汽车防盗GSM报警系统设计

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1 引言

随着中国经济的蓬勃发展，人们的生活水平日益提高，汽车的应用发展迅速，各类汽车的拥有量不断提高。汽车的普及应用为人们的生活带来了方便，但同时汽车的使用也给人们提出了一大难题——汽车防盗。汽车防盗成为了有车主们生活中的热门话题，也是汽车制造商关心的热点，目前各种汽车防盗方法和产品层出不穷。但是，汽车防盗问题依旧没有完全解决，可谓道高一尺、魔高一丈。汽车失窃案件还是时有发生，为人们的生活和财产带来很大的损失。现有的方法有基于物理措施的，如防盗车门，防盗车窗；也有借助电子手段的，如电子门锁，电子报警器等等。
　　随着科技的发展，汽车是越来越安全了，但是窃车贼的手段也是越来越高明了。防盗车窗还是能被打破，电子锁照样能被撬开，也就是汽车盗窃的物理途径不能被完全切断。我们可以想象这样一个窃车的场景：汽车先被拖到一个偏僻的角落（异常移动），接着车窗或者车门被强力打开（异常的振动和震动），随后汽车就被盗走了。于是我们想如何在这些异常情况发生时，能自动的被快速、准确的检测到，同时快速、有效的报警呢？
　　本设计是为了解决传统汽车防盗方式的缺点和不足而开发一种崭新的集成传感、控制和报警三大功能模块的汽车防盗GSM 报警系统，通过安装该报警器在汽车中，当传感器收到汽车震动、移动信号时，以GSM 网络为信道，把报警信息通过短信/电话通知用户，从而实现准确、实时的报警效果。
　　2 汽车防盗GSM 报警器特点
　　现行流行的汽车防盗器可以简单归纳为三大类，即：机械式防盗器、电子防盗器和网络防盗器，从盗车者破解的难度看，上述三类防盗器越往后科技含量越高，但价格也基本与科技含量成正比。
　　（1）机械式防盗器
　　机械式防盗装置是市面上最简单、最廉价的一种防盗装置，其原理十分简单，即锁住转向盘、控制踏板或挡柄。
　　优点：价格便宜，安装简便，几百元甚至几十元就能搞定。
缺点：防盗不彻底，每次拆装比较麻烦，不用时还得找地方放置。
　　（2）电子防盗器
　　电子防盗装置电子防盗就是给车锁加上电子识别码，开锁或配钥匙都需要输入十几位密码。电子防盗的最大卖点在于密码解锁和声讯报警。电子防盗装置的主要功能有以下四种：声讯报警功能、安全提示功能、遥控寻车功能、中央门锁遥控功能。
　　（3）网络防盗器
　　网络防盗装置即利用现代电子信息技术、航天技术和网络技术，实现汽车与车主的实时信息反馈，以全球卫星定位系统（GPS）为代表。其利用接收卫星发射信号与地面监控设备和GPS 信号接收机组成全球定位系统，卫星星座连续不断发送动态目标——汽车的三维位置、速度和时间信息，从接收到的反馈信息来获知汽车当时所处的位置。目前的GPS 系统具有车辆定位、反劫报警、网络防盗、遥控熄火、车内监听、抛锚救援、路况信息、人工导航、车辆查询等多种功能。
　　GPS 防盗的缺陷：一是没有建立卫星定位地面监控中心的地区GPS 无法工作；二是由于卫星数量有限，信息扫描覆盖存在一定“盲区”，从而使监控实际上经常处于间断“丢失”状态；三是价格一般都在数千元以上，光安装一套不带显示屏的GPS 就需要花费六七千元，而每年还需向服务商交纳近千元的服务费。高昂的费用让许多车主望而却步。
　　本公司研发的汽车防盗GSM 报警系统是集传统车载式防盗报警单元和GSM全球通移动通信网路控制为一体的高科技产品。该产品无需设运营中心，依托覆盖率极高的GSM 公众网络，利用GSM 无线通讯业务和短消息增值业务，采用人车互动主动防盗模式，对车辆进行远程监控和定位；具有遥控监听现场语音功能、遥控呼叫语音报警功能、发送和遥控关闭报警短消息功能、被劫报警按键、振动报警等功能，使车主摆脱了看不到、听不见的被动防盗尴尬局面；无需设运营中心，解决了GPS 入网成本高以及普通的车辆防盗报警器监控范围小，不胜其烦地声响噪音等问题，能让您的汽车随时随地尽在您的掌握之中。
　　3 本设计工作原理和设计过程
　　本系统的工作原理是：当汽车遭受盗窃时，由于车身的异常运动情况被加速度传感器所监测到，系统CPU 根据两个加速度传感器的三路加速度信息，通过系统设定的分析、处理和分类算法，生成若干类报警信息；同时，系统CPU 控制GSM 模块发出短信报警。
　　本设计汽车防盗GSM 报警系统的实现情况：首先，利用加速度传感器检测汽车的是否存在异常移动、异常振动、异常振动、异常提升和车身异常切斜等等情况。其次，控制单元根据算法模型分析、确认上述异常情况的发生。最后，GSM模块收到确认的异常情况信号信息，便向预先设置的用户发送报警信息，如公安部门、用户及第二级用户。用户接到报警信息后还可以回拨监听，实现互动。下面给出一个应用示意图（见图1）：

