汽車(chē)防盜GSM報(bào)警系統(tǒng)工作原理

1 引言

隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的蓬勃發(fā)展，人們的生活水平日益提高，汽車(chē)的應(yīng)用發(fā)展迅速，各類(lèi)汽車(chē)的擁有量不斷提高。汽車(chē)的普及應(yīng)用為人們的生活帶來(lái)了方便，但同時(shí)汽車(chē)的使用也給人們提出了一大難題——汽車(chē)防盜。汽車(chē)防盜成為了有車(chē)主們生活中的熱門(mén)話題，也是汽車(chē)制造商關(guān)心的熱點(diǎn)，目前各種汽車(chē)防盜方法和產(chǎn)品層出不窮。但是，汽車(chē)防盜問(wèn)題依舊沒(méi)有完全解決，可謂道高一尺、魔高一丈。汽車(chē)失竊案件還是時(shí)有發(fā)生，為人們的生活和財(cái)產(chǎn)帶來(lái)很大的損失?，F(xiàn)有的方法有基于物理措施的，如防盜車(chē)門(mén)，防盜車(chē)窗；也有借助電子手段的，如電子門(mén)鎖，電子報(bào)警器等等。

隨著科技的發(fā)展，汽車(chē)是越來(lái)越安全了，但是竊車(chē)賊的手段也是越來(lái)越高明了。防盜車(chē)窗還是能被打破，電子鎖照樣能被撬開(kāi)，也就是汽車(chē)盜竊的物理途徑不能被完全切斷。我們可以想象這樣一個(gè)竊車(chē)的場(chǎng)景：汽車(chē)先被拖到一個(gè)偏僻的角落（異常移動(dòng)），接著車(chē)窗或者車(chē)門(mén)被強(qiáng)力打開(kāi)（異常的振動(dòng)和震動(dòng)），隨后汽車(chē)就被盜走了。于是我們想如何在這些異常情況發(fā)生時(shí)，能自動(dòng)的被快速、準(zhǔn)確的檢測(cè)到，同時(shí)快速、有效的報(bào)警呢？

本設(shè)計(jì)是為了解決傳統(tǒng)汽車(chē)防盜方式的缺點(diǎn)和不足而開(kāi)發(fā)一種嶄新的集成傳感、控制和報(bào)警三大功能模塊的汽車(chē)防盜GSM 報(bào)警系統(tǒng)，通過(guò)安裝該報(bào)警器在汽車(chē)中，當(dāng)傳感器收到汽車(chē)震動(dòng)、移動(dòng)信號(hào)時(shí)，以GSM 網(wǎng)絡(luò)為信道，把報(bào)警信息通過(guò)短信/電話通知用戶，從而實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)的報(bào)警效果。

2 汽車(chē)防盜GSM 報(bào)警器特點(diǎn)

現(xiàn)行流行的汽車(chē)防盜器可以簡(jiǎn)單歸納為三大類(lèi)，即：機(jī)械式防盜器、電子防盜器和網(wǎng)絡(luò)防盜器，從盜車(chē)者破解的難度看，上述三類(lèi)防盜器越往后科技含量越高，但價(jià)格也基本與科技含量成正比。

（1）機(jī)械式防盜器

機(jī)械式防盜裝置是市面上最簡(jiǎn)單、最廉價(jià)的一種防盜裝置，其原理十分簡(jiǎn)單，即鎖住轉(zhuǎn)向盤(pán)、控制踏板或擋柄。
優(yōu)點(diǎn)：價(jià)格便宜，安裝簡(jiǎn)便，幾百元甚至幾十元就能搞定。
缺點(diǎn)：防盜不徹底，每次拆裝比較麻煩，不用時(shí)還得找地方放置。

（2）電子防盜器

電子防盜裝置電子防盜就是給車(chē)鎖加上電子識(shí)別碼，開(kāi)鎖或配鑰匙都需要輸入十幾位密碼。電子防盜的最大賣(mài)點(diǎn)在于密碼解鎖和聲訊報(bào)警。
電子防盜裝置的主要功能有以下四種：聲訊報(bào)警功能、安全提示功能、遙控尋車(chē)功能、中央門(mén)鎖遙控功能。

