RFID實現(xiàn)胎壓監(jiān)測和安全防盜系統(tǒng)方案

針對現(xiàn)有汽車門禁系統(tǒng)和胎壓監(jiān)測系統(tǒng)相互獨立，硬件冗余和生產(chǎn)成本高的問題，提出了一種基于射頻識別技術(shù)的汽車安全防盜系統(tǒng)的設(shè)計方案。在射頻通信上，該系統(tǒng)采用434 MHz 的UHF 頻段與125 kHz 的LF 頻段相結(jié)合的方法，實現(xiàn)了系統(tǒng)胎壓監(jiān)測、遙控門鎖和發(fā)動機(jī)防盜鎖止等功能。調(diào)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)提高了汽車的防盜性與控制性，節(jié)約了系統(tǒng)空間，降低了生產(chǎn)成本，優(yōu)化了車身網(wǎng)絡(luò)。

隨著我國汽車工業(yè)的發(fā)展和人民生活水平的提高，汽車越來越多地進(jìn)入普通家庭。由于各種突發(fā)性道路交通事故與汽車盜竊案件的頻繁發(fā)生，人們對汽車安全與防盜的關(guān)注度也日益提高。開發(fā)和研究汽車安全與防盜系統(tǒng)，是確保行車安全和防止盜竊的有效技術(shù)措施。與傳統(tǒng)單個獨立汽車胎壓監(jiān)測系統(tǒng)和汽車遙控?zé)o鑰匙進(jìn)入系統(tǒng)相比，本系統(tǒng)的特點是，將胎壓監(jiān)測系統(tǒng)與遙控?zé)o鑰匙進(jìn)入系統(tǒng)進(jìn)行整合，有效地實現(xiàn)了射頻（RF）模塊的復(fù)用，不僅節(jié)約了硬件開銷，也提高了系統(tǒng)的集成度。

1 基于RFID 技術(shù)的汽車安全防盜系統(tǒng)

射頻識別技術(shù)（RFID）是一種非接觸式的自動識別技術(shù)。汽車安全防盜系統(tǒng)采用射頻識別技術(shù)，通過射頻信號自動識別目標(biāo)對象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)。RFID 技術(shù)采用射頻傳輸，可以透過外部材料讀取芯片數(shù)據(jù)，實現(xiàn)非接觸操作。通信數(shù)據(jù)使用加密算法對數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，實現(xiàn)數(shù)據(jù)安全存儲、管理及通信。隨著電子技術(shù)的快速發(fā)展，電子芯片集成度的提高，RFID 系統(tǒng)成本也在不斷地降低，加快了智能化在汽車電子行業(yè)中的推廣與應(yīng)用。

智能汽車安全防盜系統(tǒng)由輪胎發(fā)射模塊、遙控鑰匙模塊和基站模塊組成。對RFID 系統(tǒng)來說，收發(fā)頻率大小決定了射頻識別系統(tǒng)的識別距離、電路實現(xiàn)的難易程度以及硬件設(shè)計成本。在汽車安全防盜設(shè)計中，125 kHz 等低頻（LF）頻段用于近距離、低速度，數(shù)據(jù)量要求較少的汽車引擎防盜系統(tǒng)的識別；434 MHz 等超高頻（UHF）頻段則用于遠(yuǎn)距離的射頻通信系統(tǒng)（汽車輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)與遠(yuǎn)程無鑰匙進(jìn)入系統(tǒng)）的識別。

2 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1 所示，系統(tǒng)由輪胎模塊、鑰匙模塊和基站模塊組成。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

