摘 要： 针对目前车辆防盗设备存在的问题，提出了一种成本低、功能强的车载防盗追踪装置设计方案。在完成系统整体方案和以STM32F103为核心的低成本车载装置硬件框架设计的基础上，分别设计了该装置的图像获取和GPS定位的软件。最后，粗略估算了该装置各元件的成本，从而显现出该设备的低成本。实验证明, 本装置稳定可靠、灵活性好、互动性强、体积小、成本低、通信效率高，对车载防盗系统的进一步应用有一定参考价值和市场应用前景。
关键词： 车载防盗追踪装置；摄像头；全球定位系统；通用分组无线业务；低成本
随着中国经济的发展、人民生活水平的提高，汽车已进入百姓家庭，但随之而来的盗窃案也在逐渐增加。现有的汽车防盗产品虽然具备了高科技、GPS定位等新功能，但是大多数并没有达到实时准确地监控效果。例如声光报警，一旦人车超过一定距离，难以起到报警作用。而移动通信技术的迅猛发展以及智能终端的广泛普及，利用智能终端和无线通信技术来实现车辆防盗有着广泛的理论和实践前景[1-3]。
本文设计的互动式低成本车载防盗追踪装置充分利用了嵌入式技术、智能终端应用软件和GPRS无线通信技术，其区别于一般报警系统，最大优点是能实现双向通信和不受地理范围的限制[4-5]，车主可以远程遥控车载防盗装置以及通过车内摄像头及时了解车内信息。此外，车主还可以通过车辆追踪软件实现对汽车定位、规划当前最佳追捕路径等功能，这是传统汽车防盗系统所不具备的新功能。
1 车载防盗追踪系统整体设计
整个系统由车载防盗追踪装置、 GPRS无线网络和手机终端3部分组成，系统结构图如图1所示。
车载防盗追踪装置是整个系统的关键，它由微控制器、摄像头、GPRS模块、GPS模块以及一些外围电路构成，本车载装置可以实现车内图像的实时采集，定位数据的接收、处理和发送，以及人车互动式操作。
该防盗追踪系统的工作过程如下。当异常情况发生时，车载防盗追踪装置向车主手机终端发送报警信息，车主根据手机终端软件实现与车载防盗追踪装置的实时互动。若车主需要获取当前汽车内部的实时图像信息，车载防盗追踪装置接收到车主请求命令后，调用摄像头进行图像数据的采集，然后通过GPRS无线通信网络[6]传递给车主当前汽车内部实时图像信息。若汽车被盗，车主可以让车载防盗追踪装置获取当前GPS位置信息，车载装置调用GPS采集模块，并将采集的GPS位置信息传递至车主手机终端，以此来完成对被盗汽车的追踪定位。
2 低成本车载防盗追踪装置硬件设计
该低成本车载防盗追踪装置以STM32F103微控制器为核心，在微控制器上连接传感器模块、电源模块、GPS模块、GPRS通信模块、用户面板、图像采集模块及声光报警器。装置的硬件设计框图如图2所示。
车载防盗追踪装置不同的功能依托对应的功能模块来完成，微控制器是整个嵌入式防盗装置的核心，负责信息交换处理等工作；传感器模块用于检测汽车的异常信号；电源模块用于给嵌入式防盗装置提供所需要的电源；GPS模块用于收集汽车的GPS数据；用户面板用于设置嵌入式车载防盗装置的工作参数及相应的信息显示；图像采集模块负责采集汽车内部图像；声光报警器用于在检测到异常信号时发出声光报警；GPRS通信模块用于实现嵌入式防盗装置和手持终端的通信。图3为主要功能模块的硬件设计电路图。
2.1 STM32F103模块
STM32F103系列微处理器是首款基于ARMv7-M体系结构的32 bit标准RISC(精简指令集)处理器，能提供很高的代码效率，能够在8 bit和16 bit系统的存储空间上发挥ARM内核的高性能。该微处理器工作频率为72 MHz，内置高达20 KB的SRAM和128 KB的Flash存储器，芯片集成有CAN，多个定时器，ADC、SPI、I2C、USB和UART等多种功能，以及丰富的通用I/O端口。丰富的片上资源使得STM32F103系列微处理器在手持终端、报警系统以及视频对讲等领域有着强大的发展潜力。
2.2 GPS模块
在进行卫星GPS定位计算时，以所观测到的4颗卫星的瞬时位置作为已知数据，通过一定的方法测定这4颗以上卫星在此瞬间位置以及它们分别至该观测点接收机的距离，利用距离交会法解算出观测点P的位置及接收机钟差δt。
设计中GPS模块由GPS Antenna G-503和REB_1315组成，用于收集汽车GPS数据。
2.3 GPRS模块
