基于物联网的汽车防盗系统的设计
摘 要
为了提高汽车防盗系统的可靠性，降低汽车报警的误报率，本文在利用物联网在监测领域的优势基础之上，研制了基于物联网技术的汽车防盗系统。防盗报警系统是安全防范技术体系中一个重要的组成部分。目前这种系统的应用在我国发展极快，市场竞争激烈。本文利用物联网技术构建了汽车防盗系统的结构模型，制定了应用于该防盗系统的各种传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网相连接，进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的功能。使汽车防盗的可靠性能够在一定程度上得以控制。基于物联网技术的汽车防盗系统利用模块化的思想进行设计。总体设计后，对防盗系统的电源模块，控制模块，通信模块，定位模块，显示模块分别进行细化设计，最后进行整个系统的联机调试试验。本文还将设计制作的系统原型机进行了模块测试和整体性能测试。通过测试分析，确定了用于汽车防盗的实车搭载方案，为该设计的产品化奠定了坚实的基础。测试结果表明，基于物联网技术的汽车防盗系统能够较为准确地进行汽车防盗预警，降低了误报率，并具有经济、环保的特点。该系统基本实现了既定设计目标，为汽车防盗产品的开发提供了一个崭新的设计方向。
关键词：汽车防盗，物联网，传感设备，互联网
目 录
1绪论 1
1.1引言 1
1.2论文的研究背景 1
1.3国内外汽车防盗系统的发展现状 2
1.4论文的研究内容及意义 4
2 物联网技术分析 6
2.1物联网概念及原理 6
2.2国内外物联网发展现状 6
2.3物联网相关技术 8
2.3.1 信息采集技术 9
2.3.2 网络通信技术 10
2.3.3 数据融合与智能处理技术 10
2.4 物联网应用中的关键技术分析 11
2.4.1 射频识别中的防碰撞技术 11
2.4.2 中间件信息处理技术 15
2.4.3 物联网系统安全技术 15
3基于物联网的汽车防盗系统核心设计 17
3.1基于物联网的汽车防盗系统架构设计 17
3.2信息采集子系统设计 18
3.2.1 标签设计 18
3.2.2 阅读器设计 19
3.2.3 中间件安装设计 20
3.3 信息传输子系统设计 21
3.3.1 接入网设计 21
3.4 信息管理子系统设计 21
3.4.1 信息录入子系统设计 21
3.4.2 信息查询子系统设计 22
4基于物联网的汽车防盗系统关键技术实现 23
4.1 基于时间分组的帧时隙ALOHA算法的设计与实现 23
4.1.1 算法设计依据 23
4.1.2 算法设计 24
4.1.3 算法的时隙数设计 24
4.1.4 算法实现 26
4.2 算法的实现流程图 27
4.3 系统总体实现流程 27
参考文献 30
1绪论
1.1引言
随着我国经济水平的发展，人们的生活质量得到了很大提高，国内汽车特别是家用轿车的保有量迅猛增加，但与此同时汽车被盗抢案件数量也急剧上升。虽然大多数汽车都带有防盗装置，市场上也有各种汽车附加防盗器，可是这些防盗装置都存在一定的缺陷，要么距离有限，一旦监控器离汽车比较远就很难达到目的，要么使用单一遇警的检测装置，致使错报、漏报现象时有发生，给车主造成了很多不必要的麻烦和损失。为了防范汽车被盗，科研工作者研制开发了很多汽车防盗新技术，各种防盗装置相继产生并广泛应用。阅读器的设计包括阅读器的选择、位置安装以及对标签信息处理的设计。主要特点是阅读器采用双频工作模式，接收标签信息后将自身ID加载到标签信息中，生成含有阅读器地理位置标识的信息数据，使系统可以利用阅读器的地理位置实现对汽车的实时跟踪定位。