以4 個輪胎的轎車為例，系統(tǒng)由4 個輪胎模塊、1個鑰匙模塊和1 個基站模塊構(gòu)成，其中基站模塊包括RF 接收器、LF 收發(fā)器、中央控制部分、人機(jī)界面以及用來傳送點火、門控命令的汽車區(qū)域互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)（LIN）總線。4 個輪胎模塊分別安裝在汽車的4 個輪胎中，對每個輪胎的壓力、溫度與電池電壓參數(shù)進(jìn)行實時的測量，并將測量的數(shù)據(jù)通過RF 通信方式發(fā)送到基站模塊進(jìn)行處理?；灸K，一方面接收來自輪胎模塊的RF數(shù)據(jù)，并進(jìn)一步判斷輪胎參數(shù)是否正常，如果發(fā)現(xiàn)異常則進(jìn)行實時報警；另一方面接收來自鑰匙模塊的RF控制數(shù)據(jù)，并驗證鑰匙的ID是否合法，如果發(fā)現(xiàn)異常，則及時進(jìn)行報警，如果正常，基站向門控執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)送確認(rèn)信息，實現(xiàn)啟/ 閉鎖的動作；同時，基站模塊通過LF 通信方式與鑰匙模塊進(jìn)行通信，利用鑰匙模塊中應(yīng)答器的密碼與基站模塊中的密碼進(jìn)行匹配來控制發(fā)動機(jī)的啟動，以達(dá)到防盜的目的?；究梢酝ㄟ^汽車總線與汽車內(nèi)部的其他電子系統(tǒng)相連，實時地共享數(shù)據(jù)和控制信息。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計與實現(xiàn)

3.1 輪胎模塊電路

輪胎模塊由輪胎狀態(tài)的數(shù)據(jù)采集與發(fā)射電路組成，如圖2 所示。

圖2 輪胎模塊電路

輪胎模塊電路采用FREESCALE公司的智能嵌入式傳感器MPXY8300.該系列傳感器集成了該公司的低功耗S08 核，內(nèi)含512 字節(jié)RAM和16 KB Flash,同時還集成了低功耗電容式壓力、溫度傳感器和單通道的低頻輸入接口。其RF發(fā)射支持315 MHz 和434 MHz 兩種載波頻率，并可通過編程配置使寄存器為幅移鍵控（ASK）或頻移鍵控（FSK）調(diào)制方式。它還集成了電荷泵功能，當(dāng)電池電壓較低時，可提高RF 發(fā)射部分供電電壓，從而使其仍能達(dá)到一定的R F 發(fā)射強(qiáng)度。

MPXY8300 是一款將壓力溫度傳感器、8 位微控制器（MCU）、RF 發(fā)射器和雙軸（XY）加速器全部集成到一個片上的系統(tǒng)級芯片（SOC）。MPXY8300 壓力測量范圍：轎車100~800 kPa,卡車100~1 400 kPa,溫度測量范圍：-40~125 ℃。

3.2 鑰匙模塊電路

鑰匙模塊芯片采用NXP 公司生產(chǎn)的PCF7961。

PCF7961是一個基于低功耗8位MRKII架構(gòu)的精簡指令集（RISC）處理器，它集成了UHF發(fā)射器與LF頻收發(fā)器的芯片。這種芯片能夠完成射頻發(fā)射和應(yīng)答器低頻通信認(rèn)證，適合于機(jī)動車輛遙控防盜裝置。它采用快速相互鑒別算法，使用隨機(jī)數(shù)字、密鑰和口令，具有靈敏度高（遠(yuǎn)距離）和鑒別時間短（39 ms）的特點。

PCF7961 還提供了出廠時已經(jīng)固化了的32 位身份識別碼（ID）。圖3 是鑰匙模塊的電路原理圖。

圖3 鑰匙模塊電路

3.3 基站模塊電路

基站模塊主要由射頻接收電路、低頻收發(fā)電路、主控芯片MCU、LIN 接口以及人機(jī)接口組成。射頻接收電路采用FREESCALE 公司的UHF 射頻接收芯片MC33596,完成信號解調(diào)和數(shù)據(jù)曼切斯特解碼后，將數(shù)據(jù)傳送到基站主控芯片MC9S08DZ60,進(jìn)行數(shù)據(jù)處理（RKE 數(shù)據(jù)解密）和指令執(zhí)行。

低頻收發(fā)器采用NXP公司生產(chǎn)的PJF7992.PJF7992集成了所有必需的功能方便讀寫應(yīng)答器，基站微處理器通過PJF7992 帶有的LIN串行接口控制PJF7992 和應(yīng)答器之間的通訊。