GPRS网络是基于GSM网络来实现的，它采用与GSM相同的频段、频宽、突发结构、调制标准、跳频规则以及TDMA帧结构。在GSM的基础上引入了分组控制单元(PCU)、服务支持节点(SGSN)和网关支持节点(GGSN)等新部件而构成的无线数据传输系统[6]，其用户能够在端到端分组方式下发送和接收数据。
本装置采用GPRS模块为M10，通过串口1将有关的AT指令发送到无线网络模块中，无线网络模块收到指令作出响应并向串口1返回结果码。本装置中使用的主要AT指令如下。
AT_CIPMUX[]="AT+CIPMUX=0" //使用单路连接
AT_CIPMODE[]="AT+CIPMODE=0" //TCPIP以非透明方式传输入
AT_QISEND[]="AT+QISEND" //GPRS文本发送
AT_QIOPEN[]="AT+QIOPEN=" //开始连接
AT_CIPSTATUS[]="AT+CIPSTATUS" //GPRS状态查询
AT_QFUPL[]= "AT+QFUPL="pic.jpg",2644 //上传图片
AT_QFDEL[]="AT+QFDEL=" pic.jpg" //删除图片
AT_QMMSCS[]="AT+QMMSCS=" //+QMMSCS: ("ASCII","UTF8","UCS2","GBK"),(0,1)
AT_QICSGP[]="AT+QICSGP=1," //彩信接入方式
AT_QMMSEND[]="AT+QMMSEND=1" //发送彩信
2.4 摄像头模块
景物通过镜头将生成的光学图像投射到图像传感器表面上，然后转为电信号，经过模数转换后变为数字图像信号，再送到数字信号处理芯片中加工处理，最后通过接口等方式传输到电脑中处理，通过显示器就可以看到图像。本装置摄像头采用日常生活常见的USB摄像头。
3 装置软件设计及系统实现
3.1 装置运行的软件实现
装置控制软件采用微控制器嵌入式C进行编写，软件的重点在于传感器(震动、红外)检测部分和GPRS无线通信部分的编写。当传感器检测到的信号强度和次数达到报警次数时，首先启动声光报警吓阻盗窃发生，同时通过GPRS通信模块发送报警信息到车主的手机终端，车主可以通过手机终端的车辆追踪软件与车载防盗追踪装置互动式操作。例如，车主可以通过手机终端的追踪软件向车载装置发送获取汽车内部图像或GPS位置等指令，当汽车接收到车主请求指令后启动相应的功能模块，然后通过3G网络向车主回复其需要的相关信息，以方便车主做下一步的决策。装置运行的主要软件流程如图4所示。
该部分的实现主要由以下函数构成。
uchar Send_AT_Command(char *str_at ) //发送AT命令
void Initialize_Model(char* ptr1_at) //初始化SIM卡PIN
uchar READ_TEL(char* ptr1_at,uchar id) //读SIM卡里面的电话号码
uchar CPMS_SM(char* ptr1_at ) //阅读接收短信内容
uchar read_sms(char* ptr1_at,char* ptr1_code,char* ptr_tel)
//分析短信内容并处理
uchar pdu_set(char* ptr1_at,char* ptr1_code1,char* ptr_tel)
GPRS //GPRS模块发送中文短信
uchar PHONE_RD(char *ptr1_at,char *str,uchar id )
//分析来信息的电话号码
uchar jpg_read (char* ptr1_at,char* ptr1_code)
//摄像头拍照及上传照片
uchar mms_send(char* ptr1_at,char* ptr1_code,char* ptr_tel)
//彩信发送处理
uchar Read_Call_ID(char* ptr1_at,char* ptr1_tel)
//读出来电显示的号码
void GPS_READ(char* ptr1_code ) //读取GPS数据
3.2 GPS定位与图像获取的软件实现
在该系统中，车主可以向车载防盗追踪装置发送获取GPS位置以及获取车内实时图像等功能操作。