早期的汽车防盗系统主要是机械结构的门锁和车轮锁构成，防盗能力差，现在已经很少单独使用，主要和电子式、芯片式联合使用；现阶段应用最广泛的是电子式防盗系统，但其报警系统容易受到外界干扰而误报，且电子密码易被破解；芯片式防盗系统和网络式防盗系统是今后汽车防盗系统发展的方向，芯片式数码防盗系统是现在汽车防盗器发展的重点，基本原理是锁住汽车的马达、电路和油路，杜绝了被扫描的弊病，在路边配制的钥匙即使能打开车门也无法启动汽车。最先进的基于GSM网络包含GPS定位系统和SMS(短信业务)功能的防盗系统实现了车主对汽车的远程控制，定位准确，但系统成本和使用费用高，无法广泛应用。随着物联网的发展，物联网技术已经应用于远程医疗121，智能家居，物流监控，安全防卫和电力安全等各个领域，把物联网技术应用于汽车防盗，利用射频识别系统进行信息采集，将收集的信息传送至互联网，实现信息共享，使车主随时知道汽车状况，并配合警务人员及时追回被盗汽车，提高汽车防盗系统的智能化水平。
1.2论文的研究背景
国内外汽车防盗装置的种类繁多，发展迅速。目前，国际上应用最广泛的防盗系统是电子式汽车防盗装置，如汽车识别钥匙、电子编码点火钥匙、生物特征基于物联网的汽车防盗系统的研究与设计电子锁，具有很好的性价比，在市场上占有绝对优势。机械锁是最早的汽车防盗锁，现已很少单独使用，主要与电子式、芯片式联合使用。国内的汽车防盗技术水平仅为国际20世纪90年代后期的水平，国内掌握制动器防盗装置的开发实验技术并形成批量生产的厂商只有几家，且防盗装置一般都存在报警范围小、只能实现本地报警、不能实现远程控制，能实现单纯报警，对被盗车辆不能实现踪控制等缺点。除此之外，国内制定的汽车防盗法规不够健全，执行不够严格；生产企业对汽车防盗的认识不够重视，资金投入不足，这些都造成国内汽车防盗水平相对落后，不能适应我国汽车发展对汽车防盗技术的需求。因此，我国汽车防盗产品的升级换代势在必行，高科技含量的网络式汽车防盗系统将得到关注和加大投入，此类防盗产品更加符合市场需求。
1.3国内外汽车防盗系统的发展现状
现代汽车在出厂时大多已经安装了防盗系统，如奥迪A6、帕萨特B5、桑塔纳2000、新款捷达等国产车型，奔驰、宝马、沃尔沃、捷豹等进口车型都自带防盗装置；另外，市面上还有MAGICAR6600、DC．3、DC．5、眼镜蛇、蓝雄兵、铁甲熊等品牌的汽车防盗器。随着科技的发展，汽车防盗装置日趋严密和完善，目前防盗器按其结构与功能可分四大类：机械式、电子式、芯片式和网络式，各有优劣，但汽车防盗的发展方向是向智能程度更高的芯片式和网络式发展。
1．机械式防盗系统
机械式防盗系统是最常见最古老的防盗装置，主要有三类：方向盘锁，主要是将方向盘与制动脚踏板连接在一起，使其不能做大角度转向或制动，有的可直接使方向盘不能正常使用轮胎锁，即用一套锁具把汽车的一个轮胎固定，使之不能转动；变速器锁，通常在停车后，把换挡杆推回P位或挂挡位置，加上变速锁，可使汽车不能换挡。机械式防盗器的优点是价格便宜，安装简便；缺点是使用不隐蔽，防盗不彻底，拆装麻烦。机械式防盗器只防盗不报警，主要起到限制车辆操作的作用，在防盗方面作用有限。这种防盗器很难抵挡住利用钢锯等重型工具的盗窃方式，但它们却能拖延偷车贼作案的时间。机械防盗装置已经历多次技术升级，目前有了较可靠的方向盘锁和排挡锁等。为了增加防盗安全系数，可以给车辆安装多种机械防盗装置，这样可在一定程度上吓走盗车贼，增加盗贼被发现的可能性。
2．电子式防盗系统
电子式防盗系统是目前应用最广泛的防盗装置，分为单向和双向两种类型。单向的电子防盗系统的主要功能是汽车发生异动时警报器会发出警报引起车主及附近路人的注意；双向电子防盗系统能让车主知道汽车的实时情况，当汽车有异动警报时，遥控器上的显示器会显示汽车的状况，但缺点是有效范围只有100-200米。
电子式防盗系统安装隐蔽，功能齐全，无线遥控，操作简便。其致命伤在于其电子密码和遥控操作方式，当车主用遥控器开关车门时，偷车贼可以用接收器或扫描器盗取遥控器发出的无线电波或红外线，再经过解码，就可以开启汽车的防盗系统，而且，这种防盗器易受雷电、电波等干扰而产生误报警，不能从根本上解决车辆被盗问题。
3．芯片式防盗系统
