功能，通過手機(jī)自帶的GPS信息以及網(wǎng)絡(luò)信息，可以智能判斷用戶場景，以更快的響應(yīng)速度來實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的定位功能。如圖5所示為實(shí)際測試時(shí)的定位信息。

圖5 定位信息Fig.5 Location information

將定位開發(fā)包拷貝至libs的根目錄下。添加KEY以及相關(guān)權(quán)限配置。實(shí)現(xiàn)定位接口，然后設(shè)定定位接口的生命周期。通過POST的方法向服務(wù)器發(fā)送獲取經(jīng)緯度的指令，通過get的方法得到定位后的經(jīng)緯度信息。運(yùn)用http協(xié)議讀取返回值看具體定位信息。圖6為實(shí)現(xiàn)定位功能的關(guān)鍵代碼。

圖6 定位功能關(guān)鍵代碼Fig.6 Key codes of positioning functions

2.3 系統(tǒng)安全設(shè)計(jì)

隨著物聯(lián)網(wǎng)在中國各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用，車聯(lián)網(wǎng)也迅速發(fā)展普及，在實(shí)現(xiàn)了車與車、車與人、車與路之間的信息傳遞后，其溝通中所存在的安全問題則隨之顯得尤為突出重要。在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)如此發(fā)達(dá)但網(wǎng)絡(luò)安全卻相對(duì)薄弱，那么在利用車聯(lián)網(wǎng)的同時(shí)，也應(yīng)解決服務(wù)器、車載端、手機(jī)端之間信息傳遞中存在的安全問題。為了解決該問題，可從系統(tǒng)整體安全、系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)安全和系統(tǒng)信息安全3方面入手。

系統(tǒng)的整體安全性將通過三位一體式的安全系統(tǒng)來保證，其工作方式如圖7所示，三位一體式安全系統(tǒng)由U盾保護(hù)、電子證書、手機(jī)NFC授權(quán)三部分組成。U盾保護(hù)是指利用U盾的內(nèi)置微型智能卡處理器，通過手機(jī)NFC授權(quán)保證線路正常，電路一旦被強(qiáng)行修改，沒有得到授權(quán)，芯片將被短路，數(shù)據(jù)被鎖定，從而保證信息的安全。電子證書即利用其方便靈活，信息防偽安全性高等優(yōu)點(diǎn)安裝在服務(wù)器端與U盾配合使用進(jìn)行唯一授權(quán)。當(dāng)車載端需要被改動(dòng)時(shí)也同時(shí)要求手機(jī)NFC授權(quán)，且具有記憶功能。另外，當(dāng)U盾自毀后也需要手機(jī)授權(quán)后更換U盾以恢復(fù)數(shù)據(jù)。這三者相互作用，有機(jī)聯(lián)系，從而保護(hù)整個(gè)系統(tǒng)的信息。

圖7 三位一體安全系統(tǒng)Fig.7 Trinity security system

網(wǎng)絡(luò)安全涉及很多方面，也是社會(huì)所面臨的問題。在本系統(tǒng)中，重點(diǎn)保障服務(wù)器、車載端、手機(jī)端3方面的安全。服務(wù)器方面主要通過做好硬件維護(hù)，做好數(shù)據(jù)備份，做好定期網(wǎng)絡(luò)檢查3種方法維護(hù)其安全性。車載端則是運(yùn)用U盾、手機(jī)、服務(wù)器綜合作用，授權(quán)保護(hù)。另外運(yùn)用加密算法，將整個(gè)算法進(jìn)行加密，使得在Arduino微處理器即使通過某種手段取出源代碼也會(huì)是進(jìn)行加密之后的代碼。在手機(jī)端的安全方面，由于安卓系統(tǒng)本身所造成的應(yīng)用加密安全性較弱的原因，所以采用了手機(jī)端電子證書驗(yàn)證登錄方法，來保證手機(jī)端控制的安全性。

在手機(jī)端用戶信息安全應(yīng)用程序檢測及安全監(jiān)控技術(shù)方面，設(shè)計(jì)出針對(duì) Android 平臺(tái)的應(yīng)用安全監(jiān)控系統(tǒng)，用于監(jiān)控和管理用戶手機(jī)中已安裝的應(yīng)用程序。維修時(shí)的用戶信息是最容易被泄露的。這套系統(tǒng)在維修時(shí)的用戶信息也是用三位一體式安全系統(tǒng)來進(jìn)行保護(hù)的。車載端用戶信息則利用U盾的功能，在沒有得到授權(quán)的情況下用戶信息將被封鎖，車量的信息也需要被實(shí)時(shí)的發(fā)送給服務(wù)器，以達(dá)到監(jiān)控的目的。在第三方平臺(tái)的選擇上會(huì)選用信用度高的平臺(tái)，保護(hù)用戶信息不會(huì)由此泄露。

該系統(tǒng)安全設(shè)計(jì)方案有力地從多方面保障了本系統(tǒng)的安全性，使用戶可以安心使用，同時(shí)也對(duì)當(dāng)下車聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展中所存在的安全問題指出了一條合理的解決方案，對(duì)今后車聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用起到積極作用。

3 結(jié)束語

本文所述的汽車遠(yuǎn)程啟動(dòng)及防盜系統(tǒng)是對(duì)汽車現(xiàn)有的遠(yuǎn)程操控及安全性能所存在的不足，創(chuàng)建一個(gè)手機(jī)客戶端，使用戶可以通過控制手機(jī)終端利用網(wǎng)絡(luò)、GPRS模塊、CAN總線實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、輪胎胎壓、汽車行駛速度的實(shí)時(shí)監(jiān)控，發(fā)動(dòng)機(jī)熄火與啟動(dòng)，汽車定位以及調(diào)用地圖顯示汽車實(shí)時(shí)位置。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，可通過客戶端對(duì)汽車狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控以及對(duì)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制。

[1]張 麗.汽車遠(yuǎn)程智能控制系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)[D].昆明：西南交通大學(xué)，2013.

