基于跳頻通信的汽車智能防盜器設(shè)計(jì)

0 引言

　　隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們生活水平的提高，汽車已逐步進(jìn)入家庭，而如何有效防止汽車被盜也成為車主比較關(guān)心的問題。目前在汽車防盜器中，普通的電子遙控防盜器由于價(jià)格便宜占有很大的市場(chǎng)分額。但普通的電子遙控防盜器多為固定載波頻率通信，容易被干擾、截獲和破解。有報(bào)道說一般的遙控鎖在30 s 內(nèi)就可被專用的解碼器復(fù)制，1 min 內(nèi)就可破解。普通的電子遙控防盜器多為單向通信，車主可以遙控汽車上鎖、解鎖，但汽車信息不能及時(shí)反饋給車主。

　　針對(duì)普通電子防盜器的不足，我們將軍事通信中應(yīng)用的跳頻通信技術(shù)應(yīng)用到汽車智能遙控防盜器的設(shè)計(jì)中。在通信過程中不斷改變雙方的通信頻率，使信息傳遞難以被跟蹤、干擾或截獲、破解，將有效提高防盜系統(tǒng)的安全性和可靠性。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)由車載終端、人持終端兩部分構(gòu)成。車載終端主要完成人機(jī)控制指令的接收?qǐng)?zhí)行，執(zhí)行汽車上鎖解鎖指令，并完成對(duì)汽車防盜信息的檢測(cè)發(fā)送;人持終端主要完成車主對(duì)汽車的上鎖、解鎖的控制指令的發(fā)送，并接收車載終端發(fā)來的汽車相關(guān)報(bào)警信息及指令執(zhí)行情況信息。系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

　　
圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

2 系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　2.1 車載終端的電路設(shè)計(jì)

　　車載終端主要完成汽車防盜信息的監(jiān)測(cè)并將汽車異常狀況信息發(fā)送給車主，接收?qǐng)?zhí)行人持終端控制指令如對(duì)汽車上鎖解鎖等，針對(duì)目前防盜器主要依賴振動(dòng)傳感器檢測(cè)盜竊信息存在不可靠的問題，設(shè)計(jì)了多信息融合的傳感器電路，通過監(jiān)測(cè)車門、車窗、車座位來提高防盜器的可靠性，增加的備用電源管理功能保證防盜器在主電源線被剪的情況下仍能正常工作，主要由主控MCU 模塊、無線跳頻通信模塊、汽車門窗監(jiān)測(cè)、電源監(jiān)控、振動(dòng)檢測(cè)、車內(nèi)是否有人監(jiān)測(cè)模塊構(gòu)成。

　　2.1.1 主控MCU 模塊電路

　　主控MCU 主要負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制，傳感器信息的檢測(cè)處理，跳頻通信模塊的配置、信息發(fā)送接收等，采用C8051F340 實(shí)現(xiàn)。C8051F340 是美國Cygnal 公司的混合信號(hào)系統(tǒng)級(jí)集成芯片， 具有與8051 兼容的高速CIP-51 內(nèi)核，片內(nèi)集成了數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)中常用的模擬、數(shù)字外設(shè)及其他功能部件，內(nèi)部時(shí)鐘頻率可達(dá)到48 MHz。具有增強(qiáng)型的SPI 接口，可方便實(shí)現(xiàn)對(duì)nRF905 的控制。

　　2.1.2 跳頻通信模塊硬件電路

　　跳頻通信模塊硬件電路采用Nordic 公司推出的單片射頻收發(fā)器芯片nRF905 實(shí)現(xiàn)，其功耗非常低，以–10 dBm的輸出功率發(fā)射時(shí)電流只有11 mA，在接收模式時(shí)電流為12.5 mA，傳輸距離大于100 m。工作于433/868/915 MHz3 個(gè)ISM 頻道(可以免費(fèi)使用)。nRF905 可以自動(dòng)完成處理字頭和循環(huán)冗余碼校驗(yàn)的工作，可由片內(nèi)硬件自動(dòng)完成曼徹斯特編碼/解碼，使用SPI 接口與微控制器通信，配置非常方便，性能可靠，并可以實(shí)現(xiàn)人工載波頻率控制，具有128 個(gè)可選頻點(diǎn)，頻點(diǎn)間隔100 kHz，頻點(diǎn)切換時(shí)間為650 μs，可快速實(shí)現(xiàn)頻點(diǎn)切換。使用該芯片可構(gòu)成無線跳頻通信的收發(fā)模塊，模塊電路及單片機(jī)接口電路如圖2，通過PWR_UP,TRX_CE 和TX_EN 與單片機(jī)連接實(shí)現(xiàn)工作模式配置。通過CD,AM,DR 進(jìn)行載波檢測(cè)、地址檢測(cè)、中斷檢測(cè)，通過SPI 接口與單片機(jī)通信實(shí)現(xiàn)載波頻率、通信指令數(shù)據(jù)格式的配置及數(shù)據(jù)的接收。

