互动式低成本车载防盗追踪装置实现_刘紫燕.pdf.doc

硬件纵横 Hardware Technique互动式低成本车载防盗追踪装置实现*刘紫燕，冯亮，郭国典，王盈喜，盛典林，仝一君( 贵州大学 电子信息学院，贵州 贵阳 550025 )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 ；低成本中图分类号：TP273.5 文献标识码：A文章编号：1674-7720(2014)17-0033-04Redization of interactive and low-cost anti-theft vehicle tracking deviceLiu Ziyan，Feng Liang，Guo Guodian，Wang Yingxi，Sheng Dianlin，Tong Yijun(School of Electronics and Information, Guizhou University, Guiyang 550025, China)Abstract: For solving the problems of current anti-theft vehicle devices, an anti- theft vehicle tracking device of low cost and powerful functions is presented. After designing the anti- theft vehicle tracking device, it introduces its hardware framework, which is mainly built up by a STM32F103.It also develops the software of image acquisition and GPS. The production cost is not high through the estimated amount of the main entities. The experiments results show that this device is stable, flecible, interative, small, low-cost and effective, the advantages of the system have a practical value in market application of the embedded anti-theft systems in the future.Keywords: anti-theft vehicle tracking device; camera; GPS; GPRS; low-cost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* 贵州省科学技术基金资助项目（黔科合 J 字 20112193 号）；贵州大学青 年自然科学基金 (2010) 035)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。GPS 数据GPRS微控制器模块摄像头无线手机终端图 1 系统整体设计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微型机与应用2014年第 33 卷第17 期 欢迎网上投稿 33硬件纵横 Hardware Technique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。传感器（震动、红外）GPS 模块STM32F103GPRA微控制器通信模块用户面板图像采集模块声光报警器图 2 装置硬件整体框图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 t。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图 3 主要功能模块硬件电路原理图34微型机与应用2014年第 33 卷第17 期硬件纵横 Hardware Technique单元 (PCU)、服务支持节点 (SGSN) 和网关支持节点 (GGSN)uchar pdu_set(char* ptr1_at,char* ptr1_code1,char* ptr_tel)等新部件而构成的无线数据传输系统 6，其用户能够在GPRS /GPRS 模块发送中文短信端到端分组方式下发送和接收数据。uchar PHONE_RD(char *ptr1_at,char *str,uchar id )本装置采用 GPRS 模块为 M10，通过串口 1 将有关/ 分析来信息的电话号码的 AT 指令发送到无线网络模块中，无线网络模块收到指uchar jpg_read (char* ptr1_at,char* ptr1_code)令作出响应并向串口 1 返回结果码。本装置中使用的主/ 摄像头拍照及上传照片要 AT 指令如下。/ 使用单路连接uchar mms_send(char* ptr1_at,char* ptr1_code,char* ptr_tel)AT_CIPMUX=AT+CIPMUX=0/ 彩信发送处理AT_CIPMODE=AT+CIPMODE=0 /TCPIP 以非透明方式uchar Read_Call_ID(char* ptr1_at,char* ptr1_tel)传输入/GPRS 文本发送void GPS_READ(char* ptr1_code )/ 读出来电显示的号码AT_QISEND=AT+QISEND/ 读取 GPS 数据AT_QIOPEN=AT+QIOPEN=/ 开始连接开始AT_CIPSTATUS=AT+CIPSTATUS/GPRS 状态查询AT_QFUPL= AT+QFUPL=pic.jpg,2644 / 上传图片初始化是否收到AT_QFDEL=AT+QFDEL= pic.jpg/ 删除图片N车主信息？AT_QMMSCS=AT+QMMSCS= /+QMMSCS: (ASCII,UY检测传感器状态TF8,UCS2,GBK),(0,1)/ 彩信接入方式N执行车主相关命令AT_QICSGP=AT+QICSGP=1,是否检测到回复车主结果AT_QMMSEND=AT+QMMSEND=1/ 发送彩信异常信号？