基于STM32与GSM的汽车报警系统设计

吴昌东，袁红兵，戴俊源

(南京理工大学机械工程学院，江苏南京210094；南京理工大学常熟研究院有限公司，江苏常熟215513)

0 前言

当前车主对汽车的防盗性能有越来越高的要求，同时电子信息技术与计算机技术的发展，也促进了汽车防盗技术的更新与发展［1］。目前，市场上出现了很多类型的汽车防盗器。传统的防盗器容易被破解、防盗性能差，现有新型的网络防盗系统误报率高、及时反馈性差。

本文设计的汽车防盗系统以STM32单片机为核心处理器，通过相关传感器以及GSM网络来实现汽车的实时防盗，可及时通知车主汽车的状态，车主可以迅速对车作出指令控制，以此实现用户对车的双向控制。

1 系统的结构与功能

基于GSM网络的防盗系统，可以实现无线的信息发送与接收，车主可以随时随地的对汽车的状态进行无线的控制与查看［2］。此防盗系统结构原理如图1所示。

图1 系统结构框图

汽车防盗系统包括了为所有模块供电的电源模块；GSM模块利用GPRS业务以及SMS业务通过GPRS网络进行数据的无线传输以及消息的发送，在车辆有异常状态时，GSM会自动向车主发送消息以及定时的向服务端传输动态数据，车主若收到异常状态提示，可立即回复消息、发送指令，通过控制模块对汽车进行相关控制。信息的处理模块包括对GSM发送的信息处理以及收到车主的指令信息处理。传感器模块包括振动传感器、倾角传感器、加速度传感器，通过传感器识别判断汽车的异常状态，一旦异常，就立即通知车主。

车主在离开汽车后可对系统进行设定，发送指令即可将防盗功能开启，在使用汽车时将其关闭即可。

2 系统硬件设计

2.1 GSM模块

GSM模块使用SIMCom公司提供的SIM900A模块。它具有标准AT命令接口，可以提供GSM语音、GPRS传输、短消息等业务。SIM900模块系统结构如图2所示。

图2 SIM900系统结构图

SIM900支持标准的8线制串行接口，传输速率支持从1.2kbps～115.2kbps；SIM900A提供两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。SIM900模块的TXD发送数据到处理器的RXD信号线上，RXD从处理器的TXD信号线上接收数据。可通过AT命令实现对SIM900与STM32相互的传输控制。GSM模块具有标准的SIM卡接口。接口连接如图3所示。

图3 SIM900接口连接图

GSM模块的硬件电路设计包括SIM900的供电模块、SIM卡模块以及SIM900的开机模块硬件设计。SIM900A采用VBAT为3.4V～4.5V的单电源供电。在一些情况下，信号传输的猝发会导致电压跌落，这时电流损耗的峰值会达到2A。因此，电源必须能提供足够到2A的电流，因此采用线形稳压电源，电源电路如图4所示。

图4 SIM900电源供电图

SIM900模块三个VBAT引脚用于供电输入，15个GND引脚用于接地。VRTC引脚用于后备电源供电。

SIM卡的接口电平由模块内部的电压稳压器提供，正常电压值为2.8V或者1.8V。复位后，所有引脚输出低电平。SMF05C来作静电保护。本设计使用的是六脚SIM卡座，SIM卡模块硬件电路设计如图5所示。SIM900的开启模块通过把PWRKEY信号拉低一段时间然后释放来开机。硬件电路设计如图6。

图5 SIM卡电路图

图6 开机模块电路图

2.2 RFID模块

RFID(radio grequency identification)即射频识别是一种无线通技术信，本方案中射频芯片采用NXP公司MFRC522射频芯片，该芯片是一款低电压、低成本、体积小的非接触式读写卡芯片，该芯片利用了先进的调制和解调概念，完全集成了在13.56MHz下所有类型的被动非接触式通信方式和协议。它支持IIC、串行USART、SPI各种不同的主机接口，与MCU通信接口采用SPI模式。

RFID的使用，可以实现车主身份的识别，经过MCU的处理，收到信号判别后即可作出控制。通过GSM模块的GPRS以及SMS业务，可以实现报警控制。模块功能框图如图7所示。本方案与MCU的接口电路如图8所示。

