摘 要： 針對(duì)目前車輛防盜設(shè)備存在的問(wèn)題，提出了一種成本低、功能強(qiáng)的車載防盜追蹤裝置設(shè)計(jì)方案。在完成系統(tǒng)整體方案和以STM32F103為核心的低成本車載裝置硬件框架設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，分別設(shè)計(jì)了該裝置的圖像獲取和GPS定位的軟件。最后，粗略估算了該裝置各元件的成本，從而顯現(xiàn)出該設(shè)備的低成本。實(shí)驗(yàn)證明, 本裝置穩(wěn)定可靠、靈活性好、互動(dòng)性強(qiáng)、體積小、成本低、通信效率高，對(duì)車載防盜系統(tǒng)的進(jìn)一步應(yīng)用有一定參考價(jià)值和市場(chǎng)應(yīng)用前景。

　　關(guān)鍵詞： 車載防盜追蹤裝置；攝像頭；全球定位系統(tǒng)；通用分組無(wú)線業(yè)務(wù)；低成本

　　隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、人民生活水平的提高，汽車已進(jìn)入百姓家庭，但隨之而來(lái)的盜竊案也在逐漸增加?，F(xiàn)有的汽車防盜產(chǎn)品雖然具備了高科技、GPS定位等新功能，但是大多數(shù)并沒(méi)有達(dá)到實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地監(jiān)控效果。例如聲光報(bào)警，一旦人車超過(guò)一定距離，難以起到報(bào)警作用。而移動(dòng)通信技術(shù)的迅猛發(fā)展以及智能終端的廣泛普及，利用智能終端和無(wú)線通信技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)車輛防盜有著廣泛的理論和實(shí)踐前景[1-3]。

　　本文設(shè)計(jì)的互動(dòng)式低成本車載防盜追蹤裝置充分利用了嵌入式技術(shù)、智能終端應(yīng)用軟件和GPRS無(wú)線通信技術(shù)，其區(qū)別于一般報(bào)警系統(tǒng)，最大優(yōu)點(diǎn)是能實(shí)現(xiàn)雙向通信和不受地理范圍的限制[4-5]，車主可以遠(yuǎn)程遙控車載防盜裝置以及通過(guò)車內(nèi)攝像頭及時(shí)了解車內(nèi)信息。此外，車主還可以通過(guò)車輛追蹤軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車定位、規(guī)劃當(dāng)前最佳追捕路徑等功能，這是傳統(tǒng)汽車防盜系統(tǒng)所不具備的新功能。

1 車載防盜追蹤系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

　　整個(gè)系統(tǒng)由車載防盜追蹤裝置、 GPRS無(wú)線網(wǎng)絡(luò)和手機(jī)終端3部分組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

　　車載防盜追蹤裝置是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵，它由微控制器、攝像頭、GPRS模塊、GPS模塊以及一些外圍電路構(gòu)成，本車載裝置可以實(shí)現(xiàn)車內(nèi)圖像的實(shí)時(shí)采集，定位數(shù)據(jù)的接收、處理和發(fā)送，以及人車互動(dòng)式操作。

　　該防盜追蹤系統(tǒng)的工作過(guò)程如下。當(dāng)異常情況發(fā)生時(shí)，車載防盜追蹤裝置向車主手機(jī)終端發(fā)送報(bào)警信息，車主根據(jù)手機(jī)終端軟件實(shí)現(xiàn)與車載防盜追蹤裝置的實(shí)時(shí)互動(dòng)。若車主需要獲取當(dāng)前汽車內(nèi)部的實(shí)時(shí)圖像信息，車載防盜追蹤裝置接收到車主請(qǐng)求命令后，調(diào)用攝像頭進(jìn)行圖像數(shù)據(jù)的采集，然后通過(guò)GPRS無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)[6]傳遞給車主當(dāng)前汽車內(nèi)部實(shí)時(shí)圖像信息。若汽車被盜，車主可以讓車載防盜追蹤裝置獲取當(dāng)前GPS位置信息，車載裝置調(diào)用GPS采集模塊，并將采集的GPS位置信息傳遞至車主手機(jī)終端，以此來(lái)完成對(duì)被盜汽車的追蹤定位。

2 低成本車載防盜追蹤裝置硬件設(shè)計(jì)

　　該低成本車載防盜追蹤裝置以STM32F103微控制器為核心，在微控制器上連接傳感器模塊、電源模塊、GPS模塊、GPRS通信模塊、用戶面板、圖像采集模塊及聲光報(bào)警器。裝置的硬件設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。

