基于手機
—電子鑰匙指紋識別汽車防盜系統設計*

陳啟新，羅衛(wèi)東，張　立，何明山

(貴州大學 機械工程學院，貴州　貴陽　550025)

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基于手機
—電子鑰匙指紋識別汽車防盜系統設計*

陳啟新，羅衛(wèi)東▲，張立，何明山

(貴州大學 機械工程學院，貴州貴陽550025)

現普遍使用電子鑰匙實現對車輛開 / 關門功能的控制，但存在鑰匙易丟失以及鑰匙易被盜而導致車主無法操控車輛甚至發(fā)生車輛被盜的風險。通過設計在電子鑰匙中植入指紋識別芯片作為第一道開 / 關門安全防線，同時在手機中加載基于指紋識別的車輛開 / 關安全防盜軟件，可以通過手機對電子鑰匙與車輛內部存儲的預留信息進行更新。使用基于指紋識別的手機—電子鑰匙防盜系統可以在提高便捷操控的同時，增加雙重生物識別技術，提升車輛防盜性能，該設計具有很大市場推廣價值。

電子鑰匙，指紋識別，安全防線，生物識別技術

0　引言

汽車防盜技術的發(fā)展歷經機械式、電子式、芯片式及網絡式防盜系統，電子鑰匙發(fā)展成為當今車輛防盜系統。機械式防盜系統存在許多缺陷已退出舞臺；電子式防盜系統要求車輛必須裝有電控發(fā)動機才滿足使用條件；芯片式防盜系統成本高，僅裝備在高級轎車上；網絡式防盜系統功能強大，但技術含量高，同時需政府配合公安設立監(jiān)控中心，并且車主要向監(jiān)控中心繳納較高費用，推廣困難，國際上僅有少數國家正在試行[1]。

隨汽車防盜技術的發(fā)展，車輛盜竊技術也在不斷發(fā)展，現電子鑰匙已無法應對當今盜竊問題。本文研究將電子鑰匙指紋識別技術作為第一道防線，應用植入指紋識別車輛控制軟件的智能手機作為安全性更高的第二道防線，具有兩道生物識別技術車輛防線，在便捷操作的同時，提升車輛防盜性能。

1　智能手機中的指紋識別技術

1.1指紋識別技術

1.1.1優(yōu)勢

指紋識別技術是生物識別技術的一種，但相比于手形識別、面部識別、語音識別、虹膜識別以及簽名識別等生物識別技術具有其獨特優(yōu)勢[2]，例如：

唯一性：指紋是人體獨一無二的特征，世界上沒有任何兩個人的指紋會相同；

多選性：一個人有十根手指且指紋均不相同，因而可以設置多重口令對比多個指紋；

成本低：一方面，指紋識別技術十分成熟，生產制造成本低且指紋信息電子存儲，無需專業(yè)人員人工甄別[3]；另一方面，指紋面積小，不需要復雜高昂的大型設備即可輕易采集并且易于快速對比分析；

可靠性高：人的一生指紋基本不發(fā)生變化，避免了時間對指紋識別可靠性的影響；

指紋識別技術與幾種生物識別技術特點分析[2]比較如表1所示。

表1　各種生物識別技術對比Tab.1　Various biometric technologies compared

1.1.2 指紋識別流程

指紋識別技術在存儲指紋數據時需確保指紋采集的準確性與可靠性。指紋采集器采集面積一般比較小，采集的指紋圖像質量易受外界環(huán)境影響，如手濕、手干或手指放置過偏等都會造成圖像質量嚴重下降，從而無法進行精確匹配[4]。因此，指紋采集需進行預處理過程，預處理過程如圖1所示。

指紋識別主要識別流程[5、6]如圖2所示。

1.2指紋識別硬件系統

1.2.1系統硬件結構框圖

本系統需要具有對外部 I / O 信號的處理，如按鍵、指示燈信號等。因此通過總線擴展了 16 I / O接口，包括檢測外部信號、讀寫訪問和控制外部設備[7]。系統硬件結構框圖如圖 3 所示。

圖1　指紋圖像預處理流程圖Fig.1　The flow chart of the fingerprint image preprocessing

圖2　指紋識別流程圖Fig.2　The flow chart of fingerprint identification

圖3　系統硬件結構框圖Fig.3　The system hardware structure diagram

1.2.2指紋識別傳感器

指紋識別傳感器主要類型有溫差感應式指紋傳感器、半導體指紋傳感器和超聲波指紋掃描識別傳感器等。本次設計選用 Veridicom 公司的 FPS200 指紋傳感器[5]，FPS200 內部結構圖如圖4所示。

