一種應用單片機的汽車防盜報警裝置研發

郭晶

摘 要： 主要完成了一種汽車遠程防盜報警系統裝置總體設計方案的構建，詳細闡述了系統的硬件構成及軟件實現路徑，該系統的核心控制器采用了STM32F103單片機，汽車防盜報警功能主要通過中央模塊控制器和鑰匙模塊實現，中央模塊控制器通過無線方式將生成的密碼地址（一種隨機碼）發送給鑰匙模塊，然后中央模塊會對接收到的由鑰匙模塊發回的加密信息進行解密和校驗，并返回校驗結果，系統據此判斷是否發出聲光報警，通過無線遙控方式不能更改或泄露密碼信息。

關鍵詞： 汽車防盜報警系統; STM32F103; 中央模塊; 鑰匙模塊; 無線通信

中圖分類號： TP 393 ? ? ?文獻標志碼： A

Abstract： This paper mainly completes the construction of a general design scheme for a car remote anti-theft alarm system device， and details the systems hardware composition and software implementation path. The core controller of the system uses the STM32F103 single-chip microcomputer. The module controller and the key module are disigned. The central module controller wirelessly sends the generated password address （a random code） to the key module， and then the central module decrypts the encrypted information sent back by the key module， and verifies and returns the verification result. Based on this， the system judges whether an audible and visual alarm is issued. The password information cannot be changed or leaked through wireless remote control.

Key words： car anti-theft alarm system; STM32F103; central module; key module; wireless communication

0 引言

快速發展的社會經濟及科學技術促使汽車成為一項不可或缺的交通工具，隨著汽車擁有量的不斷增加在人們出現帶來極大便利的同時，汽車被盜的案件越來越普遍，汽車失竊案件也不斷發生，帶來不同程度的經濟損失。通過在汽車上安裝有效的防盜設備成為解決上述問題的重要手段，汽車防盜技術主要經歷了機械式、電子式、芯片式、和網絡式防盜技術幾種發展階段，目前國內以電子式防盜技術應用較為普遍，為滿足市場需求現階段的汽車大多安裝了相應的防盜設備，犯罪分子的但面對作案手段多樣化，傳統的汽車防盜系統已難以滿足現代汽車防盜的需求，普遍存在遠程防盜報警效果不佳、防盜報錯率高、缺少車輛定位功能等問題和不足[1]。針對目前汽車防盜報警系統存在的這些問題，本文設計了一種基于單片機的防盜報警系統。

1 汽車防盜報警系統總體設計方案

隨著汽車應用的不斷普及車輛被盜問題日益突出，給人們的財產安全帶來較大的危害，并增加了社會不安和不和諧因素。汽車的安全是市場用戶的一項關注重點，目前市場上已有多種汽車防盜產品投入到了實際應用，但仍然普遍存在防盜效果不佳、報警誤報率較高等問題。汽車防盜報警系統大多僅實現了單向通信，因加密方法較為簡單而極易被破解。為此本文完成了一種汽車防盜報警系統的設計，該系統采用隨機加密方法實現了雙向通信過程，提高了加密方法的復雜程度，并且可根據實際需要對密碼和加密方法進行更改，從而使汽車防盜報警性能及車輛安全性得到顯著提升，具有一定的實際應用價值。

本文在設計汽車防盜報警系統時選用了具有功能強大、實時性好等優勢的STM32F103單片機（ST公司）作為控制器，并結合運用現代無線通信技術在不受距離約束的前提下實現了雙向通信功能，能夠直接向車主手機發送汽車狀態信息，實現一對一防盜報警功能，所構建的防盜報警系統的結構示意圖，如圖1所示。

主要由人體感應、振動等傳感器構成的信息采集模塊負責完成對汽車警情相關信息的采集，具體由傳感器向單片機微處理器傳送所采集到的警情信息并由其進行處理后，根據處理結果執行相應的報警程序，向車主手機發送短信報警信息，報警器發出語音警告（以不同警情為依據）。車主想要查詢車輛狀態時可隨時向系統發送指令。設防和撤防通過無線遙控器控制。此外，系統在防盜器處于設防狀態下會控制后視鏡折疊，撤防狀態下則展開后視鏡，對后視鏡的控制通過使用一個步進電機（負責轉動后視鏡）和兩個按鍵（負責增加或減小角度）完成，駕駛員可根據需要通過按鍵對后視鏡角度減小設定，設定的角度值顯示于液晶顯示屏幕上[1]。

（1） 信息采集模塊，主要由后視鏡角度采集電路及相應傳感器（人體感應、振動等傳感器）構成，負責檢測包括汽車被撞、被砸、被晃動、被牽動、是否有人進入車內等的不安全因素，STM32F103的PC10引腳連接數據輸出端。由STM32F103 的PB0引腳對振動傳感器檢測到的相關信息進行處理。防盜報警系統中左右兩個角度傳感器同STM32F103 的PC4、PC5引腳相連完成相關角度數據的輸入，再將模擬電壓量通過兩個引腳的A/D轉換功能完成到數字量的轉換后顯示于LCD1602屏幕上[2]。