（3）網(wǎng)絡(luò)防盜器

網(wǎng)絡(luò)防盜裝置即利用現(xiàn)代電子信息技術(shù)、航天技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)汽車(chē)與車(chē)主的實(shí)時(shí)信息反饋，以全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GPS）為代表。其利用接收衛(wèi)星發(fā)射信號(hào)與地面監(jiān)控設(shè)備和GPS 信號(hào)接收機(jī)組成全球定位系統(tǒng)，衛(wèi)星星座連續(xù)不斷發(fā)送動(dòng)態(tài)目標(biāo)——汽車(chē)的三維位置、速度和時(shí)間信息，從接收到的反饋信息來(lái)獲知汽車(chē)當(dāng)時(shí)所處的位置。目前的GPS 系統(tǒng)具有車(chē)輛定位、反劫報(bào)警、網(wǎng)絡(luò)防盜、遙控熄火、車(chē)內(nèi)監(jiān)聽(tīng)、拋錨救援、路況信息、人工導(dǎo)航、車(chē)輛查詢等多種功能。

GPS 防盜的缺陷：一是沒(méi)有建立衛(wèi)星定位地面監(jiān)控中心的地區(qū)GPS 無(wú)法工作；二是由于衛(wèi)星數(shù)量有限，信息掃描覆蓋存在一定“盲區(qū)”，從而使監(jiān)控實(shí)際上經(jīng)常處于間斷“丟失”狀態(tài)；三是價(jià)格一般都在數(shù)千元以上，光安裝一套不帶顯示屏的GPS 就需要花費(fèi)六七千元，而每年還需向服務(wù)商交納近千元的服務(wù)費(fèi)。高昂的費(fèi)用讓許多車(chē)主望而卻步。

本公司研發(fā)的汽車(chē)防盜GSM 報(bào)警系統(tǒng)是集傳統(tǒng)車(chē)載式防盜報(bào)警單元和GSM全球通移動(dòng)通信網(wǎng)路控制為一體的高科技產(chǎn)品。該產(chǎn)品無(wú)需設(shè)運(yùn)營(yíng)中心，依托覆蓋率極高的GSM 公眾網(wǎng)絡(luò)，利用GSM 無(wú)線通訊業(yè)務(wù)和短消息增值業(yè)務(wù)，采用人車(chē)互動(dòng)主動(dòng)防盜模式，對(duì)車(chē)輛進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控和定位；具有遙控監(jiān)聽(tīng)現(xiàn)場(chǎng)語(yǔ)音功能、遙控呼叫語(yǔ)音報(bào)警功能、發(fā)送和遙控關(guān)閉報(bào)警短消息功能、被劫報(bào)警按鍵、振動(dòng)報(bào)警等功能，使車(chē)主擺脫了看不到、聽(tīng)不見(jiàn)的被動(dòng)防盜尷尬局面；無(wú)需設(shè)運(yùn)營(yíng)中心，解決了GPS 入網(wǎng)成本高以及普通的車(chē)輛防盜報(bào)警器監(jiān)控范圍小，不勝其煩地聲響噪音等問(wèn)題，能讓您的汽車(chē)隨時(shí)隨地盡在您的掌握之中。

3 本設(shè)計(jì)工作原理和設(shè)計(jì)過(guò)程

本系統(tǒng)的工作原理是：當(dāng)汽車(chē)遭受盜竊時(shí)，由于車(chē)身的異常運(yùn)動(dòng)情況被加速度傳感器所監(jiān)測(cè)到，系統(tǒng)CPU 根據(jù)兩個(gè)加速度傳感器的三路加速度信息，通過(guò)系統(tǒng)設(shè)定的分析、處理和分類(lèi)算法，生成若干類(lèi)報(bào)警信息；同時(shí)，系統(tǒng)CPU 控制GSM 模塊發(fā)出短信報(bào)警。

