基于指紋識(shí)別的汽車防盜系統(tǒng)*

王麗娜，馮雪麗

(杭州科技職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，浙江杭州311402)

0 引言

近年來(lái)，隨著人們生活水平的提高，汽車保有量不斷增加，已經(jīng)成為人們?nèi)粘９ぷ骱蜕钪蟹浅Ｖ匾慕煌üぞ?，汽車的安全使用和安全防盜已成為廣大用戶和汽車制造商關(guān)注的熱點(diǎn)［1］。目前，根據(jù)結(jié)構(gòu)不同，汽車防盜裝置可分為三大類:機(jī)械式、電子式、網(wǎng)絡(luò)式。它們雖然在汽車安全防盜方面，起到了積極的作用。但是也存在著局限性。例如，機(jī)械式防盜系統(tǒng)通過(guò)對(duì)離合、油門或者轉(zhuǎn)向盤的鎖定達(dá)到汽車防盜的目的。這種設(shè)置易于安裝，但拆裝比較麻煩，只防盜不報(bào)警，不夠隱蔽，占用駕駛室空間，基本上已經(jīng)被淘汰;電子式防盜器使用頻率一般為300 MHz ～350 MHz，這一頻段的電子波干擾源較多，容易導(dǎo)致誤報(bào)警;網(wǎng)絡(luò)式防盜系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)信息反饋，報(bào)警效果好，但成本高，在沒(méi)有完善配套設(shè)施的地方，系統(tǒng)因?yàn)樾畔呙韪采w存“盲區(qū)”而不能正常工作［2］。

針對(duì)上述汽車報(bào)警器存在的問(wèn)題，本研究利用指紋的唯一性、終身不變性和不易偽造性等特點(diǎn)，在傳統(tǒng)汽車防盜技術(shù)的基礎(chǔ)上，將指紋作為車主身份識(shí)別的依據(jù)，提出一種有效可靠的基于指紋識(shí)別的汽車防盜系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。

1 系統(tǒng)功能

該系統(tǒng)通過(guò)采集、匹配用戶的指紋信息以判斷用戶身份是否合法，然后對(duì)汽車進(jìn)行開(kāi)門、點(diǎn)火和報(bào)警的控制。例如指紋點(diǎn)火，系統(tǒng)在指紋庫(kù)中先存入用戶的指紋模板信息。系統(tǒng)利用指紋識(shí)別模塊的指紋傳感器采集用戶活體指紋信息，并將指紋信息傳送給指紋模塊的高性能DSP 處理器，經(jīng)處理器處理后，把匹配結(jié)果送給微控制器，微控制器是整個(gè)系統(tǒng)的核心，由它完成系統(tǒng)的外圍控制、報(bào)警等。如果匹配成功，則確認(rèn)操作者身份合法，微控制器發(fā)出汽車點(diǎn)火信號(hào)，接通供油控制電路和點(diǎn)火控制電路，使汽車正常啟動(dòng);若用戶身份不合法，系統(tǒng)將切斷汽車供油控制電路和點(diǎn)火控制電路，接通聲光報(bào)警裝置。在通過(guò)指紋驗(yàn)證用戶身份時(shí)，有3 次驗(yàn)證機(jī)會(huì)，3 次均失敗后，則切斷電路油路啟動(dòng)系統(tǒng)中的報(bào)警電路模塊。如果盜賊試圖破壞該基于指紋識(shí)別的汽車防盜系統(tǒng)(例如:強(qiáng)行斷開(kāi)指紋采集模塊與系統(tǒng)控制電路之間的連線)，汽車也會(huì)開(kāi)啟報(bào)警系統(tǒng)，通過(guò)鳴號(hào)、閃燈向外發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

系統(tǒng)可以通過(guò)外圍控制中的LCD 液晶模塊設(shè)置設(shè)防或解防，但車主要先通過(guò)指紋識(shí)別系統(tǒng)匹配指紋成功才能操作LCD 液晶模塊，進(jìn)入管理員權(quán)限，可將系統(tǒng)設(shè)置為解防或設(shè)防模式，方便車輛維修等。不具有管理員權(quán)限的用戶無(wú)法使用該功能。同理，具有管理員權(quán)限的用戶可通過(guò)LCD 液晶模塊進(jìn)行添加和刪除指紋管理操作。密碼應(yīng)急啟動(dòng)操作是指在車主手指受傷無(wú)法進(jìn)行指紋采集的情況下通過(guò)鍵盤輸入密碼來(lái)啟動(dòng)汽車。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

根據(jù)汽車防盜功能的需求，為了使系統(tǒng)更容易被開(kāi)發(fā)，指紋識(shí)別防盜系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示［3-6］。

系統(tǒng)硬件電路主要包括:ARM Cortex-M3 微處理器LPC1765、以TMS320VC5402 為核心的指紋識(shí)別模塊、聲光報(bào)警模塊、汽車接口電路、鍵盤和LCD 電路。LPC1765 是系統(tǒng)微處理器，是系統(tǒng)的核心，完成對(duì)系統(tǒng)的外圍控制。