　　
圖2 nRF905 與單片機(jī)接口電路

　　2.1.3 車門車窗監(jiān)測(cè)模塊

　　通過將光電檢測(cè)二極管置于車門車窗關(guān)口，當(dāng)車門或門窗沒有鎖緊時(shí)，對(duì)應(yīng)的光電檢測(cè)電路會(huì)檢測(cè)到相關(guān)信息，在車內(nèi)無人時(shí)車載終端通過汽車主控接口通知汽車微處理系統(tǒng)啟動(dòng)自動(dòng)關(guān)門關(guān)窗電路，并提醒車主車門或車窗沒有鎖好，在防盜狀態(tài)下車門車窗被打開則發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

　　2.1.4 車內(nèi)有無人檢測(cè)模塊

　　通過放置在汽車座位下的應(yīng)變電阻設(shè)計(jì)的壓力測(cè)量裝置，判斷車內(nèi)是否有人，如車內(nèi)無人，車防盜鎖系統(tǒng)未啟動(dòng)，則延時(shí)1 min 自動(dòng)上鎖;若汽車防盜鎖啟動(dòng)狀態(tài)下，如若有人，即有可能是有人盜車，防盜器立刻進(jìn)行報(bào)警。

　　2.1.5 車外振動(dòng)檢測(cè)模塊

　　車外振動(dòng)檢測(cè)用來檢測(cè)當(dāng)車處于防盜狀態(tài)時(shí)，是否有人對(duì)汽車進(jìn)行碰撞，如有則報(bào)警。它采用了振動(dòng)傳感器Z04B，它是一種高靈敏振動(dòng)模塊, 能檢測(cè)極其微弱的震動(dòng)波;安裝簡便，不受任何角度限制;抗干擾性好，對(duì)外界聲響無反應(yīng)，具有抗雷電及鞭炮干擾能力，輸出為瞬態(tài)脈沖，用來構(gòu)成可靠的汽車振動(dòng)檢測(cè)模塊。

　　2.1.6 電源測(cè)控模塊

　　設(shè)計(jì)了備用電源管理功能，在汽車主電源被剪斷時(shí)，備用電源供電并將該情況反饋給車主，提高防盜系統(tǒng)的安全性和可靠性。

　　2.2 人持終端的電路設(shè)計(jì)

　　人持終端完成對(duì)汽車的上鎖、解鎖等控制指令發(fā)送，并接收車機(jī)發(fā)來的汽車相關(guān)信息，如振動(dòng)情況、車門車窗開關(guān)情況信息，并發(fā)出語音提示。由主控單片機(jī)電路和跳頻通信模塊、人機(jī)接口模塊構(gòu)成，其中主控單片機(jī)電路和跳頻通信模塊與車載終端部分相同。

　　人機(jī)交互接口模塊電路主要由按鍵電路完成人操作指令的發(fā)送，采用LCD 液晶顯示電路使操作更為方便，采用ISD1820 設(shè)計(jì)語音提示電路進(jìn)行報(bào)警提示及車載終端指令執(zhí)行情況提示。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　3.1 nRF905 的配置過程及跳頻通信的實(shí)現(xiàn)

　　3.1.1nRF905 的配置過程

　　如圖2 所示，nRF905 通過CPU 控制nRF905 的3 個(gè)引腳PWR_UP,TRX_CE 和TX_EN 的高低電平來決定其4種工作模式(如表1所示)，通過nRF905 的CD,AM,DR 三個(gè)引腳進(jìn)行載波檢測(cè)、地址檢測(cè)、中斷檢測(cè)，在表1中的前兩種模式下，MCU 通過SPI 接口配置nRF905 的5 個(gè)內(nèi)部寄存器(狀態(tài)寄存器、射頻配置寄存器、發(fā)送地址寄存器、發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器、接收數(shù)據(jù)寄存器)。其中狀態(tài)寄存器包含數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好引腳狀態(tài)信息和地址匹配引腳狀態(tài)信息;射頻配置寄存器包含收發(fā)器配置信息，如頻率和輸出功能等;發(fā)送地址寄存器包含接收機(jī)的地址和數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù);發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器包含待發(fā)送的數(shù)據(jù)包的信息，如字節(jié)數(shù)等;接收數(shù)據(jù)寄存器包含要接收的數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)等信息。

　　表1 nRF905 的工作模式