基于μC/OS-II的低功耗車載防盜系統的設計

鐘杰銓，彭文亮，唐佳林

（北京理工大學 珠海學院 信息學院 廣東 珠海 519088）

當今市場的汽車的防盜手段通常都是被動防盜型的，即采機械式或者電子式的手段當車輛遇到非法入侵時車輛防盜系統會采取預設的防盜手段并自動報警。此類的防盜器占絕大部分市場。此類防盜器在一定程度上能對非法入侵者起到阻礙作用，但是如果遇到手段高明的盜車賊。此類的防盜器就成為了擺設，而且無法及時尋回被盜車輛。為此在本文中作者設計了基于μC/OS-II的低功耗車載防盜系統。該系統是一種區別于傳統防盜器的新型防盜手段，利用當代覆蓋面最廣的GSM網絡與GPS系統對車輛進行監控[1]。

本文介紹的防盜系統，是基于μC/OS-II系統，結合TI公司的MSP430微處理器，由GPS模塊獲取車輛當前位置，通過GSM網絡發送當前車輛情況到用戶手機上。通過手機短信可發送指令控制車輛的油門與點火裝置。結合傳統車輛防盜器為車輛提供較為全面的防盜方案。

1 系統的設計目標

1）位置及車輛內部情況相關數據的傳送，包括用主動請求系統發送，間隔時間發送，超過一定范圍發送等。發送的方式可通過SMS方式與GPRS方式，GPRS方式是通過流量進行計費的[2]，因為本系統要求的數據大小不大，故本系統主要采取GPRS方式進行信息通信。但由于在某些偏遠地方或人群聚集的地方，GPRS信號可能不好，故系統亦可通過SMS方式進行輔助通信。

2）異常情況處理，分一下幾種情況：

①緊急報警功能：當車輛遇上交通事故，搶劫等緊急情況時司機可通過緊急按鈕向預設好的安全號碼發送求救信號，并上傳當前車輛定位數據。

②防盜報警功能：當系統設置為防盜模式時，當系統檢測到車輛有異常時，系統會切斷車輛供油系統與鎖定剎車系統。并發送當前定位數據到用戶手機。

③尋回車輛功能：當發現車輛被盜時，用戶可通過發送預設指令，可主動切斷車 輛供油系統并鎖定車輛。并發送定位數據到用戶手機。幫助用戶尋回自己被盜車輛。

2 系統硬件設計

MSP430F149微處理器的片上資源MSP430F149芯片是美國德州儀器公司推出的16位超低功耗微處理器，有60KB+256字節FLASH，2KB的RAM，片內資源豐富，包括基本時鐘模塊、看門狗定時器[3]，帶3個捕獲/比較寄存器和PWM輸出的16位定時器、帶7個捕獲/比較寄存器和PWM輸出的16位定時器、2個具有中斷功能的8位并行端口、4組8位并行端口、模擬比較強、12位A/D轉換器、2個串行通信接口等模塊。結合芯片設計手冊設計微處理器電路如圖1所示。

圖1 MSP430F149微處理器Fig.1 The interface circuit of MSP430F149

其他硬件的實現系統的硬件設計主要有4個部分，即電源電路部分、GSM模塊電路部分、GPS模塊電路設計、繼電器控制電路設計。系統全部采用3.3 V電壓供電，由于GS M模塊的峰值電流可達到2 A，故采用美國芯源的電源芯片MP2303，該芯片提供4.75～28 V寬電壓輸入，0.8～25 V寬電壓，最大3 A電流的輸出。參考官方設計手冊設計了本系統的電源電路，由車載蓄電池12 V直流供電，提供3.3電壓最大3 A的輸出[4]。電路如圖2所示。

圖2 系統電源電路Fig.2 Circuit of system power

本設計采用GSM作為與車載終端與用戶終端通信手段，當車輛發生異常時，可通過短信、GPRS通知用戶。用戶發現異常后可主動查詢到車輛的具體位置，與車輛行駛情況。GSM（Global System for Mobile communication）系統是目前基于時分多址技術的移動通信體制中，比較成熟完善，且應用最廣泛的一種系統。我國已經建成覆蓋全國的GSM數字蜂窩移動通信網，現在是我國公眾移動通信網的主要方式。本設計基于成本與穩定性原則，采用芯訊通無線科技有限公司推出的SIM900A模塊，該模塊是專為中國大陸和印度市場設計的雙頻的GSM/GPRS模塊。主要為工業控制，物聯網等提供語音傳輸、短信發送、GPRS數據業務提供無線接口。