本設(shè)計(jì)汽車(chē)防盜GSM 報(bào)警系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)情況：首先，利用加速度傳感器檢測(cè)汽車(chē)的是否存在異常移動(dòng)、異常振動(dòng)、異常振動(dòng)、異常提升和車(chē)身異常切斜等等情況。其次，控制單元根據(jù)算法模型分析、確認(rèn)上述異常情況的發(fā)生。最后，GSM模塊收到確認(rèn)的異常情況信號(hào)信息，便向預(yù)先設(shè)置的用戶發(fā)送報(bào)警信息，如公安部門(mén)、用戶及第二級(jí)用戶。用戶接到報(bào)警信息后還可以回?fù)鼙O(jiān)聽(tīng)，實(shí)現(xiàn)互動(dòng)。下面給出一個(gè)應(yīng)用示意圖（見(jiàn)圖1）：


圖1 本系統(tǒng)的應(yīng)用示意圖

下面根據(jù)系統(tǒng)框圖和軟件流程圖具體介紹本設(shè)計(jì)的工作原理和設(shè)計(jì)過(guò)程。


圖2 系統(tǒng)功能框圖

如圖2 所示，本系統(tǒng)主要由三部分組成；傳感模塊、控制模塊和報(bào)警模塊組成。

傳感模塊由兩塊加速度傳感器組成：MMA1260D 和MMA6260Q。MMA1260D 是一塊1.5g 的z 軸向加速度傳感器；MMA6260Q 是一塊1.5g 的x-y 雙軸向加速度傳感器，兩個(gè)加速度傳感器搭配、組合，可以得出xyz 三個(gè)方向上的加速度信息，進(jìn)而通過(guò)軟件算法可以得到速度、位移等信息。

控制模塊是一塊56F8323，它是Freescale 半導(dǎo)體公司集成出色的、具有DSP運(yùn)算能力的、豐富MCU 外圍的16 位CPU，利用它既可以完成從傳感器輸入的模擬信號(hào)的采樣工作，又可以由它通過(guò)集成的SCI 控制器控制GSM 模塊的工作。

GSM 模塊，由它發(fā)送報(bào)警信息完成系統(tǒng)的報(bào)警工作。

圖3 是本設(shè)計(jì)系統(tǒng)主程序的運(yùn)行流程圖，主要實(shí)現(xiàn)加速度傳感器的信號(hào)采集、分析和報(bào)警信息的提取、判斷以及分類(lèi)的工作。此外，還有負(fù)責(zé)控制GSM 模塊相應(yīng)報(bào)警信息的接收和發(fā)送工作。


圖3 主程序流程圖

4 加速度傳感器原理和應(yīng)用

Freescale 新型加速度傳感器的性能分析和應(yīng)用研究是本設(shè)計(jì)的一個(gè)重點(diǎn)和難點(diǎn)，同時(shí)，在本設(shè)計(jì)的研究工程中總結(jié)出了一些基本的規(guī)律，對(duì)其多種應(yīng)用方式也進(jìn)行了初步的嘗試。下面就先簡(jiǎn)單介紹一下加速度傳感器的基本特性，接著討論其應(yīng)用的方式和方法。

（1）加速度傳感器的特性

傳感器的芯片選型：在X 和Y 軸向選用2004 年的Freescale 半導(dǎo)體公司的新品——MMA6260Q 芯片，這是個(gè)雙軸向低G 微機(jī)電加速度傳感器；在Z 軸向選用MMA 1260D 芯片，這是一款Z 軸向敏感的微機(jī)電加速度傳感器。微機(jī)電器件是一類(lèi)有著許多優(yōu)點(diǎn)的半導(dǎo)體器件，用微機(jī)電系統(tǒng)做成的加速度傳感器也有傳統(tǒng)傳感器所沒(méi)有的新特性。傳統(tǒng)的加速度傳感器的核心是一個(gè)陀螺儀，它是一個(gè)精致的但是昂貴的儀器。而Freescale 半導(dǎo)體公司的加速度傳感器是一種表面微機(jī)電工藝的集成電路傳感器，這種器件是由一個(gè)表面微機(jī)電工藝的電容傳感元胞和一個(gè)信號(hào)調(diào)理ASIC 構(gòu)成的單個(gè)集成電路，見(jiàn)圖4，其為加速度傳感器簡(jiǎn)化的功能方框圖：


