车载防盗与信息娱乐系统集成设计

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　　汽车防盗器是一种安装在车上，用来增加盗车难度，延长盗车时间的装置，是汽车的保护神。它通过将防盗装置与汽车电路配接在一起，从而可以达到防止车辆被盗、被侵犯、保护汽车的目的。随着计算机网络和嵌入式技术的发展，汽车防盗系统由传统的机械式、电子式防盗装置向智能化程度更高的网络式防盗系统发展。
　　IVI（In-Vehicle Infotainment）车载信息娱乐系统，是采用车载专用中央处理器，基于车身总线系统和互联网服务，形成的车载综合信息处理系统。IVI能够实现包括三维导航、实时路况、故障检测、车辆信息、移动办公等一系列应用，极大地提升车辆电子化、网络化和智能化水平。
　　CAN（Controller Area Network）控制器局域网络，由德国BOSCH公司开发并最终成为国际标准。在诸多汽车总线中，CAN总线有着重要的地位，是汽车电子装置之间通信的标准总线，在汽车分布式控制系统中得到了广泛的应用，拥有以CAN底层协议为大型货车和重工机械车辆设计的J1939协议。本系统提出一种将汽车防盗功能和信息娱乐功能集成设计的方法，有效地利用汽车现有资源，实现了车载电子系统结构和功能上的优化。
　　与市场上现有系统相比，本系统具有如下优势：
　　（1）防盗和信息娱乐系统集成设计，成本低、结构简化、功能强大；
　　（2）采用网络式防盗系统，具有运行稳定、实时性强、可靠性高等优点；
　　（3）系统CAN 总线部分可以与其他车身电子系统相结合，利于二次开发。
　　1 系统总体设计
　　1.1 系统总体结构
　　本系统由中央控制单元和CAN网络节点两部分组成。中央控制单元选用ST公司生产的STM32F103X微处理器作为核心，结合GPRS 无线通信等技术，实现汽车定位、远程报警以及信息娱乐功能。CAN 网络节点包括油路节点、发电机节点以及DCM（Door ControlModule）车门控制模块节点，实现车辆状态监测与车辆防盗功能。中央控制单元与CAN网络节点间通过CAN总线进行通信。系统的总体结构如图1所示。
　　

　　图1 系统总体框图
　　1.2 防盗功能的实现
　　本系统的防盗功能设计是将DCM 和GPS 定位模块作为汽车安全状态的监测节点。系统设置为防盗模式时，由DCM检测汽车是否被非法入侵，GPS定位检测汽车是否被非法移动。在检测到汽车处于不安全状态时，首先启动GSM/GPRS通信模块，通过中央控制器控制，利用GSM短信息将GPS定位所得汽车位置经纬度发送到车主手机终端，实现对汽车位置的精确定位；然后启动车后摄像头拍摄车后图像，利用GPRS无线通信技术将图像发送到车主手机终端，辅助GPS对汽车位置进行定位；中央控制器通过CAN总线发送切断油路和关闭发电机的信号，从而有效地避免汽车被盗的事件发生。
　　1.3 信息娱乐功能的实现
　　系统设置为正常模式时，LCD 模块显示主菜单界面，通过触摸屏和按键，进行人机交互和功能体验。GSM/GPRS/GPS模块用于实现车载电话、GPS定位等功能；摄像头模块用于实现汽车后视功能；MP3模块用于实现语音播放的功能；LCD模块用于界面显示。
　　2 硬件设计
　　系统的硬件设计主要包括两部分，一个是中央控制单元硬件设计，另一个是CAN 网络节点硬件设计。本系统微控制器选用基于Cortex?M3 内核的ARM 微控制器STM32F103X，具有低成本、低功耗等特点，为注重功耗和效率的系统提供了可行的设计方案。
　　2.1 中央控制单元硬件设计
　　中央控制部分主要包括微处理器STM32F103ZET6，通过SPI1 接口与微控制器连接的MP3 模块，该模块核心为VLSI 公司生产的VS1053，是一款高性能、低功耗的解码芯片；通过SPI2 接口与微控制器连接的LCD 显示模块；通过SCCB 接口与微控制器连接的摄像头模块，该模块核心为OV公司生产的OV7670，体积小、工作电压低，提供单片VGA 摄像头和影像处理器的所有功能；通过USART接口与微控制器连接的GSM/GPRS/GPS模块，该模块的核心为SIM公司生产的SIM900A，性能稳定、外观精巧、功耗低；STM32自带bxCAN，即基本扩展CAN，它支持11 位的BasicCAN 模式及29 位的PeliCAN模式，通信速率高达1 Mb/s，支持时间触发通信，具有3 个发送邮箱，3 级深度的2 个接收FIFO。CAN 收发器选用NXP 公司的TJA1050，它与“ISO 11898”标准完全兼容，高速度（最高可达1 Mb/s），极低的电磁辐射，没有供电的节点不会对总线造成干扰，同时带有宽共模范围的差动接收器，抗电磁干扰能力极强，至少可以连接110个节点，非常适合本系统。中央控制部分的硬件连接图如图2所示。
　　