圖4　FPS200內部結構圖Fig.4　The internal structure

1.2.3電源管理模塊

本文采用TI公司DSP芯片，型號TMS320 VC5410，電源管理模塊部分電路圖如圖5所示。

圖5　電源管理模塊部分電路圖Fig.5　The part of the circuit diagram of power management

1.2.4GSM RF模塊

GSM模塊是將GSM 射頻芯片、基帶處理芯片、存儲器、功放器件等集成在一塊線路板上，具有獨立的操作系統、GSM射頻處理、基帶處理并提供標準接口的功能模塊。

本研究采用西門子TC35i模塊，主要由供電模塊(ASIC)、閃存、ZIF連接器、天線接口等6部分組成。當電子鑰匙指紋識別三次發(fā)出信號均錯誤時，車輛內置GSM模塊將發(fā)送報警短信給車主以及另一車主指定聯系人手機中；若使用車主手機三次均無法解鎖車門，GSM模塊則將報警短信僅發(fā)送到另一指定聯系人手機中。

1.3系統軟件功能

本系統主要包含：指紋算法的嵌入式微處理器DSP模塊、指紋采集模塊、CPLD邏輯控制模塊、電源管理模塊、存儲模塊等部分[5]。其硬件總體架構如圖6所示。

圖6　系統硬件體系架構框圖Fig.6　The system hardware architecture diagram

手機中車輛指紋識別智能防盜軟件主要有以下四大功能：

1)車輛信息導入功能：

2)車主信息導入功能；

3)常用指紋采集功能；

4)臨時指紋采集功能。

1.3.1信息導入功能

顧客購買汽車時，可通過商店網絡，對車輛進行注冊留底備份時，將軟件從商店里下載并安裝到手機。商店將消費者所購買車輛相關信息輸入手機控制軟件，將手機與車輛信息參數進行綁定，軟件設置僅車主通過指紋識別方可進行更改。

通過指紋識別后進入第二級操作模塊?？刂葡到y設置模塊僅車主具有更改權限，確保其他汽車使用者僅具有使用權限而不具有獲取以及更改車輛信息的權限，提升車輛安全性。

1.3.2常用指紋采集模塊

車主可將家人及經常使用車輛者的指紋存儲于軟件，且僅車主才有權限進行該功能操作，一輛車可為多人所用而無需每次更改車輛使用者的指紋存儲，確保車主具有車輛使用權的絕對控制權限。

1.3.3臨時指紋采集

車主將車輛臨時借給他人時，“臨時指紋采集功能”允許車主將借用者指紋輸入手機進行臨時存儲以允許車輛臨時使用權的增加，事后車主可將臨時存儲指紋刪除，方便車主對車輛的借用管理。

2　車門解鎖控制策略

電子鑰匙遙控基本原理[8]：從車主身邊發(fā)出微弱的電波，由汽車天線接收該電波信號，經電子控制器ECU識別信號代碼，再由該系統的執(zhí)行器(電動機或電磁線圈)執(zhí)行開 / 關鎖的動作。

本文研究單獨使用電子鑰匙和單獨使用手機兩種方式對車門控制，以及使用手機對車輛與電子鑰匙的管理控制策略。

2.1電子鑰匙解鎖

電子鑰匙內置一個指紋識別信號傳感器，手機軟件將存儲于軟件中的許可指紋信息更新存儲于電子鑰匙內置的指紋識別芯片中。當電子鑰匙內置指紋識別傳感器識別芯片識別到使用者指紋為有效指紋時，電子鑰匙將解鎖信號通過內置信號發(fā)射裝置無線傳輸到車門解鎖信號接收裝置中，車門接收有效信號后打開，車輛可正常使用；若使用者按壓電子鑰匙3次仍未能成功通過識別，車門將進行自動鎖死，必須由車主本人方可解鎖，同時車輛內置TC35i中的GSM RF模塊將車輛報警短信同時發(fā)送到車主以及車主設定的其他聯系人手機中。電子鑰匙解鎖流程示意圖如圖7所示。

圖7　電子鑰匙解鎖流程示意圖Fig.7　The diagram of electronic key to unlock

2.2手機解鎖

手機中車輛控制軟件設有一虛擬電子鑰匙界面，具體原理：將與電子鑰匙內置的指紋識別芯片相似軟件安置下載于手機中，該軟件中包括所有對車輛歸屬功能的設定，但任一功能設置及更改，必須是車輛所有者方可進行操作。可防止因手機丟失或被盜時，非車主使用該手機對車輛設置進行更改而產生損失，提高車輛安全性能。若使用者使用手機解鎖三次均無法正確識別確認為有效指紋時，車輛內置GSM RF模塊將發(fā)送車輛報警短信至除車主外地指定聯系人。