　　車載防盜追蹤裝置不同的功能依托對(duì)應(yīng)的功能模塊來(lái)完成，微控制器是整個(gè)嵌入式防盜裝置的核心，負(fù)責(zé)信息交換處理等工作；傳感器模塊用于檢測(cè)汽車的異常信號(hào)；電源模塊用于給嵌入式防盜裝置提供所需要的電源；GPS模塊用于收集汽車的GPS數(shù)據(jù)；用戶面板用于設(shè)置嵌入式車載防盜裝置的工作參數(shù)及相應(yīng)的信息顯示；圖像采集模塊負(fù)責(zé)采集汽車內(nèi)部圖像；聲光報(bào)警器用于在檢測(cè)到異常信號(hào)時(shí)發(fā)出聲光報(bào)警；GPRS通信模塊用于實(shí)現(xiàn)嵌入式防盜裝置和手持終端的通信。圖3為主要功能模塊的硬件設(shè)計(jì)電路圖。

　　2.1 STM32F103模塊

　　STM32F103系列微處理器是首款基于ARMv7-M體系結(jié)構(gòu)的32 bit標(biāo)準(zhǔn)RISC(精簡(jiǎn)指令集)處理器，能提供很高的代碼效率，能夠在8 bit和16 bit系統(tǒng)的存儲(chǔ)空間上發(fā)揮ARM內(nèi)核的高性能。該微處理器工作頻率為72 MHz，內(nèi)置高達(dá)20 KB的SRAM和128 KB的Flash存儲(chǔ)器，芯片集成有CAN，多個(gè)定時(shí)器，ADC、SPI、I2C、USB和UART等多種功能，以及豐富的通用I/O端口。豐富的片上資源使得STM32F103系列微處理器在手持終端、報(bào)警系統(tǒng)以及視頻對(duì)講等領(lǐng)域有著強(qiáng)大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

　　2.2 GPS模塊

　　在進(jìn)行衛(wèi)星GPS定位計(jì)算時(shí)，以所觀測(cè)到的4顆衛(wèi)星的瞬時(shí)位置作為已知數(shù)據(jù)，通過(guò)一定的方法測(cè)定這4顆以上衛(wèi)星在此瞬間位置以及它們分別至該觀測(cè)點(diǎn)接收機(jī)的距離，利用距離交會(huì)法解算出觀測(cè)點(diǎn)P的位置及接收機(jī)鐘差δt。

　　設(shè)計(jì)中GPS模塊由GPS Antenna G-503和REB_1315組成，用于收集汽車GPS數(shù)據(jù)。

　　2.3 GPRS模塊

　　GPRS網(wǎng)絡(luò)是基于GSM網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，它采用與GSM相同的頻段、頻寬、突發(fā)結(jié)構(gòu)、調(diào)制標(biāo)準(zhǔn)、跳頻規(guī)則以及TDMA幀結(jié)構(gòu)。在GSM的基礎(chǔ)上引入了分組控制單元(PCU)、服務(wù)支持節(jié)點(diǎn)(SGSN)和網(wǎng)關(guān)支持節(jié)點(diǎn)(GGSN)等新部件而構(gòu)成的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)[6]，其用戶能夠在端到端分組方式下發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。

　　本裝置采用GPRS模塊為M10，通過(guò)串口1將有關(guān)的AT指令發(fā)送到無(wú)線網(wǎng)絡(luò)模塊中，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)模塊收到指令作出響應(yīng)并向串口1返回結(jié)果碼。本裝置中使用的主要AT指令如下。

　　AT_CIPMUX[]="AT+CIPMUX=0" //使用單路連接

　　AT_CIPMODE[]="AT+CIPMODE=0" //TCPIP以非透明方式傳輸入

　　AT_QISEND[]="AT+QISEND" //GPRS文本發(fā)送

　　AT_QIOPEN[]="AT+QIOPEN=" //開始連接

　　AT_CIPSTATUS[]="AT+CIPSTATUS" //GPRS狀態(tài)查詢

　　AT_QFUPL[]= "AT+QFUPL="pic.jpg",2644 //上傳圖片

　　AT_QFDEL[]="AT+QFDEL=" pic.jpg" //刪除圖片

　　AT_QMMSCS[]="AT+QMMSCS=" //+QMMSCS: ("ASCII","UTF8","UCS2","GBK"),(0,1)

　　AT_QICSGP[]="AT+QICSGP=1," //彩信接入方式

　　AT_QMMSEND[]="AT+QMMSEND=1" //發(fā)送彩信

　　2.4 攝像頭模塊

　　景物通過(guò)鏡頭將生成的光學(xué)圖像投射到圖像傳感器表面上，然后轉(zhuǎn)為電信號(hào)，經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換后變?yōu)閿?shù)字圖像信號(hào)，再送到數(shù)字信號(hào)處理芯片中加工處理，最后通過(guò)接口等方式傳輸?shù)诫娔X中處理，通過(guò)顯示器就可以看到圖像。本裝置攝像頭采用日常生活常見(jiàn)的USB攝像頭。