　　图2 中央控制部分硬件连接图
　　2.2 CAN网络节点硬件设计
　　CAN网络节点主要包括微处理器STM32F103C8T6，其片上资源及相关接口足以满足这部分的功能需求，DCM 节点，油路节点，发电机节点。DCM 采用UN4001中控车锁，12 V供电，具备360°转头，超强力度，防卡死等优点，汽车被非法打开时，通过CAN总线发送报警信号至中央控制单元；系统中发电机与油路节点通过CAN 总线接收指令进行动作，设计时只需考虑CAN 信号发送问题，硬件环境则进行模拟，发电机采用130号直流电机，电机通过芯片L298N进行驱动，L298N是ST公司生产的一种高电压、大电流电机驱动芯片，控制电压直流为5 V，电机电压范围直流为3~46 V，具有过电压和过电流保护，抗干扰能力强等优点；油路节点利用蜂鸣器代替，由三极管构成蜂鸣器控制电路，通过PB0输出端口的高低电平来改变蜂鸣器的状态，从而模拟油路的开关。CAN网络节点硬件连接图如图3所示。
　　

　　图3 CAN网络节点硬件连接图
　　2.3 硬件实物图
　　根据上述介绍，最终完成的主要硬件图如图4所示。
　　

　　图4 硬件实物图
　　3 系统软件设计
　　系统的软件设计主要包含两部分：防盗部分的设计及信息娱乐部分的设计。
　　3.1 系统防盗功能程序设计
　　防盗报警部分的程序流程图如图5所示。
　　

　　图5 防盗功能程序流程图
　　如图5所示，系统上电后，对程序进行初始化，配置相关寄存器和I/O口。开启防盗模式，GPS定位和DCM开始工作，GPS定位值30 s刷新一次，当前后两次定位差值大于50 m时，车辆被盗；防盗模式下，DCM 检测到车门被打开，车辆被盗。确定车辆被盗后，启动GSM通信功能，发送报警短信至车主手机，并将GPS定位出的汽车位置经纬度周期性发送给车主，实时监控汽车位置。之后启动后车门上的CMOS摄像头进行拍照，开启GPRS 功能，将拍摄的照片通过GPRS 网络周期性发送至车主手机，辅助GPS 对汽车进行跟踪。通过CAN 总线，由控制器向汽车油路节点和发电机节点分别发送切断油路和关闭发电机的信号，使汽车不能正常行驶，从而实现汽车防盗报警的功能。
　　3.2 系统信息娱乐功能程序设计
　　信息娱乐部分的程序流程图如图6所示。
　　

　　图6 信息娱乐程序流程图
　　如图6所示，系统上电后，首先初始化子程序，对相关I/O口和寄存器进行配置。然后开启LCD模块，进入菜单界面；点击汽车后视系统，摄像头模块启动，将车后影像显示在LCD上；点击MP3播放器，系统开始搜索SD卡中的语音播放文件，选择文件进行播放；点击GPS定位服务，GPS定位功能启动，将汽车位置信息显示在LCD上；点击车载电话，GSM通信功能启动，可以进行拨打电话、发送短信。图7是信息娱乐系统人机交互界面。
　　

　　图7 信息娱乐系统人机交互界面
　　4 系统测试
　　4.1 防盗功能测试及分析
　　系统防盗功能的测试包括CAN通信测试和中央单元测试。DCM、油路、发电机节点通过CAN总线与主控单元进行通信，测试步骤如下：
　　（1）中央单元作为发送节点，其他节点作为接收节点，各个节点接收中央单元发出的控制指令，根据指令给出对应的功能操作。
　　（2）中央单元作为接收节点，DCM 作为发送节点，向中央单元发送反馈指令，中央单元根据指令给出对应的功能操作。中央单元测试主要是对GSM/GPRS 报警功能进行测试，在系统检测到汽车被盗时，启用GSM通信功能，发送报警短信至车主手机，并将GPS定位出的汽车位置经纬度周期性发送给车主。
　　（3）开启GPRS功能，将车后摄像头拍摄的照片通过GPRS网络周期性发送至车主手机终端。
　　图8 是利用GPRS 网络发送的图片，图9 是GSM 报警短信息。
　　

　　图8 GPRS网络信息
　　

　　图9 GSM短信息
　　4.2 信息娱乐功能测试及分析
　　系统信息娱乐功能测试，主要是对车载电话、GPS定位、后视系统、MP3播放器四个部分进行测试。考虑到某些情况下，车主无法通过自带的移动设备与外界联络，就可以通过车载电话实现拨打电话和发送短信的功能，作为车主的备用电话来使用。GPS定位能准确地显示汽车的经纬度，结合Google地图可以实现汽车导航功能。后视系统在10 km/h车速下进行测试，拍摄画面清晰、实时性强。MP3播放器音量输出幅值高，声音饱满，操作简便。图10是车载电话的操作界面。
　　

　　图10 车载电话
　　5 结语
　　本文提出一种将汽车防盗功能和信息娱乐功能集成设计的方法，并依据CAN 通信及GPRS通信等技术，有效利用汽车现有资源，设计和实现了一套集汽车防盗、信息娱乐功能于一体的智能化系统，完成了车载电子系统结构和功能上的优化。通过对系统软硬件的设计及对系统的实际测试，系统信息娱乐部分运行稳定、操作简便，防盗部分具有高速、实时、可靠等优点。本系统CAN 总线部分可以与车身其他电子系统相互通信，对车载电子系统的开发具有较深远的意义。

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