基于GPS和GSM網絡的新型汽車防盜系統

何光禹，孫 成，蔡海峰，李太全

（長江大學 物理科學與技術學院，湖北 荊州 434000）

隨著經濟的飛速發展，汽車作為重要的交通工具正在迅猛增加，隨之而來的汽車被盜事件也日趨增多。目前汽車防盜設備主要有機械式防盜器、電子式防盜系統和網絡式防盜系統。它們之間各有優劣，但其發展趨勢是向智能程度高的網絡式方向發展。20世紀60年代以來，電子信息技術的飛速發展使電子信息技術、傳感器技術、數據通信技術和計算機處理技術等有效地應用于汽車防盜技術，促進了汽車防盜技術的高度智能化和功能多樣化。國內已有部分高校、公司開發了相關的產品。但從文獻[1]～[6]可以看出，汽車防盜技術仍存在監控盲區、易被破壞和信號易受干擾等缺陷。

基于 GPS（Global Positioning System）和 GSM （Global System for Mobile Communications）網絡的汽車防盜系統，以其高度的智能化，先進的監控技術，依托監控中心進行對汽車的定位及報警，在經濟發達的大中城市已被廣泛采用。然而在中小城市，廉價、可靠的汽車防盜系統卻有待開發。本項目采用GPS和GSM網絡，開發一種較為廉價、更加可靠的汽車防盜系統。該系統能在汽車被盜走、破壞以及防盜系統被部分拆卸的情況下，將相關信息發送到車主預先設定的手機等通信設備，以實現對汽車狀況的了解和跟蹤。

1 系統總體結構設計

基于GPS和GSM的新型汽車防盜系統結構如圖1所示。該系統由車載設備、控制設備和顯示設備構成。車載設備以GPS模塊和GSM模塊為核心，各模塊在車輛內部組成ZigBee無線局域網，主要功能是監測車輛狀況、采集車輛位置信息并將信息發送給控制設備?？刂圃O備采用嵌入式系統與GSM模塊結合，并與顯示設備連接，主要功能是發送用戶命令、接收和處理遠程端的數據、并將數據送給顯示設備。顯示設備為用戶的PC機或便攜式筆記本等，主要功能是顯示車輛的實時位置，并跟蹤車輛行駛路徑。

2 系統硬件設計

2.1 車載設備

車載設備由多個GPS模塊、GSM模塊和ZigBee無線模塊組成，各模塊通過ZigBee模塊無線連接，如圖2所示。

2.1.1 ZigBee模塊

ZigBee是一種短距離、低速率、低功耗、低成本和低復雜度的無線傳輸技術。它工作在無需注冊的2.4 GHz ISM頻段，傳輸速率為 100～250 Kb／s，傳輸距離為 10～75 m。 TI／Chipcon公司的CC2430內部集成有8051微控制器核和符合IEEE802.15.4標準的2.4 GHz的 RF無線電收發機，還具有128 KG可編程閃存和8 KG的RAM。系統的數據處理程序運行在這個芯片上。ZigBee無線模塊由CC2430芯片、時鐘電路、復位電路、電源電路、天線及相應外圍電路組成，為了增強模塊的抗干擾能力，在PCB電路板上增加了一個防護罩。

2.1.2 GPS接收模塊

選用SR－87型串口GPS接收模塊，具有高靈敏度、高性能的SiRF StarⅢ導航芯片，最多可同時接收20個衛星，提供快速定位和1 Hz數據更新速率。該模塊支持NMEA0183.22通信協議，輸出SiRF二位編碼，能夠快速啟動（冷，暖，熱開機時間分別為42，28，1 s）。并提供小于10 m的二維定位精度，適合車載GPS設備的要求。SR－87的2、3引腳為數據輸出與輸入端，分別連接CC2430的17、18引腳，6引腳為狀態指示端，當輸出有效的GPS數據時，該端輸出脈沖信號，外接LED予以指示。模塊的5引腳和外殼要同時接地。

2.1.3 GSM通信模塊

系統采用Siemens公司的新一代無線通信模塊TC35i，配合相應的外圍電路可實現SMS消息服務功能。TC35i共有40個引腳，通過ZIF連接器分別與電源、啟動和關閉、SIM卡、數據通信、狀態指示等電路連接。模塊上電后，需在其15引腳（啟動引腳）加時長至少為100 ms的低電平信號，才能啟動。啟動后該引腳應保持高阻抗狀態。

TC35i的數據接口采用串行異步收發，符合ITU－T RS－232接口電路標準，工作在CMOS電平（2.65 V）。數據接口配置為8位數據位、1位停止位、無校驗位，可以在300～115 Kb/s的波特率下運行，支持的自動波特率為4.8～115 Kb/s（14.4 Kb/s和28.8 Kb/s除外）。

TC35i模塊還支持RTS0/CTS0的硬件握手和XON/XOFF的軟件流控制。模塊的第18、19引腳為串口數據發送和接收端口，與 CC2430 的 P02、P03 連接（如圖 3）。 此外，TC35i在發射時，瞬時電流可達到2 A，而此時的電壓降不能超過0.4 V，否則模塊將自動關閉。

2.2 控制設備

ATMEGA128有2個串行異步收發接口，工作在COMS電平，一接口可與TC35i的數據接口直接連接，另一接口經過電平轉換電路與PC串口連接。在相應外部電路的配合下，構成控制臺，如圖4所示。微處理器ATMEGA128通過串口讀取TC35i中的數據，經過處理后再通過另一串口發送給PC?？刂瓢存I產生中斷信號，作為用戶指令，控制數據收發?？刂破鞯墓ぷ鳡顟B由狀態指示電路顯示。