芯片式数码防盗装置是目前汽车防盗器发展的重点。芯片式数码防盗装置的基本原理是锁住汽车的发动机、电路和油路，在没有芯片钥匙的情况下无法启动车辆。数字化的密码重码率极低，而且要用密码钥匙接触车上的密码锁才能开锁，杜绝了被扫描的弊端。由于优点突出且使用方便，很多进口的高档车及国产大众、广州本田、派力奥等车型己装用原厂的芯片防盗系统。最新面世的第四代电子防盗芯片，具有特殊诊断功能，如已获授权者在读取钥匙保密信息时，能够得到该防盗系统的历史信息，系统中经授权的备用钥匙数目、时间印记以及其他背景信息，成为收发器安全特性的组成部分；独特的射频识别(RFID)技术可保证系统在任何情况下都能正确识别驾驶者忉，当驾驶者接近或远离车辆时可自动识别其身份，打开或关闭车锁。
4．网络式防盗系统
网络式防盗系统是目前最先进最有效的防盗系统，它通过网络实现车门的开关和车辆的起动、截停、定位，及根据车主要求提供远程车况报告等功能。目前主要使用的网络有GSM网络和GPS(卫星定位系统)，其中GPS应用最为广泛。GPS主要靠锁定点火或起动发动机达到防盗的目的。采用GPS技术的汽车反劫防盗系统由安装在指挥中心的中央控制系统、安装在车辆上的移动GPS终端及GSM通信网络组成，接受全球定位卫星发出的定位信息，计算移动目标的经纬基于物联网的汽车防盗系统的研究与设计度、速度和方向，并利用GSM网络的短信息平台作为通信媒介实现定位信息的传输，具有传统GPS通讯方案无法比拟的优势间。一旦汽车被盗或出现异常，指挥中心可立即通过GPS接收终端设备信号，确定汽车实时地理位置和多方面信息，配合各方面力量及网络优势追回汽车，同时能熄灭发动机，使汽车不能行驶。
网络式防盗突破了距离的限制，覆盖范围广，可用于被盗汽车的追踪侦查，可全天候应用，破案速度快，监测定位精度高。GPS防盗技术可以说是一场技术革命，它一改传统防盗器的被动、孤立无助的被动式服务，能为车主提供全方位 的主动式服纠101，是目前其他类型汽车防盗系所不能比拟的。但是该装置需要一套庞大完善的跟踪系统、24小时的人工监控车辆，系统成本和使用费用高，无法广泛应用。
随着物联网技术的发展，物联网技术已经开始应用于物流监控，智能家居，安全防卫，远程医疗和电力安全等各个领域，将其应用于汽车防盗，利用电子标签进行信息采集，将收集的信息传送至互联网，车主可以通过网络随时知道汽车状况，并对汽车进行定位和跟踪以及时追回被盗汽车。
1.4论文的研究内容及意义
本课题在分析物联网技术原理及其应用的基础上，详细阐述了基于物联网的汽车防盗系统的设计和实现，并对系统设计中关键问题进行深入的分析和研究，系统使用有源双频电子标签以满足高速信息采集的需要，利用阅读器的地理位置对汽车进行跟踪定位，应用中间件技术消除数据冗余，其内置的移动通信模块增加系统防盗范围，以安全可靠的公安专网和无所不在的移动通信网为接入网，在保证防盗范围的同时降低了实现成本。论文的核心研究内容是分析并设计了系统中标签与阅读器的防碰撞算法以及中间件的数据过滤方法。
论文首先分析了当前常用的几种多标签防碰撞算法的优点和应用限制，并在此基础上提出了一种基于时间分组的帧时隙ALOHA算法，该算法依据对车流量的定量分析，对主要参数进行了设计，将阅读器识别范围内的标签按照进入时间进行分组，以减少每次响应标签的数量，提高系统的吞吐率；信息查询系统是车主或公安人员获得汽车实时信息的门户，可实时获取被盗汽车的动态。信息查询系统可提供基本信息查询和汽车信息定制。信息查询服务为车主和公安人员提供基本的汽车信息查询服务，车主和公安人员可通过输入汽车车牌号或者发动机编号等信息，并通过密码认证，查看被盗汽车的实时数据。针对系统数据处理过程中产生的数据冗余，设计了两种中间件的数据过滤方法，以实现对非匹配标签码的过滤和重复数据的过滤。
论文研究的意义在于将发展前景广阔的物联网技术应用于汽车防盗，将汽车信息采集并通过公安专网传送至互联网，车主通过互联网随时了解其汽车的实时状况，为汽车防盗安全体系提供了一种新型的解决方案；系统采用无所不在的移动通信网络和安全可靠的公安专网作为接入网，使汽车防盗网络化进一步实现；系统中间件的设计能提高传输效率，减少系统管理和维护工作量，降低运维成本，并可以在实现系统的更新换代以及规模扩大时通过修改中间件系统参数值实现相应的功能，缩短实施周期，减少投入成本，增加物联网技术应用于汽车防盗的可行性。
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