图7 RFID模块框图

图8 SPI模式接口电路图

2.3 信息采集及控制模块

信息采集部分主要是采集通过传感器去接收对外界对汽车的作用，并对信号进行有效地采集与检测［3］。

汽车收到强行拖车或者打开车门、车窗的行为动作都属于采集信息的范围之内。本系统主要采集的对象是汽车的异常状态。所以采用振动传感器、倾角传感器以及加速度传感器。振动传感器与倾角传感器用以判断汽车的异常振动与破坏；加速度传感器用以识别汽车的启动运行状态，在非法运行时，车主收到SMS消息后，可通过指令进行控制。

振动传感器选用MVS0608，通过内部微球来检测判断振动。微球作为两个触点传感器内部电极的桥梁来降低两个外部连接垫电阻的阻值。倾角传感器采用SST100系列倾角传感器，适合于各种工程机械和野外设备，可直接与车载蓄电池或其他各种非稳压的电压连接，提供无抖动的高迟滞特性的全方位开关量输出，直接驱动如继电器、喇叭、声光报警设备、PLC等装置。加速度传感器采用A-nalogy Devices公司出品的一款双轴加速度传感器，可测量动态加速度和静态加速度，输出为周期可调的脉宽调制信号，可以直接与单片机或计数器连接，并且具有性能高、准确度高、功耗低的特点(输入电流＜0.6mA)。ADXL202可以测量正、负两个方向的加速度，而且具有很广的测量范围，可以测量2g～10g的加速度。相对于地平面方向变化时，x、y方向对应不同的输出，从而可以计算出恒定的加速度。本系统的加速度原理图设计如图9所示。

图9 ADXL202加速度传感器原理图

通过传感器读取的状态，经由GSM网络由车主发送指令控制模块电路实现对汽车的控制。具体控制的实现可包括紧急报警、断油断电等相关措施。

3 系统软件设计

3.1 系统总体流程设计

系统采用C语言编写程序，将程序写入单片机闪存里。通过MDK编译环境来编译调试。

主芯片进入初始化后，判断是否需要进入警戒状态；确定进入警戒状态后，开始启动GSM模块，以及传感器模块的接口扫描。当出现异常状况，传感器模块会立即读出电平信号变化，此时，单片机的串口响应，系统会自动发送消息通知车主，并通过GSM网络发送数据到相关信息中心。当车主收到消息出现警情时，可立即发送控制指令实现对汽车的控制。GSM模块启动后会一直处于轮询指令状态，车主可以随时随地的对汽车的状态进行监测查看，发送指令，经由单片机处理后传送至GSM，再由GSM通过SMS业务向车主反映汽车状态信息。若车主要使用汽车，通过RFID模块识别出车主身份，系统自动撤销警戒状态。若无此识别，系统也会立即报警。

系统的总体流程图如图10所示。

图10 系统流程图

GSM模块的软件设计主要包括两方面的内容，1)GSM开启模块，2)是无线数据传输的软件设计以及SMS短消息的发送、接收解析与控制。

3.2 GSM模块开机软件设计

GSM的开启通过把PWRKEY信号拉低一段时间然后释放来开机。此引脚已在模块内部上拉到3V。在软件设计时需考虑开机时序对开启的影响，拉低及延迟的时间都需要精确处理，下拉时间间隔在1s～5s之间，延迟应大于1.7s；通过控制PERKEY的状态变化，来实现模块的开启，状态高位延迟，然后拉低。

3.3 GSM模块无线通讯软件设计

无线数据的传输是通过GPRS业务实现。处理器通过串口发出的AT指令建立通信链路。AT指令集的指令格式都以AT开头，下面是常用连接GPRS业务的AT指令。“AT ”返回“OK”表示设置成功；“AT+CGATT=? ”，返回值1表示服务器连接正常，处于连接状态。“AT+CGATT=1 ”，返回“OK”，表示连接成功；“AT+CGDCONT=1”，“IP”，“CMNET ”，返回OK表示设置成功。上述命令成功设置后，即可建立与GPRS的连接，与数据中心建立了通信链路。

SMS的发送需要在软件设计中编译，通过在主芯片代码中发送AT命令，具体的AT命令格式如下:

