基于物联网技术的电动车防盗系统

基于物联网技术的电动车防盗系统
摘要：针对目前电动车盗窃案件比较严重的问题，提出一种新型电动车防盗系统。

以Freescale Coldfire系列的MCF52223 芯片为平台，分别运用ZigBee 和GPRS 技术实现电动车防盗系统中电子标签的通信及网络互联。

结合多种报警方式，直观地显示可疑车辆信息。

该系统有助于降低电动车盗窃案件的发生率。

关键词：物联网；电子标签；信息检测；通用分组无线服务；电动车防盗
1．概述
电动车因其经济、轻便，成为老百姓出行越来越多选择的交通工具。

随着电动车大规模普及，电动车的防盗任务越来越重。

传统的防盗措施局限于派遣执勤人员在小区出入口或道路岗亭进行盘查，这种方式比较繁琐，且具有明显的“事后”劣势，即无法提前判断当前过往的车辆，从而可能导致遗漏查询等现象，对防盗可靠性和效率没有保障，无法很好地鉴别出被盗电动车。

本文电动车防盗系统采用物联网中的先进通信技术，用无线系统取代传统落后的系统，为电动车防盗提供了较好的解决方案。

物联网(Internet of Things, IOT)指“物与物相关联的网络”。

随着技术的发展，物联网的意义有了较大变化：通过传感器、无线射频识别(Radio Frequency Identification, RFID)、全球定位系统(Global Positioning System, GPS)等技术，实时采集任何需要监控、连接的物体，采集其声、光、热、电、力学、化学、生物、位置等各种需要的信息，通过各类可能的网络接入，实现物与物、物与人的泛在连接，实现对物品的智能化感知、识别和管理。

物联网涉及许多技术，包括传感器技术、射频通信技术、GPS 技术等。

作为网络，则通信技术地位尤为关键[1]。

目前在物联网中，以下2 种技术被广泛运用。

(1)ZigBee
ZigBee 技术是一种低功耗、低速率、短距离传输的无线网络技术，也是当前物联网热潮中的核心技术，它是在IEEE802.15.4 规范的基础上发展起来的[2]，通过多跳接力方式实现无线通信，具有通信简单、组网方式灵活、功耗低、成本低及响应及时等特点，在监测防盗等领域应用越来越广。

(2)通用分组无线服务
通用分组无线服务(General Packet Radio Service, GPRS) 技术是基于全球移动通信系统(Global System for Mobile communication, GSM)的无线分组交换技术，提供端到端的、广域的无线IP连接。

GPRS 技术可充分利用现有的GSM 网络，属于物联网的信息汇总层技术。

随着产业的发展和技术的进步，现在大多数GPRS 无线模块都内置了TCP/IP协议，能够与互联网方便融合，而且目前GPRS 模块与GSM 模块价格非常接近，因此，GPRS 技术在物联网产品中逐步占据重要地位。

2．电动车防盗系统总体架构
电动车防盗系统由电子标签、检测报警设备、监控中心软件构成。

电子标签分为车主标签和车牌标签。

每辆电动车发放一套车主标签和车牌标签。

车主标签由车主随身携带；车牌标签则安装于电动车上。

车主标签和车牌标签具有唤醒和休眠 2 种模式，在唤醒模式下会有信息向外发出。

检测报警设备包含标签和探头，由于标签和探头均采用 2.4 GHz ZigBee 技术，因此探头能够稳定可靠地检测到标签在该频段上发出的信息。

探头根据接收到的标签信息判别车辆身份。

当检测到可疑车辆时，设备立即启动报警设备，点亮警示灯，同时鸣响警笛，提醒执勤人员对该车辆仔细盘查。

过往车辆的信息通过GPRS 无线网络传送给监控中心。

监控中心软件接收检测设备发送的电动车辆信息并存储用于统计和定位车辆的信息。

系统用户可以通过终端网络浏览这些信息。

如下图所示，系统融合了物联网中的核心技术，标签信息通过ZigBee 和GPRS 传输，稳定可靠，同时结合了传统PC 平台上的服务软件，可通过终端网络浏览器查看和处理监控中心的电动车辆数据。

3．系统防盗原理及可行性分析
在正常情况下，电动车主使用车辆时需要同时携带车主电子标签，在车辆经过检测时，检测设备可以同时检测到车主标签和车牌标签，此时认为该车辆为合法的车辆，所以，不会发出任何报警信息。