使用手機進行解鎖操作流程圖如圖8所示。

圖8　手機解鎖流程圖Fig.8　Mobile phone unlock flow chart

3　手機—電子鑰匙復合防盜系統

3.1手機—電子鑰匙復合控制的實現

車門中控臺位置布置有信號接收裝置。當車門信號接收裝置接收到電子鑰匙或手機發(fā)出的解鎖信號時，中控臺將通過電子控制機構解鎖車門，同時中控臺將發(fā)送指令到發(fā)動機啟動線路控制模塊，命令控制模塊將連接發(fā)動機連接線路，車輛可正常使用。當車輛控制軟件中存儲信息變化后，可通過手機將變化后的信息同步到車門信號接收裝置及電子鑰匙中。利用手機將車輛控制軟件與電子鑰匙結合，實現復合防盜功能。

手機—電子鑰匙復合防盜系統圖如圖9所示。

圖9　手機—電子鑰匙復合防盜系統Fig.9　Mobile phone-Electronic key compound security system

3.2車門信號接收方式

電子鑰匙使用汽車遙控門禁系統(RKE)[9]，該系統應用于汽車防盜方面的無線通訊領域。

RKE工作基本原理[10]：在電子鑰匙中內置有預先在芯片，芯片內植入預先選定算法的軟件。當電子鑰匙接收到按壓信息時，軟件根據識別到的信息進行分析信息是否為有效數據幀信息。當且僅當電子鑰匙識別到的信息為有效信息時才將解鎖信息發(fā)送至汽車實時信號接收設備，在接收到有效無線載波信號后，汽車執(zhí)行相應的解鎖動作。

在對有效滾碼與按鍵信息進行判斷后，車上的控制系統執(zhí)行鎖定或解鎖動作。工作流程如圖10所示。

圖10　按鍵工作流程Fig.10　The process of key working

3.3設計可行性分析

本文設計的“基于手機—電子鑰匙指紋識別汽車防盜系統”的關鍵技術在于通過無線控制遙感技術將目前技術十分成熟的智能手機指紋技術與內嵌于電子鑰匙中的指紋識別技術利用最優(yōu)化的方案，創(chuàng)新性地進行結合后形成安全性能更高的車輛防盜。對于智能手機指紋識別技術已經是一種目前存在的技術成熟且成本較低的高新生物識別技術，同時將指紋識別芯片內置于電子鑰匙中也已是技術十分成熟且成本不高并早已應用于上班考勤、門衛(wèi)監(jiān)控等領域的安全性能較高的生物識別技術。因此，對于該設計方案而言已不存在尚未攻克的技術性難題，僅僅是如何選擇更優(yōu)方案進行更加合理連接的問題，降低連接的成本。由于該設計方案能夠提供操作方便、安全性能更高的車輛復合防盜系統優(yōu)勢，其推廣具有很大的市場效益。

4　結論

1)電子鑰匙增加指紋識別環(huán)節(jié)，作為第一道防線，既便捷操作又提高防盜性能；手機內置基于指紋識別的車輛控制軟件，不僅可管理車輛信息，亦可通過手機對車輛進行控制而無需電子鑰匙，擺脫隨身攜帶電子鑰匙的負擔。

2)手機—電子鑰匙復合防盜系統決定手機作為控制終端，手機控制成為更高級的第二道防線：一方面控制車門裝置存儲內容，另一方面決定電子鑰匙內部存儲的信息，使電子鑰匙及車門內存信息與手機一致，減少因電子鑰匙丟失或被盜而產生的風險與損失。同時車輛中內置GSM RF模塊可設置多個報警信號接收者，提高提前預防車輛被盜風險，保護車主財產安全。

3)該設計方案不存在尚未攻克的技術難題，僅在于選擇何種最優(yōu)方案，具有較大市場推廣價值。

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Automobile anti-theft system based on mobile phone-electronic key fingerprint identification technology*

CHEN Qixin，LUO Weidong▲，ZHANG Li，HE Mingshan

(SchoolofMechanicalEngineering，GuizhouUniversity，GuizhouGuiyang550025China)

Electronic keys are now widely used to realize the function of opening or closing car doors，but the keys are easy to be lost or stolen，which will cause the problem for driver that him or her cannot control the vehicle or even make the car be at the risk of being stolen.The electronic key with embedded fingerprint identification chip is used as the first security defense to car doors.The anti-theft security software based on fingerprint identification is loaded in the cell phone to open or close car doors as the second security defense.This method not only provides a convenient control way but also increases double biological recognition technologies which improves the vehicle anti-theft performance.This design has a great value for popularizing.

electronic key，fingerprint identification，security line，biological recognition technology

U471.15

A

1003-6563(2016)04-0091-06

2016-05-27；

2016-06-03

貴州大學研究生創(chuàng)新基金項目[研理工2014022]資助；貴陽市科技計劃項目[筑科合同(2011101)1-27號]資助。

陳啟新(1990-)，男，福建南平人，漢族，碩士研究生，研究方向：汽車及其關鍵零部件的設計。

▲羅衛(wèi)東(1962-)，男，貴州習水人，漢族，教授，碩士生導師，研究方向：汽車及其關鍵零部件的設計。