（2） GSM模塊選用了支持串行接口的EM310GSM（華為公司），包含標準的SIM卡接口，同單片機的RXD0和TXD0引腳相連，其同外界的串行通信過程通過支持數據寬度、數據停止位、奇偶校驗或無校驗（可編程）的UART（支持波特率掉電保存）接口實現，同單片機間的通信使用AT指令進行控制。

（3） 錄音時間長達790s的WT588D語音模塊，供電電壓為2.8～3.6V，包含8kHz采樣時、32Mb存儲器，可使系統的語音提醒需求得到有效滿足，報警系統語音提醒的分貝較高，選用性價比較高的TDA2030作為功率放大器（額定功率達14W），語音模塊電路的R1和C1并聯到地接功放，采用DAC接功放的輸出形式實現對大功率揚聲器的有效驅動，采用3線串口模式控制語音模塊同STM32F103間的連接，P01、P02、P03分別對應DATA數據接口、片選CS和CLK時鐘，并分別連接STM32F103的PC7、PC/8、PC6，WT588D只負責接收STM32F103發送的信息（包括數據、指令和時鐘信號等）無需發送數據。BUSY代表忙信號輸出端，發光二極管在輸出低電平時發光對應放音狀態[3]。

（4） 控制模塊設計，除了油路控制電路和后視鏡控制電路外，本系統控制模塊的關鍵在于安裝在車上的中央模塊（主要負責實現解密、驗證和修改功能）和手持的鑰匙模塊（主要負責實現開鎖和關鎖功能），兩個模塊的通信過程，如圖2所示。

中央模塊和鑰匙模塊采用無線雙向通信模式，兩個電路模塊設置相同的密碼，不同密碼對應不同的地址，在系統開始工作后，中央模塊等待開鎖關鎖，鑰匙模塊等待車況信息（由中央模塊發送），鑰匙模塊詢問中央模塊是否開始解鎖，鑰匙模塊根據接收的隨機地址（包含8個密碼，由中央模塊發送）對相應的密碼進行查看和加密后，再發送到中央模塊由其校驗密碼并據此執行相應的動作，為避免系統掉電時丟失密碼信息，中央模塊產生的隨機密碼用EEPROM儲存，并且在解鎖后能夠對密碼及加密方法進行更改，使汽車防盜系統的穩定性和安全性得到顯著提高。經過多次試驗測試后驗證了本文所構建系統的有效性，基本達到了預期的要求，取得了良好的防盜報警效果，為優化和完善汽車防盜功能提供參考[3]。

2 系統硬件設計

系統的硬件主要包括電源模塊、液晶顯示模塊、STM32F103最小系統、無線通信模塊、儲存芯片等，為確保電路整體性能的穩定，STM32F103作為系統主控制器主要負責連接和組合不同模塊從而形成一個完整的電路系統，系統硬件電路框圖，如圖3所示。

各模塊電路的硬件原理為：（1） STM32F103最小系統電路，主控制器選用32位的基于ARM Cortex內核的單片機STM32F103（STM公司），其工作頻率高達72M，處理速度較快，包含豐富的外設、5個UART接口、RAM（64KB）、Flash（512KB，可編程）、SPI接口3個、可編程GPIO，可使防盜報警系統的主控功能需求得到有效滿足。（2） 穩壓電源電路，為滿足單片機工作對5V電壓的使用需求采用線性電源芯片L7805（輸入電壓在6～21 V之間，發熱量較大，要加散熱片）設計了一個穩壓電源電路，輸入輸出端接兩個電容的L7805可通過慮波減少紋波的影響，因無線通信芯片使用3.3 V電壓，需在L7805的基礎上使用外圍電路相同的穩壓芯片ASM1117-3.3 V[4]。（3） 無線通信芯片電路，通過SPI通信方式只需要4根線即可同STM32F103相連，具體選用了無線收發芯片CC1101，另接GDO0和GDO2兩根線，設置其工作頻率為433M。（4） 報警電路，本文系統主要采用光和聲兩種報警方式，采用倒灌式的LED在單片機輸出高電平時不亮、在低電平時亮。通過脈沖驅動產生聲音，開關狀態的控制過程采用一只NPN三極管完成，給三極管基極一個高電平（通過單片機）導通、給低電平關閉，從而使喇叭振動發出不同的聲音（通過控制脈沖的頻率），發出報警提示。（5） 儲存芯片電路，選用了AT24C02（Atmel公司，一種EEPROM），I2C總線可同時掛多個器件（器件間需外加4.7 K的上拉電阻），由單片機通過I2C通信方式（具體使用SDA和SCK即時鐘線和數據線）對其進行控制。（6） 液晶顯示模塊采用了包含16個端口的LCD1602，采用并口通信方式連接單片機[5]。