本設計區別于傳統防盜器的最大亮點在于可實時掌握車輛當前位置與車輛內部情況。如是否已經點火，當前車輛行駛速度等。故本設計采用GPS定位技術，終端用戶可通過GSM網絡精確的掌握車輛位置。本設計基于成本與穩定性原則，采用u-blox公司推出的一款GPS定位模塊NEO－6M[5]。該模塊基于u-blox公司的u-blox6定位引擎，專為低功耗低成本設計提供GPS數據接口。圖3為NEO－6M模塊外部電路設計圖

圖3 NEO－6M模塊外部電路設計圖Fig.3 The NEO－6M peripheral circuit

3 系統軟件設計

軟件設計基于嵌入式實時操作系統μC/OS-II，μC/OS-II是一種基于優先級的搶占式多任務實時操作系統，通過實時內核對CPU進行管理，為每個任務分配CPU時間，當無需執行任務的時候，內核自動切換CPU到休眠狀態，配合MSP430單片機的多種低功耗模式，可較為輕松的實現反應靈敏，功耗低，多任務的防盜系統。

μC/OS是一個基于優先級的可剝奪型的實時多任務操作內核，包含實時內核、任務管理、時間管理、任務間通信同步和內存管理等功能。95%的代碼由C語言編寫，只有極少關于CPU操作的代碼由匯編編寫，可移植性強，內核簡單易懂，對RAM與ROM占用低，適用于小系統的開發[6]。結合MSP430單片機可方便開發出超低功耗的防盜系統。

1）系統流程圖

圖4 軟件設計的流程圖Fig.4 Flow chart the software design

2）μC/OS-II初始化代碼

void main （void）

{

WDTCTL=WDTPW+WDTHOLD；/*禁止看門狗*/

OSInit（）； /* 初始化 uCOS-II*/

KeyQEvent=OSQCreate（&Qstart[0]，10）； /* 創建按鍵信號量*/

OSTaskCreate（TaskStart_Start，（void*）0，

&TaskStartStk_Start[TASK_STK_SIZE-1]，Task Start_Start_PRIO）；

/*創建系統初始化任務*/

OSTaskCreate（TaskGPRS， （void*）0，

&TaskStartStk_GPRS[TASK_STK_SIZE-1]，TaskGPRS_PRIO）；

/*創建GPRS通信任務*/

......

OSStart（）；/*開始任務調度 */

}

3）μC/OS-II任務程序示例

μC/OS-II是一個多任務實時操作系統，每個應用程序是一個任務，根據任務的性質在系統中對其分配不同的優先權。本系統的優先級由高到低分別為系統初始化任務、短信通信任務、GPRS通信任務、車輛控制任務、GPS數據解析任務。

任務的示例程序如下所示：

4 實驗數據

表1 防盜系統功耗測試結果Tab.1 Test result of alarm system power consumption circuit

由實驗數據可得出，該防盜器具有不錯的低功耗性，系統休眠的平均工作功率僅為0.035W，換句話說如果系統采用額定容量為2 000 mAh/3.7 V的鋰電池供電，那么系統的休眠工作時長可達上萬小時。該類防盜器可用于長期無外部電源供電的汽車防盜方案。

5 結 論

本防盜系統采用了GSM/GPRS遠程通信技術、GPS全球定位技術、μC/OS-II實時操作系統 具有低功耗、可遠程操作、實時掌握車輛位置的特點，其主要功能已在實驗板得到驗證。現在的電子產品研發的國際主流就朝著低功耗、高性能的方向發展，隨著國民車輛擁有量的快速增長，本系統具有廣泛的市場前景。

[1]沈建華.MSP430系列16位超低功耗單片機原理與應用[M].北京：清華大學出版社，2004.

[2]任哲.嵌入式實時操作系統μC/OS-II原理及應用[M].北京航空航天大學出版社，2009.

[3]朱剛.基于GSM/GPS汽車防盜系統的設計[D].武漢：武漢理工大學，2012.

[4]李彬，王朝陽，卜濤，等.基于MSP430F149的最小系統設計[J].國外電子測量技術，2009（12）:74-76.LI Bin，WANG Chao-yang，BO Tao，et al.The mini-system design based on MSP430F149[J].Foreign Electronic Measurement Technology，2009（12）:74-76.

[5]孫采鷹，張國棟.基于AT89S52單片機的車輛防盜系統的設計與應用[J].中國科技信息，2007（3）:82-83.SUN Cai-ying，ZHANG Guo-dong.The designing and application of system of guarding against theft for vehicle based on AT89S52 singl chip computer[J].China Science and Technology Information，2007（3）:82-83.

[6]高飛，孫緒保，劉凱凱，等.基于GSM的遠程車載防盜報警系統設計[J].微型機與應用，2011（19）:78-80.GAO Fei，Sun XU-bao，LIU Kai-kai，et al.The design of remote car anti-theft alarm system based on GSM[J].Microcomputer&Its Applications，2011（19）:78-80.