基于CAN-GPRS技術(shù)的汽車遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)

溫陽東 楊 玲 馮英峰

(合肥工業(yè)大學(xué)電氣與自動化工程學(xué)院，合肥 230009)

目前國內(nèi)市場上的汽車遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)大都存在著一定的局限性，主要表現(xiàn)在汽車受非法侵害時，車主不能在第一時間獲取被盜信息并采取有效措施[1]，如汽車定位信息、盜竊者的圖像信息及門禁與點(diǎn)火控制等。因此，開發(fā)更為有效的汽車防盜系統(tǒng)是當(dāng)今研究的熱點(diǎn)課題之一。

CAN(Controller Area Network)控制器局域網(wǎng)絡(luò)具有成本低、總線利用率高、傳輸距離遠(yuǎn)、速率高及錯誤處理可靠等特點(diǎn)，使其越來越廣泛地應(yīng)用于汽車故障診斷和車身電子控制單元上。GPRS(General Packet Radio Service)通用分組無線服務(wù)技術(shù)則以通信價格低廉、覆蓋范圍廣、數(shù)據(jù)傳輸可靠和移動服務(wù)靈活的特點(diǎn)為遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)的發(fā)展提供了一種新的思路。

筆者在現(xiàn)有的汽車遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合CAN、GPRS及GPS等技術(shù)，構(gòu)建基于CAN-GPRS的汽車遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，以期汽車受到非法侵害時，該系統(tǒng)能將防盜報警信息、汽車當(dāng)前位置信息和車內(nèi)圖片信息及時地以GPRS網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞礁嬷囍?，車主則可以通過無線設(shè)備對汽車實施必要的遠(yuǎn)程控制，防止汽車被進(jìn)一步非法移動。

汽車遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)主要由車內(nèi)主控單元和可隨身攜帶的車主終端兩部分組成，其中車內(nèi)主控單元包括中央模塊、傳感器模塊、報警器模塊、圖片處理模塊、GPS模塊、無線鑰匙接收器模塊、中央門控鎖節(jié)點(diǎn)、發(fā)動機(jī)控制節(jié)點(diǎn)和GSM/GPRS單元[2]；車主終端則包括無線鑰匙模塊和手機(jī)終端。

1.1 主控單元防盜監(jiān)控系統(tǒng)

車主離開時，汽車自動啟動防盜模式。當(dāng)振動傳感器和人體熱釋紅外傳感器采集到入侵信息后，傳感器將采集到的信號信息送入中央模塊，由中央處理器判斷是否為入侵，如果確認(rèn)汽車處于被盜狀態(tài)就立即啟動聲光報警裝置，通過CAN總線啟動GPRS連接，并向車主發(fā)送“汽車被入侵”的短信。同時，啟動GPS接收模塊[3]和圖片處理模塊，循環(huán)采集車身定位信息和車內(nèi)圖片信息，GSM/GPRS單元通過GPRS彩信方式將采集到的節(jié)點(diǎn)入侵信息和車內(nèi)圖片信息發(fā)送給車主。主控單元防盜工作流程如圖1所示。

1.2 車主終端遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)

車主收到入侵短信、車身定位和車內(nèi)圖片信息后，按下無線鑰匙上相應(yīng)的功能按鈕，將車門的開鎖或關(guān)鎖密文數(shù)據(jù)通過433MHz無線收發(fā)器發(fā)送至主控單元[4]。主控單元接收密文數(shù)據(jù)、解密并進(jìn)行功能識別后，中央模塊通過CAN網(wǎng)絡(luò)將關(guān)鎖數(shù)據(jù)發(fā)送到各車門控制節(jié)點(diǎn)，各車門控制節(jié)點(diǎn)接收數(shù)據(jù)并由節(jié)點(diǎn)微控制器向車門鎖的執(zhí)行單元傳輸控制指令，控制車門自動鎖閉[5]。同時，中央模塊監(jiān)控發(fā)動機(jī)的控制節(jié)點(diǎn)狀態(tài)，如果發(fā)動機(jī)沒有工作，則直接斷開發(fā)電機(jī)控制節(jié)點(diǎn)；否則切斷電子點(diǎn)火電路并阻斷噴油，強(qiáng)制發(fā)電機(jī)熄火、切斷發(fā)電機(jī)控制節(jié)點(diǎn)。車主終端遠(yuǎn)程監(jiān)控工作流程如圖2所示。

