基于跳频通信的汽车智能防盗器设计

0 引言

　　随着社会经济的发展，人们生活水平的提高，汽车已逐步进入家庭，而如何有效防止汽车被盗也成为车主比较关心的问题。目前在汽车防盗器中，普通的电子遥控防盗器由于价格便宜占有很大的市场分额。但普通的电子遥控防盗器多为固定载波频率通信，容易被干扰、截获和破解。有报道说一般的遥控锁在30 s 内就可被专用的解码器复制，1 min 内就可破解。普通的电子遥控防盗器多为单向通信，车主可以遥控汽车上锁、解锁，但汽车信息不能及时反馈给车主。

　　针对普通电子防盗器的不足，我们将军事通信中应用的跳频通信技术应用到汽车智能遥控防盗器的设计中。在通信过程中不断改变双方的通信频率，使信息传递难以被跟踪、干扰或截获、破解，将有效提高防盗系统的安全性和可靠性。

1 系统总体方案设计

　　系统由车载终端、人持终端两部分构成。车载终端主要完成人机控制指令的接收执行，执行汽车上锁解锁指令，并完成对汽车防盗信息的检测发送;人持终端主要完成车主对汽车的上锁、解锁的控制指令的发送，并接收车载终端发来的汽车相关报警信息及指令执行情况信息。系统功能结构如图1 所示。

　　
图1 系统总体结构框图

2 系统的电路设计与实现

　　2.1 车载终端的电路设计

　　车载终端主要完成汽车防盗信息的监测并将汽车异常状况信息发送给车主，接收执行人持终端控制指令如对汽车上锁解锁等，针对目前防盗器主要依赖振动传感器检测盗窃信息存在不可靠的问题，设计了多信息融合的传感器电路，通过监测车门、车窗、车座位来提高防盗器的可靠性，增加的备用电源管理功能保证防盗器在主电源线被剪的情况下仍能正常工作，主要由主控MCU 模块、无线跳频通信模块、汽车门窗监测、电源监控、振动检测、车内是否有人监测模块构成。

　　2.1.1 主控MCU 模块电路

　　主控MCU 主要负责整个系统的协调控制，传感器信息的检测处理，跳频通信模块的配置、信息发送接收等，采用C8051F340 实现。C8051F340 是美国Cygnal 公司的混合信号系统级集成芯片， 具有与8051 兼容的高速CIP-51 内核，片内集成了数据采集和控制系统中常用的模拟、数字外设及其他功能部件，内部时钟频率可达到48 MHz。具有增强型的SPI 接口，可方便实现对nRF905 的控制。

　　2.1.2 跳频通信模块硬件电路

　　跳频通信模块硬件电路采用Nordic 公司推出的单片射频收发器芯片nRF905 实现，其功耗非常低，以–10 dBm的输出功率发射时电流只有11 mA，在接收模式时电流为12.5 mA，传输距离大于100 m。工作于433/868/915 MHz3 个ISM 频道(可以免费使用)。nRF905 可以自动完成处理字头和循环冗余码校验的工作，可由片内硬件自动完成曼彻斯特编码/解码，使用SPI 接口与微控制器通信，配置非常方便，性能可靠，并可以实现人工载波频率控制，具有128 个可选频点，频点间隔100 kHz，频点切换时间为650 μs，可快速实现频点切换。使用该芯片可构成无线跳频通信的收发模块，模块电路及单片机接口电路如图2，通过PWR_UP,TRX_CE 和TX_EN 与单片机连接实现工作模式配置。通过CD,AM,DR 进行载波检测、地址检测、中断检测，通过SPI 接口与单片机通信实现载波频率、通信指令数据格式的配置及数据的接收。

　　
图2 nRF905 与单片机接口电路

　　2.1.3 车门车窗监测模块

　　通过将光电检测二极管置于车门车窗关口，当车门或门窗没有锁紧时，对应的光电检测电路会检测到相关信息，在车内无人时车载终端通过汽车主控接口通知汽车微处理系统启动自动关门关窗电路，并提醒车主车门或车窗没有锁好，在防盗状态下车门车窗被打开则发出报警信号。

