基于RFID和GSM的汽车防盗报警系统设计

王素青，许根源

（南京航空航天大学 金城学院，南京 211156）

随着电子信息技术、传感器技术、无线通信技术和全球卫星定位技术的飞速发展，汽车防盗系统正在向多功能化、网络化、可视化和便捷化方向发展。目前汽车防盗装置按其结构与功能可分为4大类[1-2]：机械式、电子式、芯片式和网络式。电子防盗是目前应用最多的防盗方式，而芯片式的数码防盗和网络式防盗则是汽车防盗技术的发展方向。射频识别RFID技术又称电子标签，它是一种非接触式的自动识别技术，具有无源、免接触、安全性好、使用方便等特点。本文应用RFID技术和成熟的远程控制GSM及GPS技术，设计出一个汽车防盗报警系统，该系统突破了距离的限制，覆盖范围广，可用于实时高精度监测车辆位置以及被盗车辆的定位追踪，提高失窃车辆被找回的速度。

1 系统功能与总体方案

1.1 系统功能

按照网络式智能化汽车防盗系统的功能要求和汽车防盗报警系统特点，总体功能要求如下：

（1）应用RFID技术作为第一重防盗，系统通过RFID模块对车主进行识别。如果识别正确，车门将会打开，否则，车门将不会打开；

（2）系统可以识别车主的信息，以辨别控制信息是否为真正的车主发送。车主可以修改辨别控制信息，以便更换手机号码后进行修改；

（3）当非法分子通过暴力手段盗走车辆后，车主可通过发送短信代码对车辆进行切断主电路，使车辆无法继续正常行驶和控制车辆发回车辆当前的地理位置信息，以便车主和公安机关迅速找到失窃车辆的控制。

1.2 系统总体方案

根据系统的功能要求，所设计的汽车防盗报警系统的总体结构框图如图1所示。

图1 系统的总体结构框图Fig.1 Overall block diagram of the system

系统主要由外部信息检测单元、MCU主控和执行单元组成。外部信息检测单元由车辆震动传感器、RFID用户信息读取单元、GPS车辆位置信息读取单元组成。MCU主控和执行单元主要由单片机、GSM短信无线收发模块，汽车控制电路组成。汽车控制电路主要由继电器组成，用来控制汽车的主电源电路和汽车的点火系统的通断。

外部信息检测单元获得车辆信息通过UART接口与主控单元进行数据交流，主控中心对获得的车辆信息解析为用户可识别的信息，再根据GSM模块获得的控制指令将做出相应的控制动作。

根据系统功能要求，设计了用户刷卡进入、修改控制密码、修改用户控制号码、关闭和开启汽车主电路、自动返回车辆位置信息（经度、纬度、海拔、运动速度等）和控制系统报警等软件功能。

2 系统的硬件设计

2.1 电源模块

稳定可靠的电源是整个系统可靠稳定运行的前提条件。本系统中主要模块：MCU模块、GSM模块、GPS模块、RFID模块、LCD模块，它们的供电电源均为5 V。而汽车采用12 V电压的蓄电池作为供电电源，因此，本系统需要设计一个将汽车蓄电池12 V电压降为5 V电压的电源模块。

系统电源模块采用LM7805三端稳压器芯片，其有一系列固定的电压输出。由它组成的稳压电源所需的外围元器件极少，内部还有过流、过热保护电路，如能提供足够的散热片，就能提供大于1.5 A的输出电流。5 V电源模块电路如图2所示。

图2 5 V电源模块的电路图Fig.2 Circuit diagram of 5 V power supply module

2.2 主控模块

系统主控模块包括单片机、复位电路、外部晶振电路，其中单片机采用STC12C5A60S2新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051，但速度快8～12倍。有32个外部双向I/O口，1280字节RAM，有E2PROM功能，内部集成MAX810专用复位电路，4个16位定时器，7路外部中断I/O口，通用全双工异步串行口（UART），双串口，具有 ISP/IAP编译器，可通过串口直接下载用户程序，无需专用的下载器。

2.3 RFID模块

系统中RFID模块选用的是MIFARE522模块，该模块的硬件电路主要包涵主控芯片和MF RC522芯片，MF RC522是与射频IC卡实现无线通信的核心部件，也是读写器读写Mifare卡的关键接口芯片，是目前用于13.56 MHz频段的非接触式通信的主流读卡IC，使用27.12 MHz的外部晶振，经过内部二分频得到13.56 MHz频段[3]。MF RC522是NXP公司针对“三表”应用推出的一款低电压、低成本、体积小的非接触式读写卡芯片，是智能仪表的较好选择。该芯片采用先进的调制和解调技术，集成了13.56 MHz频段所有类型的被动非接触式通信方式和协议，并支持ISO14443A所有的层，传输速度最高可达424 kb/s，内部的发送器部分不需增加有源电路就能直接驱动近距离天线，接收器部分提供了一个解调与解码电路，用于处理ISO14443A兼容的应答器信号。数字处理部分提供奇偶和CRC检测功能。MF RC522具有3种接口方式可方便地与任何MCU通讯：SPI模式、UART模式、I2C模式。本系统中，MF RC522模块与MCU之间采用的是UART模式进行通讯的，采用如图3所示的典型应用电路。