圖1 汽車指紋識(shí)別防盜系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

2.1 微處理器

該系統(tǒng)采用32 位微控制器LPC1765，它是由恩智浦半導(dǎo)體(NXP)公司生產(chǎn)，基于第二代ARM Cortex-M3 內(nèi)核。LPC1765 擁有256 KB 片上閃存、64 KB 片上SRAM，還支持各種外設(shè)，有70 個(gè)通用I/O 引腳(為信號(hào)傳輸和人機(jī)界面電路的設(shè)計(jì)提供了條件)、4 個(gè)異步串口(UART0，1，2，3)、標(biāo)準(zhǔn)JTAG 調(diào)試接口、10/100以太網(wǎng)MAC 等。

該微處理器含有一個(gè)支持優(yōu)先中斷自動(dòng)喚醒的喚醒中斷控制器(WIC:wake-up interrupt controller)，使得它能夠快速高效地進(jìn)出低功耗休眠狀態(tài)，它具有的4種節(jié)能模式(睡眠、深度睡眠、掉電和深度掉電)也為降低控制系統(tǒng)功耗提供了條件，另外，其每個(gè)外設(shè)都自帶時(shí)鐘分頻器，可以進(jìn)一步降低功耗。LPC1765 具有高性能、低功耗、接口豐富和體積小等優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)提供全方位系統(tǒng)外設(shè)，大大減少了整個(gè)系統(tǒng)的成本。

2.2 指紋識(shí)別模塊

該系統(tǒng)采用一個(gè)單獨(dú)的指紋識(shí)別模塊，由采用光學(xué)指紋傳感器的指紋頭、DSP 處理芯片、Flash 等構(gòu)成，具有獨(dú)立的指紋信息采集、指紋信息處理、指紋匹配、指紋搜索和指紋模板存儲(chǔ)等多項(xiàng)功能，可以更好地采集和處理指紋。該指紋識(shí)別模塊的處理器是高性能DSP 處理芯片TMS320VC5402，該芯片具有很高的處理速度和操作靈活性。

該指紋識(shí)別模塊具有以下三大優(yōu)點(diǎn):①適應(yīng)性強(qiáng)，通過(guò)利用參數(shù)的自適應(yīng)調(diào)節(jié)機(jī)制讀取指紋信息，無(wú)論干濕手指都可以獲得較好的指紋圖像信息;②算法優(yōu)異，是基于光學(xué)頭成像原理而設(shè)計(jì)的算法，該算法對(duì)變形、質(zhì)量差指紋均有較強(qiáng)的校正和容錯(cuò)能力;③低功耗，該模塊為用戶提供了休眠、喚醒控制接口，適用于低功耗應(yīng)用。

指紋識(shí)別模塊外部接口共有6 個(gè)管腳，管腳1 是VIN，電源輸入端，需要3.6 V ～10 V 的直流電供電;管腳2 是TD，是數(shù)據(jù)發(fā)送端;管腳3 是RD，是數(shù)據(jù)接收端;管腳4 是NC，為空端子;管腳5 是EN，為使能控制端，懸空或接上拉電阻時(shí)模塊正常工作，切斷內(nèi)部電源時(shí)，模塊不工作;管腳6 是GND，接地端。指紋識(shí)別模塊與系統(tǒng)微控制器LPC1765 之間通過(guò)串口進(jìn)行通信，接口電路如圖2所示。

圖2 指紋識(shí)別模塊與LPC1765 接口電路圖

由于微控制器LPC1765 帶有四通道通用異步串行數(shù)據(jù)總線UART，可以實(shí)現(xiàn)全雙工5 到8 位串行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，支持DMA 和中斷方式，并且LPC1765 處理器的UART 串口和指紋識(shí)別模塊的串口均采用TTL 電平，兩者可以直接連接通信。在設(shè)計(jì)時(shí)，筆者選用LPC1765 的RXD0、TXD0 管腳分別與指紋識(shí)別模塊的發(fā)送端TD 和接收端RD 相連。

上電后，LPC1765 以發(fā)送指令的方式指使指紋識(shí)別模塊完成相應(yīng)動(dòng)作。指紋識(shí)別模塊與處理器LPC1765 之間的異步串行通信數(shù)據(jù)格式如圖3所示。

圖3 UART 數(shù)據(jù)幀格式

本研究用起始位“0”表示數(shù)據(jù)傳輸?shù)拈_(kāi)始，然后是由低到高的8 位數(shù)據(jù)位，接下來(lái)是1 位奇偶校驗(yàn)位(這里不使用)，最后用停止位“1”標(biāo)志一個(gè)字符傳送的結(jié)束。UART 的時(shí)鐘采用PCLK，配置系統(tǒng)的PCLK為60 M，波特率被設(shè)置為115 200 bps，數(shù)據(jù)位為8，停止位為1，無(wú)校驗(yàn)。

