車載防盜與信息娛樂系統(tǒng)集成設計

　　汽車防盜器是一種安裝在車上，用來增加盜車難度，延長盜車時間的裝置，是汽車的保護神。它通過將防盜裝置與汽車電路配接在一起，從而可以達到防止車輛被盜、被侵犯、保護汽車的目的。隨著計算機網(wǎng)絡和嵌入式技術的發(fā)展，汽車防盜系統(tǒng)由傳統(tǒng)的機械式、電子式防盜裝置向智能化程度更高的網(wǎng)絡式防盜系統(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，形成的車載綜合信息處理系統(tǒng)。IVI能夠實現(xiàn)包括三維導航、實時路況、故障檢測、車輛信息、移動辦公等一系列應用，極大地提升車輛電子化、網(wǎng)絡化和智能化水平。

　　CAN（Controller Area Network）控制器局域網(wǎng)絡，由德國BOSCH公司開發(fā)并最終成為國際標準。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準總線，在汽車分布式控制系統(tǒng)中得到了廣泛的應用，擁有以CAN底層協(xié)議為大型貨車和重工機械車輛設計的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計的方法，有效地利用汽車現(xiàn)有資源，實現(xiàn)了車載電子系統(tǒng)結構和功能上的優(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)集成設計，成本低、結構簡化、功能強大；

　　（2）采用網(wǎng)絡式防盜系統(tǒng)，具有運行穩(wěn)定、實時性強、可靠性高等優(yōu)點；

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

　　1 系統(tǒng)總體設計

　　1.1 系統(tǒng)總體結構

　　本系統(tǒng)由中央控制單元和CAN網(wǎng)絡節(jié)點兩部分組成。中央控制單元選用ST公司生產(chǎn)的STM32F103X微處理器作為核心，結合GPRS 無線通信等技術，實現(xiàn)汽車定位、遠程報警以及信息娛樂功能。CAN 網(wǎng)絡節(jié)點包括油路節(jié)點、發(fā)電機節(jié)點以及DCM（Door ControlModule）車門控制模塊節(jié)點，實現(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)絡節(jié)點間通過CAN總線進行通信。系統(tǒng)的總體結構如圖1所示。

　　圖1 系統(tǒng)總體框圖

　　1.2 防盜功能的實現(xiàn)

　　本系統(tǒng)的防盜功能設計是將DCM 和GPS 定位模塊作為汽車安全狀態(tài)的監(jiān)測節(jié)點。系統(tǒng)設置為防盜模式時，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，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)送到車主手機終端，實現(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無線通信技術將圖像發(fā)送到車主手機終端，輔助GPS對汽車位置進行定位；中央控制器通過CAN總線發(fā)送切斷油路和關閉發(fā)電機的信號，從而有效地避免汽車被盜的事件發(fā)生。

　　1.3 信息娛樂功能的實現(xiàn)

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

　　2 硬件設計

　　系統(tǒng)的硬件設計主要包括兩部分，一個是中央控制單元硬件設計，另一個是CAN 網(wǎng)絡節(jié)點硬件設計。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，為注重功耗和效率的系統(tǒng)提供了可行的設計方案。

　　2.1 中央控制單元硬件設計

　　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，即基本擴展CAN，它支持11 位的BasicCAN 模式及29 位的PeliCAN模式，通信速率高達1 Mb/s，支持時間觸發(fā)通信，具有3 個發(fā)送郵箱，3 級深度的2 個接收FIFO。CAN 收發(fā)器選用NXP 公司的TJA1050，它與“ISO 11898”標準完全兼容，高速度（最高可達1 Mb/s），極低的電磁輻射，沒有供電的節(jié)點不會對總線造成干擾，同時帶有寬共模范圍的差動接收器，抗電磁干擾能力極強，至少可以連接110個節(jié)點，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)絡節(jié)點硬件設計