图3 MF RC522在系统中的应用电路Fig.3 MF RC522 application circuit in the system

在电感耦合式射频识别系统中，天线设计直接决定产品性能。本系统采用直接匹配的天线设计方式，分为发射电路、接收电路和天线及匹配电路，如图3所示。由R2、C3和R1、C10组成的接收电路与由L1、L2、C4、C5组成的发射滤波电路中的元件参数一般采用推荐值，而天线匹配电路中的C6、C7、C8和C9的值由设计的天线来决定，为获得良好性能，相关参数取值的选取还需经过天线的调谐过程[4]。

MIFARE522 RFID模块可以自动读取IC卡的ID号（即通电后，有IC卡靠近，就可自动读取16进制的IC卡号，通过串口发出），及通过发送命令操作RFID模块读写卡（被动读写卡）功能。本RFID读写模块默认情况下是通过发送命令读写卡的，若要设置成自动读卡，需要将该模块的J1接口的中间2个引脚（SWIM和GND）短接，然后给模块通电，通电后只要有IC卡靠近，模块就会自动读卡，通过串口发出16进制的IC卡号。

2.4 GSM无线通信模块

系统中GSM模块选用的是Simcom公司的SIM900A模块，该模块是一款内置TCP/IP协议栈的GSM/GPRS模块，可以工作在EGSM 900 MHz和DCS 1800 MHz 2个频段，它可以自动地搜寻2个频段，也可以通过AT命令来设置频段。SIM900A支持GPRS multi-slot class 10/class 8（可选）和 GPRS 编码格式 CS-1，CS-2，CS-3，CS-4[5-6]。SIM900A模块功能结构框图如图4所示，主要由GSM基带、存储器、GSM射频、天线接口、电源接口、音频接口、SIM卡接口、UART接口、LCD接口和GPIO/键盘接口几部分组成。SIM900A提供2个非对称的异步串行接口，一个用于通讯，另一个用于软件调试。串口支持Modem设备，包含数据信号线TXD和RXD，状态信号线RTS和CTS，控制信号线 DTR、DCD、DSR 和 RI。 串口可用于CSD传真、GPRS服务、发送AT命令控制模块。同样也可以用于串口复用功能，SIM900A只支持基本的复用模式。SIM卡接口引脚为 SIM_VDD，SIM_DATA（SIM 卡数 据 I/O），SIM_CLK，SIM_RST，SIM_PRESENCE（SIM卡检测）。 此外，该模块提供一路模拟音频输入通道可以用于连接麦克风，提供一路音频输出通道可以用于连接喇叭。音频接口引脚分别为 MIC_P，MIC_N，SPK_P，SPK_N，LINEIN_R，LINEIN_L。 SIM900A 提供一个串行LCD显示接口，支持串行通讯的LCD显示设备。SIM900A的键盘接口包含了5列键盘输出和5行键盘的输入。本系统中，SIM900A模块和单片机之间的数据通讯是通过串口来实现的。

图4 SIM900A模块功能结构框图Fig.4 SIM900A module functional block diagram

2.5 GPS模块

系统中GPS模块选用ATK-NEO-6M GPS定位模块。该模块采用u-blox NEO-6M模组，体积小，性能优异；自带MAXIM公司高增益（20.5 dB）LAN芯片与高性能陶瓷天线结合，组成接收天线，搜星能力强，具有多达50个卫星通道接收功能；自带E2PROM，可通过串口进行各种参数设置，并可保存在E2PROM，使用方便；自带IPX接口，可连接各种有源天线，适应能力强；兼容3.3 V/5 V电平，方便连接各种单片机系统；自带可充电后备电池，可掉电保持星历数据。该模块通信协议有：一种是NEMA-0183标准的串口数据传输协议；另一种是UBX标注的二进制数据传输协议[7]。本系统中，GPS模块和单片机之间的数据通讯是通过串口来实现的。

3 系统的软件设计

系统的程序设计采用C语言设计，系统的软件编程采用模块化程序设计思想。系统的主程序作用主要是完成对各个模块子程序的调用，从而实现整个系统功能的运行。系统的模块子程序主要包括：初始化程序、RFID模块子程序、GSM模块子程序、GPS模块子程序和LCD显示子程序等。

3.1 初始化程序

系统的初始化程序主要包括串口初始化、LCD初始化、GPS初始化和GSM初始化4部分。串口初始化包括设置串口通信模式、通信波特率、打开串口中断、启动相应定时器等。串口初始化作用是将单片机的2个串口初始化为和GSM、GPS模块相同数据格式，即一帧的数据格式为1个起始位、8个数据位、无奇偶校验位、1个停止位，波特率固定为9600。GPS初始化是对各个GPS数据寄存器初始化，同时对串口接收到的GPS数据的完整性进行判断，确认可视卫星个数。GSM初始化包括开启GSM模块、发送AT联机指令、设置GSM终端模式、设置新消息提醒、设置短信息模式、清空收件箱等操作。