2.3 聲光報(bào)警系統(tǒng)

當(dāng)指紋識(shí)別模塊經(jīng)過(guò)3 次采集和匹配均不成功時(shí)，系統(tǒng)處理判定為報(bào)警信息，聲光報(bào)警系統(tǒng)便會(huì)啟動(dòng)。聲光報(bào)警電路如圖4所示。RT0100 內(nèi)建低靜態(tài)電流的RC 振蕩電路。振蕩電路的輸入端為1、2 腳;4腳為接地端;5、6 腳為報(bào)警信號(hào)頻率輸出端，由3 腳控制其頻率輸出，如果3 腳為低電平則不輸出頻率，為高電平則輸出;7 腳為電源，并通過(guò)LPC1765 的I/O 口來(lái)控制;8 腳為空端子懸空。

2.4 液晶模塊設(shè)計(jì)

圖4 聲音報(bào)警控制電路

該系統(tǒng)的微處理器LPC1765 沒(méi)有集成LCD 控制器，所以本研究通過(guò)使LPC1765 外接一個(gè)帶控制器的LCD 模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)液晶顯示。該設(shè)計(jì)選擇的帶控制器的LCM 是點(diǎn)陣為240 ×64 的HG240641V2-B-LWH-SV液晶顯示模組，LCD 的控制器芯片是T6963C，由清達(dá)光電技術(shù)有限公司生產(chǎn)。

該液晶顯示模塊工作電源電壓是+5 V，而系統(tǒng)微處理器LPC1765 的I/O 需要3.3V 的電源供電，所以需要電平轉(zhuǎn)換芯片將二者連接起來(lái)。本研究使用兩片SN74LVC4245A(電平轉(zhuǎn)換芯片)和一個(gè)10 ×2 的接插件將LPC1765 與LCM 連接。SN74LVC4245A 是用于實(shí)現(xiàn)3.3 V 環(huán)境與5 V 環(huán)境之間轉(zhuǎn)換的一塊芯片，是為數(shù)據(jù)總線之間的異步通訊而設(shè)計(jì)的，該器件實(shí)現(xiàn)將數(shù)據(jù)從A 總線傳送至B 總線或者是從B 總線送至A總線。在液晶顯示模塊接口電路中，一片SN74LVC4245A 用于從LPC1765 向LCM 發(fā)送命令，另一片用于實(shí)現(xiàn)LPC1765 與LCM 之間的通信。LCD 接口電路如圖5所示。

圖5 LCD 接口電路

3 軟件設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)指紋識(shí)別防盜系統(tǒng)的系統(tǒng)功能，軟件部分主要由模式設(shè)置程序(包括設(shè)防模式和解防模式)、應(yīng)急密碼程序(包括應(yīng)急密碼修改和應(yīng)急密碼啟動(dòng))、指紋管理程序(包括登記合法用戶指紋信息和指紋刪除)，以及指紋開(kāi)門程序、指紋啟動(dòng)程序等部分組成。軟件結(jié)構(gòu)框圖如圖6所示［7-8］。本研究在設(shè)防模式下執(zhí)行指紋開(kāi)門和指紋啟動(dòng)程序。

圖6 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖

指紋啟動(dòng)程序流程圖如圖7所示。指紋啟動(dòng)程序主要任務(wù)是通過(guò)獲取指紋、匹配指紋從而判斷用戶是否合法，根據(jù)匹配結(jié)果給出相應(yīng)的點(diǎn)火或拒絕操作命令。LPC1765 處理器向指紋識(shí)別模塊發(fā)出指紋獲取和匹配命令，指紋識(shí)別模塊采集到用戶指紋特征并與系統(tǒng)中授權(quán)用戶的指紋進(jìn)行匹配，匹配成功，則解除系統(tǒng)防盜狀態(tài)，接通汽車點(diǎn)火電路。第一次匹配失敗后，還有2 次輸入指紋與庫(kù)中指紋相匹配的機(jī)會(huì)，3 次輸入均匹配不成功，則鎖止系統(tǒng)電路油路并報(bào)警。

圖7 指紋啟動(dòng)程序流程圖

4 結(jié)束語(yǔ)

本研究利用人體指紋唯一性和長(zhǎng)期不變性的重要特征，采用32 位低功耗處理器LPC1765，結(jié)合指紋識(shí)別技術(shù)提出了一種車載智能防盜控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，通過(guò)指紋識(shí)別驗(yàn)證車主身份、控制汽車的開(kāi)門、點(diǎn)火，身份經(jīng)過(guò)3 次機(jī)會(huì)驗(yàn)證失敗則通過(guò)鎖止汽車電路油路和聲光報(bào)警達(dá)到防盜的目的。該防盜系統(tǒng)以ARM Cortex-M3 微處理器為核心，為擴(kuò)展其功能和進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)提供了條件。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了該設(shè)計(jì)方案的合理性和可行性，系統(tǒng)達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

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