AT+CMGF=1；AT+CSCS=”GSM”；AT+CSCA=”服务中心号码”；AT+CMGS=”电话号码”。

3.4 SMS双向通讯控制软件设计

车主的控制指令解析通过GSM模块实现。主要是SMS的存储、读取与解析。短信息收发有关的规范主要包括GSM03.38，GSM03.40和GSM07.05。前二者着重描述SMS的技术实现(含编码方式)，后者则规定了SMS的DTE-DCE接口标准(AT命令集)。PDU方式被所有手机支持，可以使用任何字符集，也是手机默认的编码方式。

软件代码设计上，以GSM字符集为7位编码，可以简单地理解为ASCII码(ASCII值小于80Hex，因此，Bit8被忽略)，依次将下一7位编码的后几位逐次移至前面，形成新的8位编码。GSM并非支持所有的ASCII字符显示。通过函数的处理，可以将固定格式的指令在SMS里解析，相应的命令交由单片机处理做出相应的反应。

通过短信的解析即可获得车主短信的指令，通过GSM模块发送到STM32处理器，就可以做出相应的处理。

3.5 RFID模块软件设计

RFID模块主要是对协议的应用。MFRC522的操作由可执行一系列命令的内部状态机来决定。通过向命令寄存器写入相应的命令代码来启动命令。

串口的通信协议相应设置为串口波特率为9600、8数据位、1停止位、无校验。协议的格式为|FE|命令长度(暂时固定为3)|数据长度 |命令字节|数据字节 |异或校验|，相应的读卡号数据格式:FE03 04 00 03 00 00 00 00 00FA.其中FE为起始 |03为命令长度 |04为数据长度 |00 03 00为读卡号命令 |00 00 00 00为数据 |FA为校验。RFID与单片机的通信采用的SPI模式，SPI接口由SDI(串行数据输入)，SDO(串行数据输出)，SCK(串行移位时钟)，CS(从使能信号)四种信号构成，CS决定了唯一的与主设备通信的从设备，如没有CS信号，则只能存在一个从设备，主设备通过产生移位时钟来发起通讯。通讯时，数据由SDO输出，SDI输入，数据在时钟的上升或下降沿由SDO输出，在紧接着的下降或上升沿由SDI读入，这样经过8/16次时钟的改变，完成8/16位数据的传输。

程序下载时，芯片选择STC11F32XE，导入HEX文件，其他都默认，编译环境为KEIL。

4 结论

基于STM32与GSM的汽车智能报警系统是利用日益完善的全球移动通信网络和ARM控制技术的一种全新汽车报警装置。本文实现了基于STM32与GSM的汽车报警系统的硬件及软件设计，通过利用GSM模块的AT指令以及SMS功能，在此基础上通过用户发出的短信，由STM32处理器的解析，即可对汽车进行控制，加强对异常状况的快速反应能力，提高报警系统的实时性以及实现车主对汽车的远程控制。

［1］尹东至.基于GSM/GPS的汽车防盗系统设计的［D］.武汉:武汉理工大学，2007.

［2］赵冲.基于GSM防盗报警系统设计的［D］.西安:西安科技大学，2007.

［3］樊振方，彭爱华，周健，等.基于GSM网络的汽车防盗报警系统设计［J］.电子技术应用，2006(03).

［4］曹军.基于SMS的远程控制系统在汽车防盗中的应用［D］.合肥:合肥工业大学，2008.

［5］ETSI.GSM 07.05(Version 5.5.0):Digital cellular telecommunications system(Phase 2+)；Use of Data Terminal Equipment-Data Circuit terminating Equipment(DTE-DCE)interface for Short Message Service(SMS)and Cell Broadcast Service(CBS).1998.

［6］R.C.Luo，P.K.Wang.T.Y.Hsu，T.Y.Lin.Navigation ＆ Mobile Security System of Intelligent Security Robot.ICIT2005.IEEE International Conference Industrial Technology，2005:260-265.

［7］刘晓杰.汽车GPRS防盗报警系统的研究与设计［D］.大连:大连理工大学，2010.

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［9］李智慧，王丽军，赵春明.基于GSM/SMS的车辆防盗报警系统，汽车电器，2005(5).