圖1 主控單元防盜工作流程

圖2 車主終端遠(yuǎn)程監(jiān)控工作流程

2 硬件設(shè)計

2.1 主控單元

主控單元的硬件組成如圖3所示，系統(tǒng)選用LPC2100 RAM微處理器，它是一個基于支持實時仿真和嵌入式跟蹤的16/32位RAM7TDMI-S CPU，功耗極低、非常小的64腳封裝、4路10位ADC、多個串行接口，而且片內(nèi)集成有大量外設(shè)。其片上資源及其相關(guān)接口足以滿足主控單元的功能需求，且LPC2129內(nèi)部集成了兩個CAN控制器，CAN總線只需外接Philips的高速CAN收發(fā)器TJA1050即可實現(xiàn)主控芯片與GPRS模塊、車門控制節(jié)點(diǎn)及發(fā)動機(jī)控制節(jié)點(diǎn)等電子裝置之間的通信[6]。

GPRS GR47模塊主要實現(xiàn)SMS/MMS的收發(fā)，及時準(zhǔn)確地將警報信息和車輛狀況信息發(fā)送給車主，以便進(jìn)一步采取有效措施確保車輛安全。GR47模塊內(nèi)置了TCP/IP協(xié)議棧，可用AT命令對其進(jìn)行設(shè)置，使用方便。此外LPC2109微控制器內(nèi)部集成有一路CAN控制器，GPRS模塊通過USART接口與其連接。

圖片處理模塊的主要功能是采集汽車內(nèi)的圖片信息，并對圖片信息進(jìn)行壓縮處理，這種設(shè)計的目的是為了減小防盜系統(tǒng)的誤報率，能有效防止因外界環(huán)境影響而對設(shè)備產(chǎn)生的干擾[7]。其中CMOS圖片傳感器采用OV7640，具有體積小、重量輕、功耗低及易于編程等優(yōu)點(diǎn)，且其自帶的2mm鏡頭能夠被隱秘地安置于駕駛座前方便于拍攝的位置，而不易被察覺。圖片信息壓縮處理采用MV3018，可以與OV7640圖像傳感器進(jìn)行無縫連接，完成JPEG壓縮和解壓縮。

GPS定位在汽車安全防盜和遠(yuǎn)程監(jiān)控方面具有重要地位。該系統(tǒng)將其與無線通信技術(shù)結(jié)合，實現(xiàn)故障車道路救援及失車找回等各種功能。主控單元的Jupiter021 GPS裝置是單向的GPS接收機(jī)，能夠接收來自導(dǎo)航衛(wèi)星的車身定位信號。

無線收發(fā)器選用nRF905，其工作頻率433MHz，輸出功率和通信頻道可通過程序進(jìn)行配置并通過SPI1接口和相關(guān)的GPIO接口與LPC2129相連。

圖3 主控單元硬件框圖

2.2 無線鑰匙模塊

無線鑰匙模塊的硬件結(jié)構(gòu)(圖4)比較簡單，主要由編碼器和高頻發(fā)射電路組成。其中編碼器選用的是專用編碼芯片HCS301，它將用戶控制信息進(jìn)行滾動碼加密處理，再經(jīng)由高頻發(fā)射電路發(fā)送，主控單元的nRF905接收并交由主控芯片解碼和判別。由于該項加密技術(shù)由專用的軟件/硬件解碼器解碼，考慮到成本與結(jié)構(gòu)，選用在主控芯片LPC2129內(nèi)置的Keeloq解碼軟件實現(xiàn)。

