車載防盜與信息娛樂系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)

　　汽車防盜器是一種安裝在車上，用來增加盜車難度，延長盜車時(shí)間的裝置，是汽車的保護(hù)神。它通過將防盜裝置與汽車電路配接在一起，從而可以達(dá)到防止車輛被盜、被侵犯、保護(hù)汽車的目的。隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和嵌入式技術(shù)的發(fā)展，汽車防盜系統(tǒng)由傳統(tǒng)的機(jī)械式、電子式防盜裝置向智能化程度更高的網(wǎng)絡(luò)式防盜系統(tǒng)發(fā)展。

　　IVI（In-Vehicle Infotainment）車載信息娛樂系統(tǒng)，是采用車載專用中央處理器，基于車身總線系統(tǒng)和互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)，形成的車載綜合信息處理系統(tǒng)。IVI能夠?qū)崿F(xiàn)包括三維導(dǎo)航、實(shí)時(shí)路況、故障檢測、車輛信息、移動辦公等一系列應(yīng)用，極大地提升車輛電子化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化水平。

　　CAN（Controller Area Network）控制器局域網(wǎng)絡(luò)，由德國BOSCH公司開發(fā)并最終成為國際標(biāo)準(zhǔn)。在諸多汽車總線中，CAN總線有著重要的地位，是汽車電子裝置之間通信的標(biāo)準(zhǔn)總線，在汽車分布式控制系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用，擁有以CAN底層協(xié)議為大型貨車和重工機(jī)械車輛設(shè)計(jì)的J1939協(xié)議。本系統(tǒng)提出一種將汽車防盜功能和信息娛樂功能集成設(shè)計(jì)的方法，有效地利用汽車現(xiàn)有資源，實(shí)現(xiàn)了車載電子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能上的優(yōu)化。

　　與市場上現(xiàn)有系統(tǒng)相比，本系統(tǒng)具有如下優(yōu)勢：

　?。?）防盜和信息娛樂系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)，成本低、結(jié)構(gòu)簡化、功能強(qiáng)大；

　　（2）采用網(wǎng)絡(luò)式防盜系統(tǒng)，具有運(yùn)行穩(wěn)定、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)；

　?。?）系統(tǒng)CAN 總線部分可以與其他車身電子系統(tǒng)相結(jié)合，利于二次開發(fā)。

　　1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

　　1.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

　　本系統(tǒng)由中央控制單元和CAN網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)兩部分組成。中央控制單元選用ST公司生產(chǎn)的STM32F103X微處理器作為核心，結(jié)合GPRS 無線通信等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)汽車定位、遠(yuǎn)程報(bào)警以及信息娛樂功能。CAN 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)包括油路節(jié)點(diǎn)、發(fā)電機(jī)節(jié)點(diǎn)以及DCM（Door ControlModule）車門控制模塊節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)車輛狀態(tài)監(jiān)測與車輛防盜功能。中央控制單元與CAN網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間通過CAN總線進(jìn)行通信。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　圖1 系統(tǒng)總體框圖

　　1.2 防盜功能的實(shí)現(xiàn)

　　本系統(tǒng)的防盜功能設(shè)計(jì)是將DCM 和GPS 定位模塊作為汽車安全狀態(tài)的監(jiān)測節(jié)點(diǎn)。系統(tǒng)設(shè)置為防盜模式時(shí)，由DCM檢測汽車是否被非法入侵，GPS定位檢測汽車是否被非法移動。在檢測到汽車處于不安全狀態(tài)時(shí)，首先啟動GSM/GPRS通信模塊，通過中央控制器控制，利用GSM短信息將GPS定位所得汽車位置經(jīng)緯度發(fā)送到車主手機(jī)終端，實(shí)現(xiàn)對汽車位置的精確定位；然后啟動車后攝像頭拍攝車后圖像，利用GPRS無線通信技術(shù)將圖像發(fā)送到車主手機(jī)終端，輔助GPS對汽車位置進(jìn)行定位；中央控制器通過CAN總線發(fā)送切斷油路和關(guān)閉發(fā)電機(jī)的信號，從而有效地避免汽車被盜的事件發(fā)生。

　　1.3 信息娛樂功能的實(shí)現(xiàn)

　　系統(tǒng)設(shè)置為正常模式時(shí)，LCD 模塊顯示主菜單界面，通過觸摸屏和按鍵，進(jìn)行人機(jī)交互和功能體驗(yàn)。GSM/GPRS/GPS模塊用于實(shí)現(xiàn)車載電話、GPS定位等功能；攝像頭模塊用于實(shí)現(xiàn)汽車后視功能；MP3模塊用于實(shí)現(xiàn)語音播放的功能；LCD模塊用于界面顯示。

　　2 硬件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)主要包括兩部分，一個(gè)是中央控制單元硬件設(shè)計(jì)，另一個(gè)是CAN 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)微控制器選用基于Cortex？M3 內(nèi)核的ARM 微控制器STM32F103X，具有低成本、低功耗等特點(diǎn)，為注重功耗和效率的系統(tǒng)提供了可行的設(shè)計(jì)方案。

