摘 要： 針對目前車輛防盜設備存在的問題，提出了一種成本低、功能強的車載防盜追蹤裝置設計方案。在完成系統整體方案和以STM32F103為核心的低成本車載裝置硬件框架設計的基礎上，分別設計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，從而顯現出該設備的低成本。實驗證明, 本裝置穩定可靠、靈活性好、互動性強、體積小、成本低、通信效率高，對車載防盜系統的進一步應用有一定參考價值和市場應用前景。
關鍵詞： 車載防盜追蹤裝置；攝像頭；全球定位系統；通用分組無線業務；低成本
隨著中國經濟的發展、人民生活水平的提高，汽車已進入百姓家庭，但隨之而來的盜竊案也在逐漸增加。現有的汽車防盜產品雖然具備了高科技、GPS定位等新功能，但是大多數并沒有達到實時準確地監控效果。例如聲光報警，一旦人車超過一定距離，難以起到報警作用。而移動通信技術的迅猛發展以及智能終端的廣泛普及，利用智能終端和無線通信技術來實現車輛防盜有著廣泛的理論和實踐前景[1-3]。
本文設計的互動式低成本車載防盜追蹤裝置充分利用了嵌入式技術、智能終端應用軟件和GPRS無線通信技術，其區別于一般報警系統，最大優點是能實現雙向通信和不受地理范圍的限制[4-5]，車主可以遠程遙控車載防盜裝置以及通過車內攝像頭及時了解車內信息。此外，車主還可以通過車輛追蹤軟件實現對汽車定位、規劃當前最佳追捕路徑等功能，這是傳統汽車防盜系統所不具備的新功能。
1 車載防盜追蹤系統整體設計
整個系統由車載防盜追蹤裝置、 GPRS無線網絡和手機終端3部分組成，系統結構圖如圖1所示。
車載防盜追蹤裝置是整個系統的關鍵，它由微控制器、攝像頭、GPRS模塊、GPS模塊以及一些外圍電路構成，本車載裝置可以實現車內圖像的實時采集，定位數據的接收、處理和發送，以及人車互動式操作。
該防盜追蹤系統的工作過程如下。當異常情況發生時，車載防盜追蹤裝置向車主手機終端發送報警信息，車主根據手機終端軟件實現與車載防盜追蹤裝置的實時互動。若車主需要獲取當前汽車內部的實時圖像信息，車載防盜追蹤裝置接收到車主請求命令后，調用攝像頭進行圖像數據的采集，然后通過GPRS無線通信網絡[6]傳遞給車主當前汽車內部實時圖像信息。若汽車被盜，車主可以讓車載防盜追蹤裝置獲取當前GPS位置信息，車載裝置調用GPS采集模塊，并將采集的GPS位置信息傳遞至車主手機終端，以此來完成對被盜汽車的追蹤定位。
2 低成本車載防盜追蹤裝置硬件設計
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警器。裝置的硬件設計框圖如圖2所示。
車載防盜追蹤裝置不同的功能依托對應的功能模塊來完成，微控制器是整個嵌入式防盜裝置的核心，負責信息交換處理等工作；傳感器模塊用于檢測汽車的異常信號；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數據；用戶面板用于設置嵌入式車載防盜裝置的工作參數及相應的信息顯示；圖像采集模塊負責采集汽車內部圖像；聲光報警器用于在檢測到異常信號時發出聲光報警；GPRS通信模塊用于實現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計電路圖。
2.1 STM32F103模塊
STM32F103系列微處理器是首款基于ARMv7-M體系結構的32 bit標準RISC(精簡指令集)處理器，能提供很高的代碼效率，能夠在8 bit和16 bit系統的存儲空間上發揮ARM內核的高性能。該微處理器工作頻率為72 MHz，內置高達20 KB的SRAM和128 KB的Flash存儲器，芯片集成有CAN，多個定時器，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、報警系統以及視頻對講等領域有著強大的發展潛力。
2.2 GPS模塊