3 系統軟件設計

3.1 總體程序流程

本文采用C語言編寫完系統程序后將其寫入單片機，采用MDK編譯環境完成單片機源程序的編寫，編譯后產生的程序代碼為.heX，然后在目標單片機的flash中下載.heX文件（通過JTAG下載線完成）。系統總程序流程，如圖4所示。

系統初始化STM32F103后檢測車輛是否為設防狀態，采用無需軟件編碼的遙控器PT2262只需對接收模塊的設防控制接收情況進行檢測，在不設防狀態下執行遙控接口掃描及后視鏡控制循環操作，在設防狀態控制后視鏡閉合折疊，同時啟動人體感應模塊、振動模塊完成對警情信息的隨時采集和上傳，系統調用GSM通信程序在車主查詢各接口狀態時（通過短信）發送相應狀態信息。系統在發生警情時通過檢測單片機接口判斷具體情況（振動或有人非法入侵），并據此調用相應子程序（人體感應或振動報警）完成相應處理后，再由單片機控制遙控器決定設防或撤防，后視鏡在撤防后會展開到設定角度[6]。

3.2 軟件主程序設計

系統由STM32單片機連接各功能模塊實現各種功能，系統軟件總體結構示意圖如圖5所示。

中央模塊通過無線方式將對應密碼地址的隨機碼（由定時器產生）發送至鑰匙模塊，由鑰匙模塊在EEPROM根據地址（每次地址都不同）查找密碼并加密后返回信息，即使能夠竊聽到信號也是地址和加密后的密碼，不知道約定好的密碼和加密方法的情況下無法通過校驗。修改密碼時，鑰匙模塊在中央模塊每發出一個新密碼時均會返回一個校驗碼，以確保兩個模塊密碼一致。中央模塊主程序流程（鑰匙模塊在系統初始化后需判斷信號的發送情況，其余流程同中央模塊相同）[7]，如圖6所示。

3.3 隨機碼產生程序及雙向無線通信程序設計

對應EEPROM地址（256字節，地址范圍在0～255間）的隨機碼由中央模塊產生，EEPROM共包含256個儲存單元，為使計數范圍也為0～255，設置定時器0為方式2、計數初值為0，系統開始運行后設置定時器0并開始計時，在0～255范圍內持續循環的定時器接收到信號后（由鑰匙模塊發送）隨機取出當前值，間隔一段時間再取一個，連續取8個。CC1100E無線通信芯片通過SPI同單片機通信，通過接收子程序INT8U halRfReceivePacket（rxBuffer，length）的返回值判斷是否接收到信號，接收到信號時返回一個1、未接收到則返回一個0，接收到信號后調用halRfReceivePacket（）后返回一個1即可讀取接收到的數據（在RxBUF[]數組里讀取）。鑰匙模塊在中央模塊發出信號后需處于等待接收信號狀態[8]。

3.4 密碼修改和校驗程序設計

開鎖后僅可在中央模塊中修改密碼，以保證密碼安全。且修改密碼時需在主機收到確認信號（由鑰匙模塊發送）后方可進行，以避免新的密碼被竊聽。鑰匙模塊確認后的隨機密碼產生方法同上文所述相同，從定時器中抽取512個計數值TL0并在AT24C02中存儲，修改完后向鑰匙模塊同步密碼，分64次發送512個密碼，鑰匙每接收一次密碼即原樣返回接收數據，中央模塊據此發送下一次。

3.5 系統性能測試

為檢測本文所設計相同的有效性進行了實驗測試，經多次調試和修改后有效的實現了無線雙向通信、修改密碼及報警功能，中央模塊完成了準確的解密和校驗過程并開啟了車輛，鑰匙模塊完成了相應的開關鎖功能，實驗測試結果如表1所示。

本系統具有較高的關、解鎖成功率，具有一定的實用性。發生的失誤主要由無線通信受環境電磁干擾導致，可通過轉換遙控方向提高通信質量。

4 總結

本文采用STM32單片機構建的汽車防盜報警系統的功能主要通過所設計的中央模塊和鑰匙模塊實現，通過無線通信方式實現了遠程雙向通信功能，通過無線遙控不能更改、泄露密碼信息，該系統由中央模塊負責完成對加密信息（由鑰匙模塊發送）的校驗過程，并根據校驗結果執行相應動作，解鎖后可更改密碼和加密方法（根據實際需要通過中央模塊完成），修改后通過無線通信方式確保同鑰匙模塊的加密方法相同，采用EEPROM儲存隨機密碼避免了密碼信息的丟失，顯著提高了汽車的安全性。

參考文獻

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（收稿日期： 2020.03.12）