基站主控芯片采用F RE E SC A L E 公司生產(chǎn)的MC9S08DZ60,它可以通過SPI 串行總線對射頻接收芯片MC33596 參數(shù)進(jìn)行配置與通信。MC9S08DZ60 內(nèi)部集成了2 個SCI（LIN）模塊，可通過一路LIN 總線實現(xiàn)對低頻收發(fā)芯片PJF7992 的控制，另一路LIN總線實現(xiàn)對發(fā)動機(jī)電控單元（ECU）與門控相關(guān)執(zhí)行機(jī)構(gòu)傳送命令。在汽車安全防盜系統(tǒng)中加入LIN總線接口，可使該系統(tǒng)能夠與汽車內(nèi)部其他電子控制系統(tǒng)共享數(shù)據(jù)與控制信息，極大地提高了系統(tǒng)的安全性與靈活性。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

4.1 無線通信協(xié)議

無線傳輸采用FSK 調(diào)制方式，其曼徹斯特編碼與解碼由片內(nèi)硬件自動完成。輪胎模塊和鑰匙模塊中門控命令都是以數(shù)據(jù)包（幀）的形式發(fā)送數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)幀格式分別如表1,2 所示。

表1 輪胎模塊RF 數(shù)據(jù)幀格式

表2 鑰匙模塊RF 數(shù)據(jù)幀格式

4.2 輪胎模塊軟件流程

汽車在靜止或低速狀態(tài)下，即使胎壓發(fā)生變化，也不會對安全行駛造成威脅，此時可以不采集壓力、溫度等信號或者減少采集次數(shù)。流程如圖4 所示。

系統(tǒng)上電復(fù)位后，初始化配置啟動測量加速度，判斷汽車狀態(tài)。如果車速在25 km/h 以下，則進(jìn)入休眠狀態(tài)，并延時一段時間后再次判斷汽車狀態(tài)；如果汽車行駛的速度大于25 km/h,則進(jìn)入正常的工作模式，進(jìn)行信號采集、處理與發(fā)射。然后經(jīng)過一段休眠延時再回到加速度測量狀態(tài)。

圖4 輪胎模塊軟件流程

4.3 鑰匙模塊流程

用戶可以通過鑰匙模塊上的按鈕開關(guān)發(fā)送射頻數(shù)據(jù)來打開和關(guān)閉車門。為了系統(tǒng)的安全性，對發(fā)送數(shù)據(jù)進(jìn)行滾動碼加密，發(fā)送完畢進(jìn)入到停止模式。遙控門鎖的軟件流程如圖5 所示。

圖5 鑰匙模塊軟件流程

4.4 基站模塊流程

汽車沒有發(fā)動時，基站模塊執(zhí)行遙控門鎖功能，需要監(jiān)聽來自鑰匙模塊的RF 門控信號（用戶按下鑰匙上的按鍵）。當(dāng)遙控鑰匙插入點火鎖里并旋轉(zhuǎn)到啟動位置時，鑰匙中應(yīng)答器（Transponder）和基站模塊的PJF7992 進(jìn)行點火驗證，然后通過LIN總線傳送允許啟動的命令。汽車發(fā)動后，基站模塊進(jìn)入輪胎參量監(jiān)測模式，通過設(shè)置合理的輪詢間隔可以減少輪胎模塊的RF 響應(yīng)次數(shù)，降低系統(tǒng)功耗。軟件流程如圖6 所示。

圖6 基站模塊軟件流程

5 結(jié)論

本文提出了一種基于RFID 技術(shù)的汽車安全防盜系統(tǒng)，在試驗臺上完成了相關(guān)的功能調(diào)試，實現(xiàn)了輪胎壓力監(jiān)測，遙控門鎖和發(fā)動機(jī)防盜鎖止功能等，在系統(tǒng)中加入了LIN 總線接口，可使該系統(tǒng)能夠與汽車內(nèi)部其他電子控制系統(tǒng)共享數(shù)據(jù)與控制信息，極大地提高了系統(tǒng)的靈活性與安全性、節(jié)約了系統(tǒng)空間、降低了生產(chǎn)成本，在汽車電子領(lǐng)域具有較廣的應(yīng)用前景。