在進行衛星GPS定位計算時，以所觀測到的4顆衛星的瞬時位置作為已知數據，通過一定的方法測定這4顆以上衛星在此瞬間位置以及它們分別至該觀測點接收機的距離，利用距離交會法解算出觀測點P的位置及接收機鐘差δt。
設計中GPS模塊由GPS Antenna G-503和REB_1315組成，用于收集汽車GPS數據。
2.3 GPRS模塊
GPRS網絡是基于GSM網絡來實現的，它采用與GSM相同的頻段、頻寬、突發結構、調制標準、跳頻規則以及TDMA幀結構。在GSM的基礎上引入了分組控制單元(PCU)、服務支持節點(SGSN)和網關支持節點(GGSN)等新部件而構成的無線數據傳輸系統[6]，其用戶能夠在端到端分組方式下發送和接收數據。
本裝置采用GPRS模塊為M10，通過串口1將有關的AT指令發送到無線網絡模塊中，無線網絡模塊收到指令作出響應并向串口1返回結果碼。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文本發送
AT_QIOPEN[]="AT+QIOPEN=" //開始連接
AT_CIPSTATUS[]="AT+CIPSTATUS" //GPRS狀態查詢
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" //發送彩信
2.4 攝像頭模塊
景物通過鏡頭將生成的光學圖像投射到圖像傳感器表面上，然后轉為電信號，經過模數轉換后變為數字圖像信號，再送到數字信號處理芯片中加工處理，最后通過接口等方式傳輸到電腦中處理，通過顯示器就可以看到圖像。本裝置攝像頭采用日常生活常見的USB攝像頭。
3 裝置軟件設計及系統實現
3.1 裝置運行的軟件實現
裝置控制軟件采用微控制器嵌入式C進行編寫，軟件的重點在于傳感器(震動、紅外)檢測部分和GPRS無線通信部分的編寫。當傳感器檢測到的信號強度和次數達到報警次數時，首先啟動聲光報警嚇阻盜竊發生，同時通過GPRS通信模塊發送報警信息到車主的手機終端，車主可以通過手機終端的車輛追蹤軟件與車載防盜追蹤裝置互動式操作。例如，車主可以通過手機終端的追蹤軟件向車載裝置發送獲取汽車內部圖像或GPS位置等指令，當汽車接收到車主請求指令后啟動相應的功能模塊，然后通過3G網絡向車主回復其需要的相關信息，以方便車主做下一步的決策。裝置運行的主要軟件流程如圖4所示。
該部分的實現主要由以下函數構成。
uchar Send_AT_Command(char *str_at ) //發送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卡里面的電話號碼
uchar CPMS_SM(char* ptr1_at ) //閱讀接收短信內容
uchar read_sms(char* ptr1_at,char* ptr1_code,char* ptr_tel)
//分析短信內容并處理
uchar pdu_set(char* ptr1_at,char* ptr1_code1,char* ptr_tel)
GPRS //GPRS模塊發送中文短信
uchar PHONE_RD(char *ptr1_at,char *str,uchar id )
//分析來信息的電話號碼
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)
//彩信發送處理
uchar Read_Call_ID(char* ptr1_at,char* ptr1_tel)
//讀出來電顯示的號碼
void GPS_READ(char* ptr1_code ) //讀取GPS數據
3.2 GPS定位與圖像獲取的軟件實現
在該系統中，車主可以向車載防盜追蹤裝置發送獲取GPS位置以及獲取車內實時圖像等功能操作。
車載防盜追蹤裝置接收到短信后，首先分析是否為車主號碼，如果是，判斷車主短信指令內容，然后啟動GPS模塊定位。
本裝置中GPS通信接口協議采用美國NMEA 0183 ASCII碼協議，GPS數據由幀頭、幀尾和幀內數據構成。當幀頭數據不相同時，幀內數據也將不相同。分析數據幀的內容，可以得到GPS數據的經緯度信息和時間信息[6-7]。其中GPS數據幀的格式如下所示：