圖4 簡(jiǎn)化的加速度傳感器功能模塊框圖

（2）應(yīng)用方式和方法

本設(shè)計(jì)的研究工作主要集中在加速度傳感器的算法研究，并取得了階段性的成果。在建立算法和實(shí)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn)，加速度傳感器的應(yīng)用可以分成兩大類(lèi)，其對(duì)應(yīng)著兩大類(lèi)算法。

加速度傳感器的兩類(lèi)應(yīng)用分別為動(dòng)態(tài)加速度的應(yīng)用和靜態(tài)加速度的應(yīng)用。其中，動(dòng)態(tài)加速度的應(yīng)用可以是震動(dòng)、振動(dòng)、移動(dòng)、定位信息的檢測(cè)和控制；靜態(tài)加速度的應(yīng)用可以是目標(biāo)傾斜和轉(zhuǎn)動(dòng)信息的檢測(cè)和控制。本設(shè)計(jì)的應(yīng)用主要是靜態(tài)加速度的應(yīng)用。

對(duì)應(yīng)于兩類(lèi)不同的應(yīng)用，加速度傳感器的算法可以歸結(jié)為兩大類(lèi)，即靜態(tài)加速度補(bǔ)償算法和動(dòng)態(tài)加速度補(bǔ)償算法。前者是針對(duì)動(dòng)態(tài)加速度的應(yīng)用，其目的是要排除靜態(tài)加速度，即由重力引起的加速度對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響；后者是針對(duì)靜態(tài)加速度的應(yīng)用，其目的則是排除動(dòng)態(tài)加速度的影響。靜態(tài)加速度補(bǔ)償算法的實(shí)現(xiàn)主要依靠加速度平衡點(diǎn)自校正的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)；而動(dòng)態(tài)加速度補(bǔ)償需要借助于高頻濾波的方法，可以采用模擬低通濾波器或者數(shù)字低通濾波器濾除加速度對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)中因?yàn)檫\(yùn)動(dòng)（包括平動(dòng)、振動(dòng)等等）。

5 應(yīng)用情況和改進(jìn)設(shè)想

如上所述，本設(shè)計(jì)主要是加速度傳感器的應(yīng)用。現(xiàn)在就其在本設(shè)計(jì)中的應(yīng)用情況作個(gè)總結(jié)，并提出一點(diǎn)改進(jìn)設(shè)想。

在本設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)了加速度傳感器的基本應(yīng)用，也體現(xiàn)了low-g 加速度傳感器高靈敏度的特點(diǎn)。但是在應(yīng)用中存在許多不足，仍須改進(jìn)。為什么會(huì)產(chǎn)生這些問(wèn)題呢？首先，加速度傳感器有一定的感應(yīng)帶寬和其變化頻率，在設(shè)計(jì)中采用純軟件，也就是純數(shù)字的設(shè)計(jì)方法處在缺陷。數(shù)模轉(zhuǎn)換的速度有限，使得快變的加速度信號(hào)不能被很好的采集、利用。其次，對(duì)于連續(xù)變化的電壓模擬量做精度有限的數(shù)模數(shù)轉(zhuǎn)換必然犧牲模擬量的精度，并且必須考慮數(shù)模轉(zhuǎn)換本身存在的誤差使得加速度的定標(biāo)變得很困難。

我們?cè)诤罄m(xù)的研究工作中會(huì)在一下改進(jìn)。改變?cè)械募冘浖膶?shí)現(xiàn)方法，改為軟硬件并用的方法，把原本的純軟件的積分，也就是數(shù)字量的累加改成采用模擬積分器的方法，而且改用模擬方法的自矯正，增加模擬低通濾波器。

6 小結(jié)

本設(shè)計(jì)著眼于加速度傳感器的振動(dòng)、震動(dòng)、傾斜、提升、移動(dòng)和玻璃破碎等防范信息的數(shù)字信號(hào)處理（包括區(qū)分、判斷、噪音濾除、形態(tài)綜合分析等等）算法的研究，并結(jié)合本公司的成熟技術(shù)——GSM 短信發(fā)送和報(bào)警技術(shù)，構(gòu)成新的應(yīng)用——汽車(chē)防盜GSM 報(bào)警系統(tǒng)，可望年內(nèi)向社會(huì)推廣。