　　CAN網(wǎng)絡節(jié)點主要包括微處理器STM32F103C8T6，其片上資源及相關接口足以滿足這部分的功能需求，DCM 節(jié)點，油路節(jié)點，發(fā)電機節(jié)點。DCM 采用UN4001中控車鎖，12 V供電，具備360°轉頭，超強力度，防卡死等優(yōu)點，汽車被非法打開時，通過CAN總線發(fā)送報警信號至中央控制單元；系統(tǒng)中發(fā)電機與油路節(jié)點通過CAN 總線接收指令進行動作，設計時只需考慮CAN 信號發(fā)送問題，硬件環(huán)境則進行模擬，發(fā)電機采用130號直流電機，電機通過芯片L298N進行驅動，L298N是ST公司生產(chǎn)的一種高電壓、大電流電機驅動芯片，控制電壓直流為5 V，電機電壓范圍直流為3~46 V，具有過電壓和過電流保護，抗干擾能力強等優(yōu)點；油路節(jié)點利用蜂鳴器代替，由三極管構成蜂鳴器控制電路，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。CAN網(wǎng)絡節(jié)點硬件連接圖如圖3所示。

　　圖3 CAN網(wǎng)絡節(jié)點硬件連接圖

　　2.3 硬件實物圖

　　根據(jù)上述介紹，最終完成的主要硬件圖如圖4所示。

　　圖4 硬件實物圖

　　3 系統(tǒng)軟件設計

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

　　3.1 系統(tǒng)防盜功能程序設計

　　防盜報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，對程序進行初始化，配置相關寄存器和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，當前后兩次定位差值大于50 m時，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)送報警短信至車主手機，并將GPS定位出的汽車位置經(jīng)緯度周期性發(fā)送給車主，實時監(jiān)控汽車位置。之后啟動后車門上的CMOS攝像頭進行拍照，開啟GPRS 功能，將拍攝的照片通過GPRS 網(wǎng)絡周期性發(fā)送至車主手機，輔助GPS 對汽車進行跟蹤。通過CAN 總線，由控制器向汽車油路節(jié)點和發(fā)電機節(jié)點分別發(fā)送切斷油路和關閉發(fā)電機的信號，使汽車不能正常行駛，從而實現(xiàn)汽車防盜報警的功能。

　　3.2 系統(tǒng)信息娛樂功能程序設計

　　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I/O口和寄存器進行配置。然后開啟LCD模塊，進入菜單界面；點擊汽車后視系統(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，選擇文件進行播放；點擊GPS定位服務，GPS定位功能啟動，將汽車位置信息顯示在LCD上；點擊車載電話，GSM通信功能啟動，可以進行撥打電話、發(fā)送短信。圖7是信息娛樂系統(tǒng)人機交互界面。

　　圖7 信息娛樂系統(tǒng)人機交互界面

　　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)電機節(jié)點通過CAN總線與主控單元進行通信，測試步驟如下：

　　（1）中央單元作為發(fā)送節(jié)點，其他節(jié)點作為接收節(jié)點，各個節(jié)點接收中央單元發(fā)出的控制指令，根據(jù)指令給出對應的功能操作。

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

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

　　圖8 是利用GPRS 網(wǎng)絡發(fā)送的圖片，圖9 是GSM 報警短信息。

　　圖8 GPRS網(wǎng)絡信息

　　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播放器四個部分進行測試?？紤]到某些情況下，車主無法通過自帶的移動設備與外界聯(lián)絡，就可以通過車載電話實現(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定位能準確地顯示汽車的經(jīng)緯度，結合Google地圖可以實現(xiàn)汽車導航功能。后視系統(tǒng)在10 km/h車速下進行測試，拍攝畫面清晰、實時性強。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 結語

　　本文提出一種將汽車防盜功能和信息娛樂功能集成設計的方法，并依據(jù)CAN 通信及GPRS通信等技術，有效利用汽車現(xiàn)有資源，設計和實現(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)結構和功能上的優(yōu)化。通過對系統(tǒng)軟硬件的設計及對系統(tǒng)的實際測試，系統(tǒng)信息娛樂部分運行穩(wěn)定、操作簡便，防盜部分具有高速、實時、可靠等優(yōu)點。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)具有較深遠的意義。