车载防盗追踪装置接收到短信后，首先分析是否为车主号码，如果是，判断车主短信指令内容，然后启动GPS模块定位。
本装置中GPS通信接口协议采用美国NMEA 0183 ASCII码协议，GPS数据由帧头、帧尾和帧内数据构成。当帧头数据不相同时，帧内数据也将不相同。分析数据帧的内容，可以得到GPS数据的经纬度信息和时间信息[6-7]。其中GPS数据帧的格式如下所示：
$GPGGA、<1>、<2>、<3>、<4>、<5>、<6>、<7>、<8>、<9>、M,<10>、<11>、<12>*hh<CR><LF>。
在解析GPS数据时，需要判别ASCII码的帧头是否是“GPGGA”，若检验无误，则确定本帧数据是可用数据，然后回复GPS经纬度信息和时间信息至车主的手机终端[8]。获取GPS位置信息软件流程如图5(a)所示。
该部分的实现主要包括：
void GPS_READ(char* ptr1_code ) //GPS数据的获取
void GPS_Safe(char *ptr1_at, char* ptr1_code, char *ptr_tel)
//GPS位置变动监测
摄像头主要功能是作为车内实时图像的获取，通过GPRS无线网络向车主发送车内实时图片，辅助车主对当前车内财物损失作出下一步判断决定。图5(b)为车载防盗追踪装置执行获取车内实时彩色信息的软件流程图。
该部分的实现主要由3个函数构成。
unsigned char Com_command(char *Cmd1,unsigned char type)
//负责指令功能
unsigned int jpg_ok(char *pc_buff_tmp) //负责拍照功能
unsigned int EE_02_OK(char *com1_int ,uint ID) //负责图片分包读取功能
3.3 系统测试
系统平台搭建完成后，向车载防盗追踪装置导入代码，测试手机终端是HTC G1智能手机。车辆追踪软件安装完成后，首先对该软件进行设置，“车的号码”需要输入车载防盗追踪装置SIM卡的电话号码，为了防止用户的误操作或其他人员的破坏，号码设置前需要输入正确的密码。软件界面及设置如图6所示。
点击“获取信息”按键会进入图6(a)所示软件界面，当点击“车的位置”时，手机终端会向汽车上的防盗追踪装置发送获取GPS信息命令，然后汽车回复其所在的GPS地址给用户的手机终端，例如回复给手持终端的GPS信息为21.6778,106.898，并自动将其显示在百度地图中。规划路线就是根据用户所在位置与汽车所在位置规划的一条最优路线，以方便用户最快速度找到丢失的车辆。此外，点击获取车内信息，车载装置会启动图像采集模块采集图像，并以彩信的形式将车内的图像信息通过GPRS无线网络传递给用户，以方便用户判断汽车受损情况及下一步操作。若车无任何异状，则用户的手机客户端不会收到任何消息，避免了该系统对用户的打扰，如图7所示，其中图7(a)为车载防盗追踪系统采集GPS数据返回至手机终端结合百度地图生成的车辆移动路径图，图7(b)为车载防盗追踪装置通过GPRS网络传递至手机终端的报警短信及彩信状态图。
4 装置成本分析
结合阿里巴巴各电子元器件报价，表1为本车载防盗追踪装置主要元器件的价格。
从表1可以看出，该装置的主要成本为：主控芯片STM32F103C8T6、GPRS通信模块M10、GPS定位模块REB_1315、摄像头和PCB电路板。再加上其他外围电路需要的电阻电容、三极管、存储芯片等小器件，以及考虑人工成本等因素，该装置量产成本估计在157.3元，与现有的车载防盗系统相比，该装置在功能大幅度提升的同时，价格十分低廉，必将有着非常好的商业应用前景。如果将GPRS模块升级为WCDMA 3G通信模块，成本仅需增加100元左右，量产成本仍然十分低廉。
本文通过利用摄像头、GPS定位、GPRS无线通信，并结合传统的车载报警，设计了一种互动式低成本车载防盗追踪装置，给出了该装置的硬件结构及主要功能模块，分析了系统工作流程及主要模块的软件实现。从实验结果可以看出，本系统能够实现车辆的实时防盗功能以及对失窃车辆的跟踪功能。经过多次测试，该装置稳定可靠，实时性高，人车互动性强，是一种方便实用、成本极低的车辆安全解决方案。
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