2.4 摄像头模块Y结束景物通过镜头将生成的光学图像投射到图像传感器启动声光报警，通知车主表面上，然后转为电信号，经过模数转换后变为数字图像图 4 车载装置工作软件流程信号，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3.2GPS 定位与图像获取的软件实现像。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在该系统中，车主可以向车载防盗追踪装置发送获3.1 装置运行的软件实现取 GPS 位置以及获取车内实时图像等功能操作。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、 、M,、*hh。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，辅助车主对当微型机与应用2014年第 33 卷第17 期 欢迎网上投稿 35硬件纵横 Hardware Technique前车内财物损失作出下一步判断决定。图 5(b) 为车载防踪装置发送获取 GPS 信息命令，然后汽车回复其所在盗追踪装置执行获取车内实时彩色信息的软件流程图。的 GPS 地址给用户的手机终端，例如回复给手持终端的该部分的实现主要由 3 个函数构成。GPS 信息为 21.6778,106.898，并自动将其显示在百度地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开始开始接收短信接收短信N是否为车主号码？是否为车主号码？ NYYN是否要汽车 GPS ？是否要获取N车内信息？YY启动 GPS 模块启动图像采集回复 GPS 地址回复彩信结束结束(a) 获取 GPRS 位置信息软件流程(b) 图像获取软件流程图 5 GPS 定位与图像获取软件流程图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。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。(a) 车辆移动路径图(b) 报警彩信图图 7 车辆追踪软件路线规划及信息接收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。表 1 车载防盗追踪装置成本估算器件价格 ( 元 )STM32F103C8T611.8M1074REB_131520摄像头10LD10861SI94240.5PCB 电路板10其他30(a) 软件界面(b) 路线设置从表 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 定位模块图 6车辆追踪软件界面及设置REB_1315、摄像头和 PCB 电路板。再加上其他外围电点击“获取信息”按键会进入图 6(a) 所示软件界面，路需要的电阻电容、三极管、存储芯片等小器件，以及当点击“车的位置”时，手机终端会向汽车上的防盗追（下转第 39 页）36微型机与应用2014年第 33 卷第17 期图形、图像与多媒体 Image Processing and Multimedia Technologyopen 函数中启动一个内核线程。设置好内核线程执行的频率，类似于 LCD 屏的刷新率。当内核线程进行调度时， 启动 CPU 中内存地址间的 DMA 传输控制，对 LCD 内存 写入数据来进行刷新操作 8-10。Linux 在嵌入式技术的发展过程中起着越来越重要 的作用。Framebuffer 在 Linux 的 UI 上起着抽象而又相当重要的作用。以前的诸多嵌入式设备随着技术的 发展需要进行功能及安全方面的扩展，MCU-LCD 也需要支持更多的上层应用二次开发及更友好的 UI 界面， 如 QT、MiniGui 等。本文通过实现支持 MCU-LCD 的 Framebuffer 驱动，从而支持了 MCU-LCD 对嵌入式领域更好的扩展。在 Framebuffer 机制的基础上，基于 MCU-LCD 这种在过去单片机时代较为通用的显示设备，实现了嵌入 式平台下的 Linux 驱动程序设计，很好地解决了通用的MCU 接口的 LCD 驱动实现。该设计为一些流行的嵌入式 图形库如 QT、MiniGUI 的移植工作提供了基础，对界面的二次开发具有良好的指导意义。参考文献1 李瑛 , 魏廷存 , 张盛兵 . 手机用 TFT 彩色液晶显示驱动 芯片的可配置接口电路设计 J. 微电子学与计算机 ,2006, (5):46-49.2 冯国进嵌入式 Linux 驱动程序设计从入门到精通 M北京：清华大学出版社，20083 张策，孙绪刚基于 Frambuffer 的 LCD 驱动设计 J计 算机工程与设计，2009,30(23) ：5372-5375.4 纪宁宁，孙灵燕 . S3C2410A 驱动 RGB 接口 TFT LCD 的 研究 J. 液晶与显示，2008,23(1):96-98.5 常赟 杰，张位勇Frambuffer 的 LCD 驱动程序设计 J 电脑编程技巧与维护，2009,15(4):18-19.6 鲁宝宏，郭磊，魏世民嵌入式 Linux 平台下 LCD 驱动的 开发与实现 J电子技术，2008，45(9) ：28-30.7 苏哲欣，刘鸿飞，薛晓基于嵌入式 Linux 的 LCD 驱动分 析与实现 J工业控制计算机，2009，22(2) ：29-30.8 孙俊喜LCD 驱动电路、驱动程序设计及典型应用 M 北京：人民邮电出版社，2009.9 李春燕Linux 内核的嵌入式系统裁减以及 LCD 驱动的实现 J电脑知识与技术，2008，1(1) ：29-37.10 张伽伟，周安栋，罗勇 . ARM11 嵌入式系统 Linux 下 LCD 的驱动设计 J. 液晶与显示，2011,26(5):660-664.（收稿日期 ：2014-06-02）作者简介：梁小鸥（1985-），女，硕士，助理研究员，主要研究方向：计算机科学与技术。谭珏（1984-），男，硕士，主要研究方向：嵌入式技术。（上接第 36 页）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