3 系統軟件設計

3.1 GPS數據處理

SR-87型GPS數據接收模塊支持NMEA0183的通信標準， 輸出 4 條語句$GPGGA，$GPGSA，$GPRMC，$GPVTG。$GPRMC是標準推薦的輸出語句，該語句包含UTC時間、接收狀態、經度、緯度、速度、航向等信息。經處理可得到單一的GPRMC 語句，例（長江大學，實驗室）：$GPRMC，143448.000，A，3020.0745，N，11212.4731，E，0.00，141.81，180509，，，*6F。該數據經過處理，從中提取經度、緯度、速度、航向等有用信息，這些信息是定位車輛位置的主要來源。

3.2 GSM網絡通信

TC35i GSM模塊提供的命令接口符合GSM07.05和GSM07.07規范。GSM07.07中定義的AT Command接口，提供了一種移動平臺與數據終端設備之間的通用接口。在短消息模塊收到網絡發來的短消息時，能夠通過串口向數據終端設備發送指示消息，數據終端設備可以使用GSM AT指令通過串口向GSM模塊發送各種命令。通過AT指令（見表1），可以控制SMS消息的接收與發送。

SMS消息的發送采用PDU（protocol data unit）模式，在數據發送時需要把ASCⅡ字符及漢字統一編碼成UCS2碼。接收到的數據是以7 bit的編碼形式存儲在TC35i模塊或SIM卡內，在數據讀取時直接從TC35i模塊中得到符合GSM規范的數據，需經過提取得到7 bit編碼的有效數據。然而這些數據是以ASCⅡ字符的形式存在的，要轉換成8位的十六進制形式的7 bit編碼，再解碼成可用的ASCⅡ碼數據，如圖5所示。這樣得到遠程發送來的原始數據，然后把這些數據模擬成NMEA-0183格式的串口數據包輸出，并加入校驗碼（半字節校驗）。

表1 AT指令表Tab.1 AT command

3.3 ZigBee無線局域網的建立

在系統的遠程監測端，每個GPS模塊或GSM模塊與一個ZigBee模塊組合，構成ZigBee網絡結點。系統啟動后，這些網絡結點按照以下3個過程組建無線局域網：

1）網絡初始化過程：節點（配有CC2430射頻芯片的模塊單元）初始化后，掃描信道檢查網絡是否存在；

2）主節點配置網絡過程：產生協調器網絡節點，開始配置網絡；

3）從節點入網過程：終端設備節點申請加入協調器節點或路由節點。

當ZigBee網絡組建完成后，網絡推薦一個GSM模塊與控制端建立聯系，其他GSM模塊處于備用狀態，系統進入監測狀態。如有異常情況發生，異常信息匯集到推薦的GSM模塊，向控制端發出報警信息。監測網絡定時檢測網絡的工作狀況，一旦有網絡結點出現異常，也會發出報警信息，如果出現異常的結點是與控制端建立聯系的GSM模塊，系統推薦另一個GSM模塊進入工作狀態。

3.4 防盜策略

系統啟動后，一旦監測到異常，遠程端通過GSM網絡向用戶定義的控制端或手機發送報警信號。用戶通過控制端或手機下達命令，獲取車輛的位置信息，借助電子地圖 （如GOOGLE地圖），可以實現對被盜汽車的跟蹤。

車輛內部的ZigBee無線網絡，能夠較好應對竊賊對車載設備的攻擊。各模塊在物理連接上是獨立的，可安裝在車輛內任何位置；模塊的數量是不確定的，由用戶自定，塊間由ZigBee無線網絡連接。各模塊間能相互通信，當個別模塊被壞，其他模塊能迅速響應，發報警信息，并啟動其他模塊，同時網絡自動更改結構，系統正常運行。

4 試驗結果

在實驗過程中選用了GPS模塊和GSM模塊各3個，安裝在車內較為隱秘的位置，在車內形成了具有6個節點的ZigBee網絡。將控制設備與計算機串口連接，計算機運行電子地圖軟件，按下控制設備上的“跟蹤”鍵，即在電子地圖上觀測到車輛的實時位置，如圖6所示。隨機拆出其中2個節點，仍可觀測到車輛位置，并收到了告警信息，系統沒有受到影響。只要保證車內有一對由GPS模塊和GSM模塊構成的節點存在，系統仍可正常運行。按照概率論，隨機拆出3個節點而使系統遭受徹底破壞的可能性只有5%。在安裝時注意節點的位置，多個節點都被拆出的可能性將會降低。

5 結束語

采用GPS和GSM網絡與ZigBee技術，在車內組建Zig-Bee無線數據傳輸局域網，在汽車被盜、破壞以及防盜系統被部分拆卸的情況下，仍能將相關信息發送到車主預先設定的手機等通信設備，實現了對汽車的實時監控保護。各局域網各節點之間能夠相互通信，當個別單元遭到破壞時，其他單元能迅速響應，發出報警信息，并自動更改網絡結構，維護局域網的正常運行，從而提高了系統的安全性。與一般的GPS和GSM汽車防盜系統比較，該系統增加了冗余的GPS、GSM模塊，提高了系統的可靠性。由于模塊間采用無線網絡技術，增加了防盜系統的隱秘性，降低了系統徹底被破壞的可能。

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