图1 本系统的应用示意图
　　下面根据系统框图和软件流程图具体介绍本设计的工作原理和设计过程。

图2 系统功能框图
　　如图2 所示，本系统主要由三部分组成；传感模块、控制模块和报警模块组成。
　　传感模块由两块加速度传感器组成：MMA1260D 和MMA6260Q。MMA1260D 是一块1.5g 的z 轴向加速度传感器；MMA6260Q 是一块1.5g 的x-y 双轴向加速度传感器，两个加速度传感器搭配、组合，可以得出xyz 三个方向上的加速度信息，进而通过软件算法可以得到速度、位移等信息。
　　控制模块是一块56F8323，它是Freescale 半导体公司集成出色的、具有DSP运算能力的、丰富MCU 外围的16 位CPU，利用它既可以完成从传感器输入的模拟信号的采样工作，又可以由它通过集成的SCI 控制器控制GSM 模块的工作。
　　GSM 模块，由它发送报警信息完成系统的报警工作。
　　图3 是本设计系统主程序的运行流程图，主要实现加速度传感器的信号采集、分析和报警信息的提取、判断以及分类的工作。此外，还有负责控制GSM 模块相应报警信息的接收和发送工作。

图3 主程序流程图
　　4 加速度传感器原理和应用
　　Freescale 新型加速度传感器的性能分析和应用研究是本设计的一个重点和难点，同时，在本设计的研究工程中总结出了一些基本的规律，对其多种应用方式也进行了初步的尝试。下面就先简单介绍一下加速度传感器的基本特性，接着讨论其应用的方式和方法。
　　（1）加速度传感器的特性
　　传感器的芯片选型：在X 和Y 轴向选用2004 年的Freescale 半导体公司的新品——MMA6260Q 芯片，这是个双轴向低G 微机电加速度传感器；在Z 轴向选用MMA 1260D 芯片，这是一款Z 轴向敏感的微机电加速度传感器。微机电器件是一类有着许多优点的半导体器件，用微机电系统做成的加速度传感器也有传统传感器所没有的新特性。传统的加速度传感器的核心是一个陀螺仪，它是一个精致的但是昂贵的仪器。而Freescale 半导体公司的加速度传感器是一种表面微机电工艺的集成电路传感器，这种器件是由一个表面微机电工艺的电容传感元胞和一个信号调理ASIC 构成的单个集成电路，见图4，其为加速度传感器简化的功能方框图：

图4 简化的加速度传感器功能模块框图
　　（2）应用方式和方法
　　本设计的研究工作主要集中在加速度传感器的算法研究，并取得了阶段性的成果。在建立算法和实行实验验证的基础上发现，加速度传感器的应用可以分成两大类，其对应着两大类算法。
　　加速度传感器的两类应用分别为动态加速度的应用和静态加速度的应用。其中，动态加速度的应用可以是震动、振动、移动、定位信息的检测和控制；静态加速度的应用可以是目标倾斜和转动信息的检测和控制。本设计的应用主要是静态加速度的应用。
　　对应于两类不同的应用，加速度传感器的算法可以归结为两大类，即静态加速度补偿算法和动态加速度补偿算法。前者是针对动态加速度的应用，其目的是要排除静态加速度，即由重力引起的加速度对检测结果的影响；后者是针对静态加速度的应用，其目的则是排除动态加速度的影响。静态加速度补偿算法的实现主要依靠加速度平衡点自校正的方法来实现；而动态加速度补偿需要借助于高频滤波的方法，可以采用模拟低通滤波器或者数字低通滤波器滤除加速度对应的电压信号中因为运动（包括平动、振动等等）。
　　5 应用情况和改进设想
　　如上所述，本设计主要是加速度传感器的应用。现在就其在本设计中的应用情况作个总结，并提出一点改进设想。
　　在本设计中实现了加速度传感器的基本应用，也体现了low-g 加速度传感器高灵敏度的特点。但是在应用中存在许多不足，仍须改进。为什么会产生这些问题呢？首先，加速度传感器有一定的感应带宽和其变化频率，在设计中采用纯软件，也就是纯数字的设计方法处在缺陷。数模转换的速度有限，使得快变的加速度信号不能被很好的采集、利用。其次，对于连续变化的电压模拟量做精度有限的数模数转换必然牺牲模拟量的精度，并且必须考虑数模转换本身存在的误差使得加速度的定标变得很困难。
　　我们在后续的研究工作中会在一下改进。改变原有的纯软件的实现方法，改为软硬件并用的方法，把原本的纯软件的积分，也就是数字量的累加改成采用模拟积分器的方法，而且改用模拟方法的自矫正，增加模拟低通滤波器。
　　6 小结
　　本设计着眼于加速度传感器的振动、震动、倾斜、提升、移动和玻璃破碎等防范信息的数字信号处理（包括区分、判断、噪音滤除、形态综合分析等等）算法的研究，并结合本公司的成熟技术——GSM 短信发送和报警技术，构成新的应用——汽车防盗GSM 报警系统，可望年内向社会推广。