圖4 無線鑰匙模塊硬件框圖

3 軟件設(shè)計

3.1 GPS系統(tǒng)軟件

在中央處理器確認(rèn)汽車處于被盜狀態(tài)后，啟動GPS模塊來確定汽車的當(dāng)前位置，并將這些位置信息發(fā)送至車主的手機(jī)終端(圖5)，GPS系統(tǒng)的工作流程：接收機(jī)啟動后，自動接收衛(wèi)星信號；GPS收到衛(wèi)星信號時，對汽車進(jìn)行定位并將相關(guān)信息發(fā)送到附近的基站；基站通過通信網(wǎng)絡(luò)將定位信息以SMS的方式發(fā)送給車主。在此發(fā)送之前，先進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)狀況的判斷[8]。如果沒有網(wǎng)絡(luò)信號，信息可以暫存至移動臺，之后每隔一定時間重新發(fā)送，直到網(wǎng)絡(luò)正常，車主收到車身定位信息為止。

圖5 GPS系統(tǒng)工作流程

3.2 GPRS單元程序設(shè)計

GPRS單元接收中央模塊的遠(yuǎn)程監(jiān)控指令；開啟GPRS短信息功能，向車主發(fā)送防盜報警信號和車身定位信息；開啟GPRS彩信功能，向車主發(fā)送車內(nèi)圖片信息。實現(xiàn)車主對汽車是否被盜的準(zhǔn)確判斷，以及對汽車位置的實時跟蹤，有利于進(jìn)一步控制汽車。該部分的軟件流程如圖6所示。

圖6 GPRS單元程序流程

3.3 SMS與MMS的發(fā)送

SMS的發(fā)送主要由GR47初始化和短信息的發(fā)送兩部分組成，兩者的程序流程如圖7所示。系統(tǒng)將圖片信息封裝成MMS數(shù)據(jù)包，GR47建立撥號連接，通過WAP協(xié)議棧將彩信發(fā)送到WAP網(wǎng)關(guān)；然后移動中心進(jìn)行尋址、存儲并轉(zhuǎn)發(fā)給車主。MMS的實現(xiàn)與發(fā)送主要由GR47模塊初始化MMS的實現(xiàn)與發(fā)送組成。

圖7 SMS與MMS的發(fā)送子程序流程

4 結(jié)束語

筆者以ARM7TDMI-S CPU為核心，結(jié)合CAN總線技術(shù)、GPRS通信技術(shù)和GPS全球定位系統(tǒng)設(shè)計了汽車防盜遠(yuǎn)程監(jiān)控裝置，并通過實驗驗證了系統(tǒng)的可行性和可靠性，可實現(xiàn)車主離開車輛后的安全狀態(tài)監(jiān)測、非安全狀態(tài)下的人車對話和車輛失竊后的跟蹤定位，較好地彌補(bǔ)了現(xiàn)有多數(shù)防盜系統(tǒng)不能在第一時間警示車主汽車被盜并采取進(jìn)一步有效措施的局限性。此外，通過對系統(tǒng)添加GPRS監(jiān)控終端，設(shè)置監(jiān)控室，即可實現(xiàn)批量汽車的集中管理，同樣接收并存儲GPS車身定位信息。在車主手機(jī)沒電或者無線鑰匙故障的情況下，實現(xiàn)第三方報警與監(jiān)控，具有較好的實際應(yīng)用開發(fā)前景。

[1] 張會娟,朱瑞祥,吳峰.汽車防盜裝置的現(xiàn)狀及展望[J].公路與汽運(yùn),2005,(6):13～15.

[2] 薄志霞.汽車電工電子技術(shù)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2008:112～153.

[3] 李天文.GPS原理及應(yīng)用[M].北京:科學(xué)出版社,2010:215～233.

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[5] 張建軍,穆遠(yuǎn)祥,韓江紅.一種16位碼紅外遙控器的解碼方法[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2008,15(2):56～59.

[6] 黃友,張向文,許友.基于CAN和GPRS技術(shù)的汽車防盜系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J].計算機(jī)測量與控制,2013,21(8):2168～2170.

[7] 陳渝光,周桐,呂紅梅.基于GPRS/GPS的汽車防盜系統(tǒng)[J].測控技術(shù),2011,30(3):33～36.

[8] 胡瑤.基于CAN、GPRS技術(shù)的電動汽車遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)研究[D].武漢:武漢理工大學(xué),2012.