如果电动车辆在没有钥匙的情况下被移动，即没有电动车辆的车主标签信息发出，检测设备只可能收到电动车上的车牌标签信息，则可认为该车辆为可疑车辆，通过执勤人员盘查，确认是否为被盗车辆。

因此，如果与车辆配套的车主标签和车牌标签不能同时出现，则检测到发出车牌标签信号的电动车辆都将作为可疑车辆被盘查。

对于装有车牌标签的电动车辆都有保护功能，而且在车辆被偷盗逃离现场前能够及时发现，因此，这样一套防盗系统可使电动车在检测设备有效的探测距离之内实现“事前”防盗。

通过精心设计，车主标签和车牌标签做得相当便携。

车主标签可由电动车主置于车辆钥匙扣上，从而不会遗忘。

车牌标签可以安装在电动车辆上的隐蔽位置，使偷车贼无从下手。

同时，偷车贼在对车辆是否装有车牌标签无法确定的情况下，为了躲避岗亭或小区门卫处的盘查而不敢贸然作案，因此，系统对电动车偷盗行为有较大的震慑作用。

4．系统设计方案
整套系统架构比较清晰，包括电子标签、系统检测设备和监控中心平台软件。

4.1．电子标签设计
由于电子标签交付给电动车主后将长期使用，并要求车主在使用电动车时随身携带，因此在电子标签设计过程中主要考虑以下 3 个方面：
(1)低功耗。

电子标签使用Freescale 提供的MC13211 射频芯片，该芯片具有发射功率低、收发距离远等特点。

同时为延长标签电池使用寿命，标签电路通过水银开关控制，可以使电动车在停放等静止时段进入休眠模式，不向外界发出信号。

(2)体积小。

发放的电动车主的电子标签体积比较小，质量轻，可置于用户的钥匙扣上，便于携带，同时配置精美外套，美观大方。

(3)防水防尘。

安装在电动车上的电子标签采用真空包装，并放置于包装盒中，可以很好地保护标签。

电子标签信息编码中包括电动车主信息、电动车品牌、颜色、大小、车牌号
等。

这些信息可通过检测设备解析后显示给执勤人员查看，以便与目标车辆比对。

4.2．检测设备设计
检测设备是系统的核心模块，主要安置于居民小区出入口的传达室和道路上的交通岗亭，用于检测过往的电动车辆发送的电子标签信息。

检测设备包括2 个重要部件：标签探头和主控芯片。

(1)标签探头
设备中的接收部件为支持 2.4 GHz 频率的标签探头，射频芯片同样选用Freescale MC13211[3]，支持ZigBee 协议，采用直接序列扩频(Direct Sequence Spread Spectrum, DSSS)技术后，抗干扰能力强，收发距离远。

具有16 个通信信道，可指定和选择最佳信道，信道采用载波侦听多点接入/冲突检测(Carrier Sense Multiple Access with Collision A voidance, CSMA/CA)。

同时，MC13211 提供串行口，支持1200 b/s~115200 b/s 的波特率，可以快速将接收的数据发送给数据处理芯片。

为保证可靠的信号接收性能，设备采用外置2.4 Gb/s 的10 dB 全向天线，可接收距离设备最大200 m 范围内的车辆信号，以保证保安或道路执勤人员有充足的时间辨认和处理报警的车辆。

由于通过岗亭或传达室的电动车较多，尤其是在交通高峰时段，因此在标签探头软件设计中添加了接收队列机制。

标签探头接收到标签数据后，缓冲到发送队列中，解决数据丢失或来不及接收等情况，然后顺序发送给数据处理芯片。

(2)主控芯片
系统采用Freescale MCF52223 作为数据处理芯片，同时也是检测设备的主控芯片。

该芯片具有丰富的接口资源，包括QSPI、USB、I2C、UART 及其他普通I/O[4]。

下图为系统硬件组成框图。

如上图所示，除了标签探头外，检测设备采用较好的报警和记录方案。

当检测到可疑车辆通过时，声光报警器发出警报，点亮警示灯同时警笛响起，通过语音模块和外置喇叭，发出“可疑车辆请盘查”的提示信息，通知执勤人员根据液晶显示屏(Liquid Crystal Display, LCD)上显示的车牌和颜色定位可疑车辆进行盘查。

可疑车辆通过记录可存储在芯片内部的Flash 中，MCF52223 共有256 KB 内部Flash 空间[5]，在压缩了报警记录信息存储方式后，最多可存储16 000 条标签信息。