3 裝置軟件設(shè)計(jì)及系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

　　3.1 裝置運(yùn)行的軟件實(shí)現(xiàn)

　　裝置控制軟件采用微控制器嵌入式C進(jìn)行編寫，軟件的重點(diǎn)在于傳感器(震動(dòng)、紅外)檢測(cè)部分和GPRS無(wú)線通信部分的編寫。當(dāng)傳感器檢測(cè)到的信號(hào)強(qiáng)度和次數(shù)達(dá)到報(bào)警次數(shù)時(shí)，首先啟動(dòng)聲光報(bào)警嚇阻盜竊發(fā)生，同時(shí)通過(guò)GPRS通信模塊發(fā)送報(bào)警信息到車主的手機(jī)終端，車主可以通過(guò)手機(jī)終端的車輛追蹤軟件與車載防盜追蹤裝置互動(dòng)式操作。例如，車主可以通過(guò)手機(jī)終端的追蹤軟件向車載裝置發(fā)送獲取汽車內(nèi)部圖像或GPS位置等指令，當(dāng)汽車接收到車主請(qǐng)求指令后啟動(dòng)相應(yīng)的功能模塊，然后通過(guò)3G網(wǎng)絡(luò)向車主回復(fù)其需要的相關(guān)信息，以方便車主做下一步的決策。裝置運(yùn)行的主要軟件流程如圖4所示。

　　該部分的實(shí)現(xiàn)主要由以下函數(shù)構(gòu)成。

　　uchar Send_AT_Command(char *str_at ) //發(fā)送AT命令

　　void Initialize_Model(char* ptr1_at) //初始化SIM卡PIN

　　uchar READ_TEL(char* ptr1_at,uchar id) //讀SIM卡里面的電話號(hào)碼

　　uchar CPMS_SM(char* ptr1_at ) //閱讀接收短信內(nèi)容

　　uchar read_sms(char* ptr1_at,char* ptr1_code,char* ptr_tel)

　　//分析短信內(nèi)容并處理

　　uchar pdu_set(char* ptr1_at,char* ptr1_code1,char* ptr_tel)

　　GPRS //GPRS模塊發(fā)送中文短信

　　uchar PHONE_RD(char *ptr1_at,char *str,uchar id )

　　//分析來(lái)信息的電話號(hào)碼

　　uchar jpg_read (char* ptr1_at,char* ptr1_code)

　　//攝像頭拍照及上傳照片

　　uchar mms_send(char* ptr1_at,char* ptr1_code,char* ptr_tel)

　　//彩信發(fā)送處理

　　uchar Read_Call_ID(char* ptr1_at,char* ptr1_tel)

　　//讀出來(lái)電顯示的號(hào)碼

　　void GPS_READ(char* ptr1_code ) //讀取GPS數(shù)據(jù)

　　3.2 GPS定位與圖像獲取的軟件實(shí)現(xiàn)

　　在該系統(tǒng)中，車主可以向車載防盜追蹤裝置發(fā)送獲取GPS位置以及獲取車內(nèi)實(shí)時(shí)圖像等功能操作。

　　車載防盜追蹤裝置接收到短信后，首先分析是否為車主號(hào)碼，如果是，判斷車主短信指令內(nèi)容，然后啟動(dòng)GPS模塊定位。

　　本裝置中GPS通信接口協(xié)議采用美國(guó)NMEA 0183 ASCII碼協(xié)議，GPS數(shù)據(jù)由幀頭、幀尾和幀內(nèi)數(shù)據(jù)構(gòu)成。當(dāng)幀頭數(shù)據(jù)不相同時(shí)，幀內(nèi)數(shù)據(jù)也將不相同。分析數(shù)據(jù)幀的內(nèi)容，可以得到GPS數(shù)據(jù)的經(jīng)緯度信息和時(shí)間信息[6-7]。其中GPS數(shù)據(jù)幀的格式如下所示：

　　$GPGGA、<1>、<2>、<3>、<4>、<5>、<6>、<7>、<8>、<9>、M,<10>、<11>、<12>*hh<CR><LF>。

　　在解析GPS數(shù)據(jù)時(shí)，需要判別ASCII碼的幀頭是否是“GPGGA”，若檢驗(yàn)無(wú)誤，則確定本幀數(shù)據(jù)是可用數(shù)據(jù)，然后回復(fù)GPS經(jīng)緯度信息和時(shí)間信息至車主的手機(jī)終端[8]。獲取GPS位置信息軟件流程如圖5(a)所示。

　　該部分的實(shí)現(xiàn)主要包括：

　　void GPS_READ(char* ptr1_code ) //GPS數(shù)據(jù)的獲取

　　void GPS_Safe(char *ptr1_at, char* ptr1_code, char *ptr_tel)

　　//GPS位置變動(dòng)監(jiān)測(cè)