　　2.1 中央控制單元硬件設(shè)計(jì)

　　中央控制部分主要包括微處理器STM32F103ZET6，通過SPI1 接口與微控制器連接的MP3 模塊，該模塊核心為VLSI 公司生產(chǎn)的VS1053，是一款高性能、低功耗的解碼芯片；通過SPI2 接口與微控制器連接的LCD 顯示模塊；通過SCCB 接口與微控制器連接的攝像頭模塊，該模塊核心為OV公司生產(chǎn)的OV7670，體積小、工作電壓低，提供單片VGA 攝像頭和影像處理器的所有功能；通過USART接口與微控制器連接的GSM/GPRS/GPS模塊，該模塊的核心為SIM公司生產(chǎn)的SIM900A，性能穩(wěn)定、外觀精巧、功耗低；STM32自帶bxCAN，即基本擴(kuò)展CAN，它支持11 位的BasicCAN 模式及29 位的PeliCAN模式，通信速率高達(dá)1 Mb/s，支持時(shí)間觸發(fā)通信，具有3 個(gè)發(fā)送郵箱，3 級深度的2 個(gè)接收FIFO。CAN 收發(fā)器選用NXP 公司的TJA1050，它與“ISO 11898”標(biāo)準(zhǔn)完全兼容，高速度（最高可達(dá)1 Mb/s），極低的電磁輻射，沒有供電的節(jié)點(diǎn)不會對總線造成干擾，同時(shí)帶有寬共模范圍的差動接收器，抗電磁干擾能力極強(qiáng)，至少可以連接110個(gè)節(jié)點(diǎn)，非常適合本系統(tǒng)。中央控制部分的硬件連接圖如圖2所示。

　　圖2 中央控制部分硬件連接圖

　　2.2 CAN網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

　　CAN網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)主要包括微處理器STM32F103C8T6，其片上資源及相關(guān)接口足以滿足這部分的功能需求，DCM 節(jié)點(diǎn)，油路節(jié)點(diǎn)，發(fā)電機(jī)節(jié)點(diǎn)。DCM 采用UN4001中控車鎖，12 V供電，具備360°轉(zhuǎn)頭，超強(qiáng)力度，防卡死等優(yōu)點(diǎn)，汽車被非法打開時(shí)，通過CAN總線發(fā)送報(bào)警信號至中央控制單元；系統(tǒng)中發(fā)電機(jī)與油路節(jié)點(diǎn)通過CAN 總線接收指令進(jìn)行動作，設(shè)計(jì)時(shí)只需考慮CAN 信號發(fā)送問題，硬件環(huán)境則進(jìn)行模擬，發(fā)電機(jī)采用130號直流電機(jī)，電機(jī)通過芯片L298N進(jìn)行驅(qū)動，L298N是ST公司生產(chǎn)的一種高電壓、大電流電機(jī)驅(qū)動芯片，控制電壓直流為5 V，電機(jī)電壓范圍直流為3~46 V，具有過電壓和過電流保護(hù)，抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)；油路節(jié)點(diǎn)利用蜂鳴器代替，由三極管構(gòu)成蜂鳴器控制電路，通過PB0輸出端口的高低電平來改變蜂鳴器的狀態(tài)，從而模擬油路的開關(guān)。CAN網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)硬件連接圖如圖3所示。

　　圖3 CAN網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)硬件連接圖

　　2.3 硬件實(shí)物圖

　　根據(jù)上述介紹，最終完成的主要硬件圖如圖4所示。

　　圖4 硬件實(shí)物圖

　　3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要包含兩部分：防盜部分的設(shè)計(jì)及信息娛樂部分的設(shè)計(jì)。

　　3.1 系統(tǒng)防盜功能程序設(shè)計(jì)

　　防盜報(bào)警部分的程序流程圖如圖5所示。

　　圖5 防盜功能程序流程圖

　　如圖5所示，系統(tǒng)上電后，對程序進(jìn)行初始化，配置相關(guān)寄存器和I/O口。開啟防盜模式，GPS定位和DCM開始工作，GPS定位值30 s刷新一次，當(dāng)前后兩次定位差值大于50 m時(shí)，車輛被盜；防盜模式下，DCM 檢測到車門被打開，車輛被盜。確定車輛被盜后，啟動GSM通信功能，發(fā)送報(bào)警短信至車主手機(jī)，并將GPS定位出的汽車位置經(jīng)緯度周期性發(fā)送給車主，實(shí)時(shí)監(jiān)控汽車位置。之后啟動后車門上的CMOS攝像頭進(jìn)行拍照，開啟GPRS 功能，將拍攝的照片通過GPRS 網(wǎng)絡(luò)周期性發(fā)送至車主手機(jī)，輔助GPS 對汽車進(jìn)行跟蹤。通過CAN 總線，由控制器向汽車油路節(jié)點(diǎn)和發(fā)電機(jī)節(jié)點(diǎn)分別發(fā)送切斷油路和關(guān)閉發(fā)電機(jī)的信號，使汽車不能正常行駛，從而實(shí)現(xiàn)汽車防盜報(bào)警的功能。