另外，
充分利用MCF52223 支持的USB-OTG 技术，开发了USB设备主机的功能，即用户可使用U 盘等USB 从机存储设备将Flash 中存储的报警记录导出到U 盘中，供备份和查询。

设备选用PCF8563 时钟芯片，芯片外接晶振，时间准确，年误差小于1 min，提供了计时功能，可直观地显示当前的系统时间，有利于车辆通行记录的查询。

小灯和蜂鸣器用于反映设备的工作状态。

另外，设备配备了GPRS 功能，能够将检测设备获得的车辆信息实时地发送到监控中心，从而方便定位和跟踪丢失车辆。

检测设备的系统软件流程如下图所示。

检测设备上电后，首先完成各个模块的初始化，然后进入循环检测状态，顺次检测状态标识量，判断是否接收到新的标签数据，是否有新的用户请求操作，根据不同的标识量完成不同的操作。

4.3 监控中心平台设计
监控中心平台主要用于区域内电动车辆的信息管理、电动车辆定位和跟踪、检测设备在线配置和维护等，同时还可作为监控人员和电动车主交互的平台。

监控中心平台由服务器硬件、侦听程序及Web 服务器软件组成。

服务器硬件可根据规模选择各种配置的计算机或高端的服务器。

侦听程序负责接收检测设备通过GPRS 模块发送的车辆信息等，并将这些信息解析后存储到数据库中供Web 服务器软件查询。

Web 服务器软件保证用户(包括监控人员和电动车主)在任何地点通过网络浏览器可查看自己权限范围内任何有关车辆的信息，尤其当发生车辆被盗案件时，可以通过这些数据跟踪到丢失的车辆。

5．设计要点
系统设计主要基于无线传输，因此，对无线通信的可靠性有较高的要求。

5.1．GPRS 的选择
为了使分布的检测设备能够与监控中心平台交互，需要考虑将设备组网。

传统的组网方式需要分布有线网络，对于大量分散的检测设备节点，组网规模比较复杂。

同时，为确保数据的安全性，网络大多采用专用网，成本较高，因此，采用GPRS 通信技术。

常用的GPRS 模块有华为的GTM900、EM310 等，这些模块具有性价比高、入网速度快、通信稳定等特点。

本系统选用华为EM310 模块，是华为GTM900 系列的替代产品，兼容GTM900 系列，且体积小，以单片机程序调用A T 命令集，通过串行口可控制该模块，使用方便。

5.2．标签信息检测
该系统的主要优势是能够提前检测并定位可疑车辆，理论上检测距离越远越好，但是为了能够准确定位可疑车辆，必须将检测范围限定在有效范围内，使执勤人员可以对报警事件进行处理。

电子标签和标签探头的收发距离与射频能量值有关，通过能量值和距离关系测试，最终将探测距离限定在150 m。

另外，除了同时检测车主标签和车牌标签外，为了使检测设备能够更准确地区分可疑车辆标签，在车牌标签设计时做了特殊处理，当车牌标签检测到车主标签信息时，发送合法车辆标签格式信息，否则，发送非法车辆标签格式信息。

从而在 2 个方面保证了检测设备探测到的标签数据的可靠性。

6．结束语
电动车辆防盗长期以来一直是公安部门和电动车车主关注的问题。

本系统的开发旨在解决这一问题，将物联网的主导ZigBee 技术合理地应用于系统的设计和开发中，减轻了执勤人员的负担，提高了效率。

系统同时安装了报警设备，对这类违法犯罪行为起到很好的威慑作用，将电动车辆犯罪率降低到较小的比例。

目前，该系统已在苏州及下属部分县市小区试点成功，正在逐步推广。

随着ZigBee 硬件成本的降低，基于该技术的系统将得到大规模的应用。

参考文献
[1].杨斌, 张卫东, 张利欣, 等. 基于SOA的物联网应用基础框架[J]. 计算机工程, 2010, 36(17): 95-97.
[2].王舒憬, 党彦博, 黄河, 等. ZigBee 无线传感网络结合GPRS实现远程监控[J]. 仪表技术, 2008, (3): 13-15.
[3].Freescale Semiconductor, Inc.. MC1321xRM Rev.1.3[Z]. 2008.
[4].王宜怀. 基于32 位ColdFire 构建嵌入式系统[M]. 北京:电子工业出版社, 2009.
[5].Freescale Semiconductor, Inc.. MCF52223RM Rev.3[Z]. 2007.。