　　攝像頭主要功能是作為車內(nèi)實(shí)時(shí)圖像的獲取，通過(guò)GPRS無(wú)線網(wǎng)絡(luò)向車主發(fā)送車內(nèi)實(shí)時(shí)圖片，輔助車主對(duì)當(dāng)前車內(nèi)財(cái)物損失作出下一步判斷決定。圖5(b)為車載防盜追蹤裝置執(zhí)行獲取車內(nèi)實(shí)時(shí)彩色信息的軟件流程圖。

　　該部分的實(shí)現(xiàn)主要由3個(gè)函數(shù)構(gòu)成。

　　unsigned char Com_command(char *Cmd1,unsigned char type)

　　//負(fù)責(zé)指令功能

　　unsigned int jpg_ok(char *pc_buff_tmp) //負(fù)責(zé)拍照功能

　　unsigned int EE_02_OK(char *com1_int ,uint ID) //負(fù)責(zé)圖片分包讀取功能

　　3.3 系統(tǒng)測(cè)試

　　系統(tǒng)平臺(tái)搭建完成后，向車載防盜追蹤裝置導(dǎo)入代碼，測(cè)試手機(jī)終端是HTC G1智能手機(jī)。車輛追蹤軟件安裝完成后，首先對(duì)該軟件進(jìn)行設(shè)置，“車的號(hào)碼”需要輸入車載防盜追蹤裝置SIM卡的電話號(hào)碼，為了防止用戶的誤操作或其他人員的破壞，號(hào)碼設(shè)置前需要輸入正確的密碼。軟件界面及設(shè)置如圖6所示。

　　點(diǎn)擊“獲取信息”按鍵會(huì)進(jìn)入圖6(a)所示軟件界面，當(dāng)點(diǎn)擊“車的位置”時(shí)，手機(jī)終端會(huì)向汽車上的防盜追蹤裝置發(fā)送獲取GPS信息命令，然后汽車回復(fù)其所在的GPS地址給用戶的手機(jī)終端，例如回復(fù)給手持終端的GPS信息為21.6778,106.898，并自動(dòng)將其顯示在百度地圖中。規(guī)劃路線就是根據(jù)用戶所在位置與汽車所在位置規(guī)劃的一條最優(yōu)路線，以方便用戶最快速度找到丟失的車輛。此外，點(diǎn)擊獲取車內(nèi)信息，車載裝置會(huì)啟動(dòng)圖像采集模塊采集圖像，并以彩信的形式將車內(nèi)的圖像信息通過(guò)GPRS無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳遞給用戶，以方便用戶判斷汽車受損情況及下一步操作。若車無(wú)任何異狀，則用戶的手機(jī)客戶端不會(huì)收到任何消息，避免了該系統(tǒng)對(duì)用戶的打擾，如圖7所示，其中圖7(a)為車載防盜追蹤系統(tǒng)采集GPS數(shù)據(jù)返回至手機(jī)終端結(jié)合百度地圖生成的車輛移動(dòng)路徑圖，圖7(b)為車載防盜追蹤裝置通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)傳遞至手機(jī)終端的報(bào)警短信及彩信狀態(tài)圖。

4 裝置成本分析

　　結(jié)合阿里巴巴各電子元器件報(bào)價(jià)，表1為本車載防盜追蹤裝置主要元器件的價(jià)格。

　　從表1可以看出，該裝置的主要成本為：主控芯片STM32F103C8T6、GPRS通信模塊M10、GPS定位模塊REB_1315、攝像頭和PCB電路板。再加上其他外圍電路需要的電阻電容、三極管、存儲(chǔ)芯片等小器件，以及考慮人工成本等因素，該裝置量產(chǎn)成本估計(jì)在157.3元，與現(xiàn)有的車載防盜系統(tǒng)相比，該裝置在功能大幅度提升的同時(shí)，價(jià)格十分低廉，必將有著非常好的商業(yè)應(yīng)用前景。如果將GPRS模塊升級(jí)為WCDMA 3G通信模塊，成本僅需增加100元左右，量產(chǎn)成本仍然十分低廉。

　　本文通過(guò)利用攝像頭、GPS定位、GPRS無(wú)線通信，并結(jié)合傳統(tǒng)的車載報(bào)警，設(shè)計(jì)了一種互動(dòng)式低成本車載防盜追蹤裝置，給出了該裝置的硬件結(jié)構(gòu)及主要功能模塊，分析了系統(tǒng)工作流程及主要模塊的軟件實(shí)現(xiàn)。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，本系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)車輛的實(shí)時(shí)防盜功能以及對(duì)失竊車輛的跟蹤功能。經(jīng)過(guò)多次測(cè)試，該裝置穩(wěn)定可靠，實(shí)時(shí)性高，人車互動(dòng)性強(qiáng)，是一種方便實(shí)用、成本極低的車輛安全解決方案。

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