　　3.2 系統(tǒng)信息娛樂功能程序設(shè)計(jì)

　　信息娛樂部分的程序流程圖如圖6所示。

　　圖6 信息娛樂程序流程圖

　　如圖6所示，系統(tǒng)上電后，首先初始化子程序，對相關(guān)I/O口和寄存器進(jìn)行配置。然后開啟LCD模塊，進(jìn)入菜單界面；點(diǎn)擊汽車后視系統(tǒng)，攝像頭模塊啟動，將車后影像顯示在LCD上；點(diǎn)擊MP3播放器，系統(tǒng)開始搜索SD卡中的語音播放文件，選擇文件進(jìn)行播放；點(diǎn)擊GPS定位服務(wù)，GPS定位功能啟動，將汽車位置信息顯示在LCD上；點(diǎn)擊車載電話，GSM通信功能啟動，可以進(jìn)行撥打電話、發(fā)送短信。圖7是信息娛樂系統(tǒng)人機(jī)交互界面。

　　圖7 信息娛樂系統(tǒng)人機(jī)交互界面

　　4 系統(tǒng)測試

　　4.1 防盜功能測試及分析

　　系統(tǒng)防盜功能的測試包括CAN通信測試和中央單元測試。DCM、油路、發(fā)電機(jī)節(jié)點(diǎn)通過CAN總線與主控單元進(jìn)行通信，測試步驟如下：

　?。?）中央單元作為發(fā)送節(jié)點(diǎn)，其他節(jié)點(diǎn)作為接收節(jié)點(diǎn)，各個(gè)節(jié)點(diǎn)接收中央單元發(fā)出的控制指令，根據(jù)指令給出對應(yīng)的功能操作。

　　（2）中央單元作為接收節(jié)點(diǎn)，DCM 作為發(fā)送節(jié)點(diǎn)，向中央單元發(fā)送反饋指令，中央單元根據(jù)指令給出對應(yīng)的功能操作。中央單元測試主要是對GSM/GPRS 報(bào)警功能進(jìn)行測試，在系統(tǒng)檢測到汽車被盜時(shí)，啟用GSM通信功能，發(fā)送報(bào)警短信至車主手機(jī)，并將GPS定位出的汽車位置經(jīng)緯度周期性發(fā)送給車主。

　?。?）開啟GPRS功能，將車后攝像頭拍攝的照片通過GPRS網(wǎng)絡(luò)周期性發(fā)送至車主手機(jī)終端。

　　圖8 是利用GPRS 網(wǎng)絡(luò)發(fā)送的圖片，圖9 是GSM 報(bào)警短信息。

　　圖8 GPRS網(wǎng)絡(luò)信息

　　圖9 GSM短信息

　　4.2 信息娛樂功能測試及分析

　　系統(tǒng)信息娛樂功能測試，主要是對車載電話、GPS定位、后視系統(tǒng)、MP3播放器四個(gè)部分進(jìn)行測試?？紤]到某些情況下，車主無法通過自帶的移動設(shè)備與外界聯(lián)絡(luò)，就可以通過車載電話實(shí)現(xiàn)撥打電話和發(fā)送短信的功能，作為車主的備用電話來使用。GPS定位能準(zhǔn)確地顯示汽車的經(jīng)緯度，結(jié)合Google地圖可以實(shí)現(xiàn)汽車導(dǎo)航功能。后視系統(tǒng)在10 km/h車速下進(jìn)行測試，拍攝畫面清晰、實(shí)時(shí)性強(qiáng)。MP3播放器音量輸出幅值高，聲音飽滿，操作簡便。圖10是車載電話的操作界面。

　　圖10 車載電話

　　5 結(jié)語

　　本文提出一種將汽車防盜功能和信息娛樂功能集成設(shè)計(jì)的方法，并依據(jù)CAN 通信及GPRS通信等技術(shù)，有效利用汽車現(xiàn)有資源，設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了一套集汽車防盜、信息娛樂功能于一體的智能化系統(tǒng)，完成了車載電子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能上的優(yōu)化。通過對系統(tǒng)軟硬件的設(shè)計(jì)及對系統(tǒng)的實(shí)際測試，系統(tǒng)信息娛樂部分運(yùn)行穩(wěn)定、操作簡便，防盜部分具有高速、實(shí)時(shí)、可靠等優(yōu)點(diǎn)。本系統(tǒng)CAN 總線部分可以與車身其他電子系統(tǒng)相互通信，對車載電子系統(tǒng)的開發(fā)具有較深遠(yuǎn)的意義。