　　2.1.4 车内有无人检测模块

　　通过放置在汽车座位下的应变电阻设计的压力测量装置，判断车内是否有人，如车内无人，车防盗锁系统未启动，则延时1 min 自动上锁;若汽车防盗锁启动状态下，如若有人，即有可能是有人盗车，防盗器立刻进行报警。

　　2.1.5 车外振动检测模块

　　车外振动检测用来检测当车处于防盗状态时，是否有人对汽车进行碰撞，如有则报警。它采用了振动传感器Z04B，它是一种高灵敏振动模块, 能检测极其微弱的震动波;安装简便，不受任何角度限制;抗干扰性好，对外界声响无反应，具有抗雷电及鞭炮干扰能力，输出为瞬态脉冲，用来构成可靠的汽车振动检测模块。

　　2.1.6 电源测控模块

　　设计了备用电源管理功能，在汽车主电源被剪断时，备用电源供电并将该情况反馈给车主，提高防盗系统的安全性和可靠性。

　　2.2 人持终端的电路设计

　　人持终端完成对汽车的上锁、解锁等控制指令发送，并接收车机发来的汽车相关信息，如振动情况、车门车窗开关情况信息，并发出语音提示。由主控单片机电路和跳频通信模块、人机接口模块构成，其中主控单片机电路和跳频通信模块与车载终端部分相同。

　　人机交互接口模块电路主要由按键电路完成人操作指令的发送，采用LCD 液晶显示电路使操作更为方便，采用ISD1820 设计语音提示电路进行报警提示及车载终端指令执行情况提示。

3 系统的软件设计与实现

　　3.1 nRF905 的配置过程及跳频通信的实现

　　3.1.1nRF905 的配置过程

　　如图2 所示，nRF905 通过CPU 控制nRF905 的3 个引脚PWR_UP,TRX_CE 和TX_EN 的高低电平来决定其4种工作模式(如表1所示)，通过nRF905 的CD,AM,DR 三个引脚进行载波检测、地址检测、中断检测，在表1中的前两种模式下，MCU 通过SPI 接口配置nRF905 的5 个内部寄存器(状态寄存器、射频配置寄存器、发送地址寄存器、发送数据寄存器、接收数据寄存器)。其中状态寄存器包含数据准备好引脚状态信息和地址匹配引脚状态信息;射频配置寄存器包含收发器配置信息，如频率和输出功能等;发送地址寄存器包含接收机的地址和数据的字节数;发送数据寄存器包含待发送的数据包的信息，如字节数等;接收数据寄存器包含要接收的数据的字节数等信息。