[2]黃曉研.汽車遠(yuǎn)程控制防盜報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2007.

[3]熊燕.移動(dòng)通訊技術(shù)對(duì)汽車信息化影響的研究[D].長春：吉林大學(xué)，2012.

[4]Lubbe A J，Kluge P.Development and testing of a wireless controlled car using the internet as communication medium [J].South African Journal of Industrial Engineering，2008，19(1)：137-148.

[5]唐 盟.基于CAN總線的車身數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)研發(fā)[D].重慶：重慶大學(xué)，2014.

[6]Akiyama S，Yamaguchi A，Takada H.Vehicle embedded data stream processing platform for android devices[J].International Journal of Advanced Computer Science and Applications，2015，6(2)：285-294.

[7]國珊珊.具有遠(yuǎn)程控制功能的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)啟停控制器[D].長春：吉林大學(xué)，2015.

[8]李 磊.面向Android手機(jī)的車載信息通信及應(yīng)用[D].長春：吉林大學(xué)，2013.

[9]袁 寧.基于Android智能手機(jī)的車輛遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)[D].重慶：重慶大學(xué)，2014.

[10]李 航.基于安卓平臺(tái)的車載信息交互與控制系統(tǒng)研究[D].上海：上海交通大學(xué)，2013.[11]Barcelos V P，Amarante T C，Drury C D，et al.Vehicle monitoring system using IEEE 802.11p device and Android application[C].2014 International Symposium on Computers and Communications(ISCC 2014)Madeira，Portugal，2014，6：1-7.

[12]Nakamoto Y，Okamoto M，Bhuiya M，et al.Android platform based on vehicle embedded data stream processing[C].2013 Ubiquitous Intelligence and Computing，(UIC 2013)Vietri sul Mare，Italy，2013，12：48-55.

[13]Yamada M，Sato K，Takada H.Implementation and evaluation of data management methods for vehicle control systems[C].2011 Vehicular Technology Conference(VTC 2011)Budapest ，Hungary，2011，5：1-5.

[14]王警衛(wèi).基于GSM的汽車無線防盜搶報(bào)警定位系統(tǒng)的研究[D].沈陽：東北大學(xué)，2011.

[15]Oladimeji T T，Oshevire P O，Omitola O O，et al.Design and implementation of remotely controlled vehicle anti-theft system via gsm network[J].Wireless Sensor Network，2013，5(8)：151.

[16]Fong T，Thorpe C，Baur C.Advanced interfaces for vehicle teleoperation：Collaborative control，sensor fusion displays，and remote driving tools [J].Autonomous Robots，2001，11(1)：77-85.

[17]胡江天.基于GPRS的車載終端的軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].南昌：南昌大學(xué)，2012.

[18]陳 冉，江焰林，張蒙恩，等.車輛防追尾動(dòng)態(tài)安全車距監(jiān)控系統(tǒng)研究[J].林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備，2016，44(7)：23-25.

[19]陳 冉，韓 銳.基于Arduino的防堵車追尾事故系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備，2016，44(8)：29-32.

Study on the Vehicles Remote Ignition and Anti-theftSystem Based on Android System

Yu Xinyang1，Zou Changfeng1*，Hou Senyao2，Liu Qun2，Wang Yue1，Zhao Xi1

(1 College of Traffic，Northeast Forestry University，Harbin 150040；2.College of Mechanical and Electrical Engineering，Northeast Forestry University，Harbin 150040)

Aiming at the problems of remote real-time control and poor anti-theft performance of traditional vehicle，a new control schemes for remote control of mobile devices was proposed，which realized the remote real-time and anti-theft monitor and control through the Android mobile phones.The mobile terminal was connected to the remote server by the network which achieved the high-speed transmission of the data.The remote server was connected to the vehicle control module by GSM network to ensure the stability of data transmission.The CAN bus linking the vehicle control module with the automobile node device achieved the correspondence of every node device.After the debugging，the system realized the functions of the real-time monitoring through the Android mobile phones with respect to the ignition and blowout of the engine.It also achieved to locate the vehicle and the call of the map to show the car’s real-time position，which has a broad application prospects.

Remote control；CAN bus；GSM networks；

2016-05-06

國家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(201510225006)

于鑫洋，本科生。研究方向：車輛工程。

*通信作者：鄒常豐，博士，副教授。研究方向：交通工程。E-mail：joezou905@163.com

于鑫洋，鄒常豐，侯森垚，等.基于Android系統(tǒng)汽車遠(yuǎn)程啟動(dòng)及防盜系統(tǒng)的研究[J].森林工程，2016，32(6)：81-84.

U 463

A

1001-005X(2016)06-0081-04