3.2 RFID模块子程序

RFID模块的作用是对用户卡内的信息进行读取，并将读取的信息通过串口发送给单片机，单片机对用户信息进行比对操作，若信息比对后确定用户的合法性后，会控制继电器打开相应的权限，比如打开车门或者开启报警等。RFID模块子程序包括：复位、认证权限和读取用户数据等。当有用户卡进入到射频天线的有效范围，读卡程序将开始一系列操作，将卡唯一的64位ID读出，与E2PROM中的已存的ID进行比对，以确定车主的身份是否合法[2]。

3.3 GSM模块子程序

短信的发送与接收由GSM模块完成，短信可分2种：一种是主控模块根据系统传感器采集的信息，向车主发送报警信息；另一种是车主向主控模块发送控制信息，当收到信息时，主控模块自动读取新信息内容并判别信息来源及所含控制指令，主控模块根据收到的指令完成相应的操作。GSM模块子程序包括GSM初始化、发送短消息、接收短消息3部分，发送接收消息均按照标准AT指令操作。

GSM模块子程序中发送短信的流程如图5所示。发送短信主要根据标准AT指令集控制GSM模块，在GSM初始化程序中已设置好GSM模块的工作方式，发送短信时只需通过单片机串口1发送相关的指令和数据即可，发送的数据为TEXT格式。

图5 GSM模块发送短信的流程图Fig.5 Flow chart of GSM module to send SMS

GSM模块子程序中接收短信的流程图如图6所示。接收短信程序也是在设置好GSM模块工作方式的前提下，初始化中已经设置了收到信息提醒，当收到新信息时GSM模块会自动传回“+GMTI”的数据，根据串口是否接收到此数据来判断是否收到新信息，当收到信息时再发送“AT+CMGR=1”，读取收到的新信息内容，将收到的新信息做分析比对，如果是用户号码发来的相关控制指令则根据控制指令完成相应的操作，最后删除该新信息，等待下一条信息到来。

图6 GSM模块接收短信的流程图Fig.6 Flow chart of GSM module to receive SMS

3.4 GPS模块子程序

GPS模块子程序流程如图7所示。GPS模块子程序主要功能是对GPS模块输出到单片机的数据流进行分析和读取，以方便单片机对这些数据加以利用。GPS数据接收通过单片机的串口2来完成，当串口2收到的数据符合NMEA0183格式的字符时，解析程序根据数据信息中的特殊字符来分辨数据的类型，分别提取出时间、经度、纬度、日期等信息，然后将解析好的数据存放在不同的数据变量中。

图7 GPS模块子程序的流程图Fig.7 Flow chart of GPS module subprogram

GPS模块输出的数据以数据流为基本形式，每一秒更新一次。本系统只对GPRMC数据包进行解析，它的数据包内容是：

$GPRMC，<1>，<2>，<3>，<4>，<5>，<6>，<7>，<8>，<9>，<10>，<11>

<1>：UTC 时间，格式为（时分秒）。时、分、秒均为2位。<2>：定位情况，V表示无效定位，A表示有效定位。<3>：纬度，格式为（度分），需要把它转换成度分秒的格式。<4>：南北半球S（南半球）或者N（北半球）。<5>：经度，格式为（度分），经度的算法和纬度的算法一样。<6>：东西半球W（西经）或E（东经）。<7>：地面速率，其单位是节，如果把它转化成km/h，将取得的速度乘上1.85。<8>：地面航向，是它偏离正北的角度。<9>：UTC日期，格式为（日月年）。<10>：磁偏角。<11>：校验和。以上数据中，UTC时间代表的是世界时间，如果要换算成北京时间，需要将该值加上8 h。

4 结语

汽车防盗报警系统综合应用了RFID技术、GSM技术和GPS技术，应用RFID技术作为第一重防盗，对车主身份进行识别；应用GSM和GPS技术作为第二重防盗，当车辆被盗时进行短信报警提示，通过GPS定位技术可准确、实时地了解车辆的状态和位置等信息，以便车主能实时地对失窃车辆进行远程监控。该系统具有可靠性高、报警范围广、监测定位精度高等优点，在实际试用中取得很好的防盗效果，具有广阔的应用前景。

[1]彭华，李灿平.射频识别技术和GSM网络在汽车防盗中的应用[J].中国集成电路，2012（5）：87-91.

[2]欧阳宏志，王新林，朱卫华，等.基于RFID技术的网络式汽车安防系统的设计[J].计算机测量与控制，2011，19（7）：1719-1721.

[3]徐绍娟，邱琳.基于RC522模块的水控机一卡通读写控制器设计[J].科技传播，2011（19）：128-129.

[4]邓伟，刘暾东，郑中杰.MF RC522射频模块在门禁系统中的应用[J].单片机与嵌入式系统应用，2012（12）：38-41.

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