　　表1 nRF905 的工作模式

　　3.1.2 nRF905 的无线收发过程

　　1) 发射模式设置及过程

　　a) 上电以后MCU 首先配置nRF905 模式，先将PWR_UP,TX_EN,TRX_CE 设为(10X)配置模式。

　　b) MCU 通过SPI 将RF 寄存器的频率配置数据，配置数据移入nRF905 模块。

　　c) 当MCU 有数据需要发往规定节点时，接收节点的地址(TX-address)和有效数据(TX-payload)通过SPI 接口传送给nRF905。

　　d) MCU 设置TRX_CE,TX_EN 为高启动传输。

　　e) nRF905 内部处理：无线系统自动上电、数据包完成(加前导码和CRC 校验码)、数据包发送(1000kbps,GFSK,曼切斯特编码)。

　　2) 接收模式

　　a) 上电以后MCU 首先配置nRF905 模式，先将PWR_UP,TX_EN,TRX_CE 设为(10X)配置模式。

　　b) MCU 通过SPI 将RF 寄存器的频率配置数据，配置数据移入nRF905 模块。

　　c) 设置TRX_CE 高，TX_EN 低来选择RX 模式，nRF905 监测空中的信息。

　　d) 当nRF905 发现和接收频率相同的载波时，载波检测(CD)被置高。

　　e) 当nRF905 接收到有效的地址时，地址匹配(AM)被置高。

　　f) 当nRF905 接收到有效的数据包(CRC 校验正确)时，nRF905 去掉前导码、地址和CRC 位，数据准备就绪(DR)被置高。

　　g) MCU 设置TRX_CE 低，进入standby 模式(待机模式)。

　　h) MCU 可以以合适的速率通过SPI 接口读出有效数据。

　　i) 当所有的有效数据被读出后，nRF905 将AM 和DR 置低。

　　3.1.3 跳频的实现

　　nRF905 可以实现人工载波频率控制，只需要修改nRF905 的RF 工作频率寄存器的CH_NO 和HFREQ_PLL就可以选择不同的载波频率，实现跳频。位变量HFREQ_PLL 为0，表示工作在430 MHz 频段，频道差为100 kHz;为1，则表示工作在868/915 MHz 频段，频道差为200 kHz。因此共有1 024 种通信频率。通信频率(H)为H=(422.4+(CH_NO)10/10)×(1+HFREQ_PLL)。

　　例如CH_NO=(001001100)2=(76)10，HFREQ_PLL=0，则H=(422.4+76/10)×(1+0)=430.0 MHZ。

　　本系统统一设置为工作频段为430 MHz，频道差为100 kHz，每一个频点间隔为100 kHz，随机数产生于0~128之间，跳频带宽为12.8 MHz，完成一次跳频时间T≤800μs 。

　　3.2 基于跳频通信遥控防盗器的可靠性设计及系统实现

　　3.2.1 生成随机跳频表增强安全性

　　为了增加安全性，每对密码锁除具有唯一对应的32 位加密地址外还增加了一一对应的随机跳频表，第一次使用时，将车机、人机对应的设置开关打开，人持终端可以产生一个随机的跳频表，并将该跳频表通过握手频率发送给车载终端，经返回校验无误时将该跳频表存储在掉电保护的非易失FLASH 存储器中，关闭设置开关，在保证两机有一一对应的跳频频率表的同时又很好地保护了频率表的安全性，只要双方按照事先约定的与跳频表对应设置一致的CH_NO 和HEFREQ_PLL 的数值便可实现跳频通信，增加了无线通信的可靠性、安全性。

　　3.2.2 设定握手及出错、丢包回归频率，保证通信可靠

　　跳频通信的一个突出问题就是尽管可靠性高，但一旦通信双方通信错误，引发跳频表读取数据不一致， 系统将发生混乱，无法通信。为解决这一问题，提高防盗器安全性和可靠性，系统设定了一个固定频率作为握手频率，人机和车机之间的通信是先从一个双方设定的握手频率来进行握手连接，该频率仅携带目标地址和握手请求或应答信号，即使被截获也不影响系统的安全性。当系统出现问题双方通信不成功时，马上回到握手频率，从跳频表初始值重新开始通信。在一次指令信息传输进行过程中屏蔽中断，保证信息的可靠传输。

　　3.2.3 系统工作过程

　　系统上电初始化跳频表后，人机和车机都通过设定系统的工作模式(Set nRF905 Mode)，配置nRF905 的寄存器(Configure Register)，使其工作在握手频率，接收模式(RX Mode)。当其中一端收到中断请求时(车主指令/报警信息等)，便发起握手请求，握手完成后，进行两次跳频通信过程，完成信息的发送及反馈，在发送过程中，发送方发出握手请求或指令后等待响应或反馈的时间不超过200 ms，否则便认为通信出错，发起方重新发起请求。

　　以车主发出上锁指令为例，系统整个工作过程如图3，其他车主指令发送、车载报警信息的发送过程类似。

　　
图3 防盗器工作流程图

4 结论

　　经测试该系统在小区内的可靠通信距离可达到150 m，满足一般汽车防盗器的实际应用要求，采用跳频通信保证了防盗器不易被截获破解，通过通信方案的优化设计，保证了跳频的通信可靠性，进一步提高了防盗器的安全性和可靠性。将该系统简化外围电路设计后也可用于摩托车防盗及其他防盗系统。