$GPGGA、<1>、<2>、<3>、<4>、<5>、<6>、<7>、<8>、<9>、M,<10>、<11>、<12>*hh<CR><LF>。
在解析GPS數據時，需要判別ASCII碼的幀頭是否是“GPGGA”，若檢驗無誤，則確定本幀數據是可用數據，然后回復GPS經緯度信息和時間信息至車主的手機終端[8]。獲取GPS位置信息軟件流程如圖5(a)所示。
該部分的實現主要包括：
void GPS_READ(char* ptr1_code ) //GPS數據的獲取
void GPS_Safe(char *ptr1_at, char* ptr1_code, char *ptr_tel)
//GPS位置變動監測
攝像頭主要功能是作為車內實時圖像的獲取，通過GPRS無線網絡向車主發送車內實時圖片，輔助車主對當前車內財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行獲取車內實時彩色信息的軟件流程圖。
該部分的實現主要由3個函數構成。
unsigned char Com_command(char *Cmd1,unsigned char type)
//負責指令功能
unsigned int jpg_ok(char *pc_buff_tmp) //負責拍照功能
unsigned int EE_02_OK(char *com1_int ,uint ID) //負責圖片分包讀取功能
3.3 系統測試
系統平臺搭建完成后，向車載防盜追蹤裝置導入代碼，測試手機終端是HTC G1智能手機。車輛追蹤軟件安裝完成后，首先對該軟件進行設置，“車的號碼”需要輸入車載防盜追蹤裝置SIM卡的電話號碼，為了防止用戶的誤操作或其他人員的破壞，號碼設置前需要輸入正確的密碼。軟件界面及設置如圖6所示。
點擊“獲取信息”按鍵會進入圖6(a)所示軟件界面，當點擊“車的位置”時，手機終端會向汽車上的防盜追蹤裝置發送獲取GPS信息命令，然后汽車回復其所在的GPS地址給用戶的手機終端，例如回復給手持終端的GPS信息為21.6778,106.898，并自動將其顯示在百度地圖中。規劃路線就是根據用戶所在位置與汽車所在位置規劃的一條最優路線，以方便用戶最快速度找到丟失的車輛。此外，點擊獲取車內信息，車載裝置會啟動圖像采集模塊采集圖像，并以彩信的形式將車內的圖像信息通過GPRS無線網絡傳遞給用戶，以方便用戶判斷汽車受損情況及下一步操作。若車無任何異狀，則用戶的手機客戶端不會收到任何消息，避免了該系統對用戶的打擾，如圖7所示，其中圖7(a)為車載防盜追蹤系統采集GPS數據返回至手機終端結合百度地圖生成的車輛移動路徑圖，圖7(b)為車載防盜追蹤裝置通過GPRS網絡傳遞至手機終端的報警短信及彩信狀態圖。
4 裝置成本分析
結合阿里巴巴各電子元器件報價，表1為本車載防盜追蹤裝置主要元器件的價格。
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、存儲芯片等小器件，以及考慮人工成本等因素，該裝置量產成本估計在157.3元，與現有的車載防盜系統相比，該裝置在功能大幅度提升的同時，價格十分低廉，必將有著非常好的商業應用前景。如果將GPRS模塊升級為WCDMA 3G通信模塊，成本僅需增加100元左右，量產成本仍然十分低廉。
本文通過利用攝像頭、GPS定位、GPRS無線通信，并結合傳統的車載報警，設計了一種互動式低成本車載防盜追蹤裝置，給出了該裝置的硬件結構及主要功能模塊，分析了系統工作流程及主要模塊的軟件實現。從實驗結果可以看出，本系統能夠實現車輛的實時防盜功能以及對失竊車輛的跟蹤功能。經過多次測試，該裝置穩定可靠，實時性高，人車互動性強，是一種方便實用、成本極低的車輛安全解決方案。
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