一種基于指紋識(shí)別的藍(lán)牙車鎖設(shè)計(jì)

方子正，劉帥，張智超

（吉林大學(xué)儀器科學(xué)與電氣工程學(xué)院，吉林長(zhǎng)春130061）

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人民生活達(dá)到小康，汽車作為一種代步工具已逐漸被廣泛使用。隨著社會(huì)上汽車的數(shù)量越來(lái)越多，汽車的安全問題越發(fā)嚴(yán)重，汽車盜竊案件時(shí)常發(fā)生。汽車門鎖作為防止汽車被竊的第一道屏障，可以說(shuō)是汽車安全中的重中之重。為了解決汽車門鎖的安全問題，一部分車型上使用了汽車指紋識(shí)別技術(shù)用以提高汽車車門的安全系數(shù)。然而，目前的汽車指紋識(shí)別系統(tǒng)均裝載在汽車車門上，司機(jī)必須要伸手觸碰車門上的指紋識(shí)別系統(tǒng)才能開鎖。這與已有的遙控開鎖相比并不簡(jiǎn)便，且目前汽車指紋識(shí)別系統(tǒng)大多均只配備在高端車型上，普通車型少有配備，這意味著大多數(shù)汽車門鎖的安全問題依然沒有得到解決[1-6]。當(dāng)今，包括智能手機(jī)在內(nèi)的眾多電子產(chǎn)品已經(jīng)將指紋識(shí)別作為了一大賣點(diǎn)。因此，將高安全系數(shù)的指紋識(shí)別技術(shù)與能夠在適當(dāng)距離傳輸數(shù)據(jù)的藍(lán)牙技術(shù)相互結(jié)合，已經(jīng)成為汽車車鎖系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢(shì)。

為了解決汽車的門鎖安全問題，本文設(shè)計(jì)了基于指紋識(shí)別的藍(lán)牙車鎖系統(tǒng)。其通過單片機(jī)將藍(lán)牙模塊與指紋識(shí)別模塊相結(jié)合，讓指紋識(shí)別系統(tǒng)可以隨身攜帶，遠(yuǎn)距離使用，提高了系統(tǒng)的便利性。此外，系統(tǒng)采用了指紋解鎖方式，相比傳統(tǒng)解鎖方式更加可靠。同時(shí)，還可以保證鑰匙丟失或被盜后的車鎖不會(huì)被他人打開，安全性能大幅增強(qiáng)。此外，本系統(tǒng)可以在多個(gè)方面進(jìn)行功能擴(kuò)展，以適應(yīng)不同環(huán)境的特點(diǎn)，提供專門的應(yīng)用需求，適用范圍更加廣泛。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)測(cè)試，文中設(shè)計(jì)的基于指紋識(shí)別的藍(lán)牙車鎖系統(tǒng)能夠遠(yuǎn)程指紋識(shí)別開啟車門，其在5 m內(nèi)的開鎖正確率高達(dá)97%。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

文中提出的基于指紋識(shí)別的藍(lán)牙車鎖電路系統(tǒng)，包括一個(gè)具有指紋解鎖和發(fā)送信號(hào)功能的鑰匙以及一個(gè)具有接收信號(hào)后判斷是否開鎖功能的車鎖。鑰匙部分包括單片機(jī)系統(tǒng)、HC-05藍(lán)牙模塊、fm-608型指紋模塊、12864液晶顯示器、24c02儲(chǔ)存器、鍵盤和供電部分等。車鎖部分包括HC-05藍(lán)牙模塊、單片機(jī)系統(tǒng)、電磁繼電器、LED指示燈、電磁鎖和供電部分等。系統(tǒng)框圖，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

系統(tǒng)主要分為兩個(gè)功能，即指紋信號(hào)的采集和處理以及驗(yàn)證碼的傳輸與對(duì)比。首先，系統(tǒng)的鑰匙部分通過指紋識(shí)別模塊對(duì)用戶的指紋進(jìn)行采集和對(duì)比。然后，根據(jù)對(duì)比的結(jié)果向單片機(jī)系統(tǒng)發(fā)送不同的信號(hào)。單片機(jī)根據(jù)收到的信號(hào)進(jìn)行下一步的動(dòng)作，若是允許開鎖的信號(hào)，則啟動(dòng)串口通信，利用藍(lán)牙模塊將存儲(chǔ)的校驗(yàn)碼發(fā)送至車鎖部分；若是不允許開鎖的信號(hào)，則串口不工作，不發(fā)送校驗(yàn)碼。同時(shí)，鑰匙部分組合報(bào)警系統(tǒng)報(bào)警，表示指紋錯(cuò)誤，不能開鎖。若校驗(yàn)碼發(fā)送與接收成功，則車鎖部分將接受到的校驗(yàn)碼與其內(nèi)部存儲(chǔ)的校驗(yàn)碼進(jìn)行比較，若二者相同則車鎖部分的LED亮起，同時(shí)啟動(dòng)連接的電磁繼電器，電磁鎖上電打開，實(shí)現(xiàn)開鎖功能。經(jīng)一段時(shí)間的延時(shí)后繼電器斷電，電磁鎖斷電關(guān)閉；若兩個(gè)校驗(yàn)碼不同或未接收到校驗(yàn)碼，則車鎖部分的單片機(jī)系統(tǒng)對(duì)外圍設(shè)備不進(jìn)行任何控制，電磁繼電器不動(dòng)作，始終等待下一個(gè)信號(hào)的到來(lái)。

同時(shí)，為防止因手指受傷、手指過臟或因其他一些因素導(dǎo)致的指紋識(shí)別暫時(shí)無(wú)法使用的情況，文中獨(dú)立添加了密碼開鎖的功能，利用鍵盤輸入密碼。與指紋開鎖類似，若輸入的密碼與鑰匙內(nèi)已存儲(chǔ)的密碼相同則發(fā)送校驗(yàn)碼，不相同則不發(fā)送，同時(shí)組合報(bào)警系統(tǒng)響起報(bào)警。

1.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)由鑰匙部分和車鎖部分組成[7-9]。鑰匙部分由FM-608型光學(xué)指紋識(shí)別模塊、24c02存儲(chǔ)芯片、HC-05藍(lán)牙模塊、12864有字庫(kù)液晶、蜂鳴器、5MM紅色LED和單片機(jī)系統(tǒng)組成，系統(tǒng)實(shí)物圖如圖2所示。本次選用的是STC89C52單片機(jī)，具有生產(chǎn)量大、技術(shù)成熟、價(jià)格低廉的優(yōu)勢(shì)。由于52系列單片機(jī)只有一個(gè)全雙工通信串口，因此采用一組微動(dòng)開關(guān)將指紋識(shí)別模塊與藍(lán)牙模塊的串口分離開來(lái)。鑰匙電路外部接線圖，如圖3所示。

圖2 系統(tǒng)實(shí)物圖

車鎖部分則包括HC-05藍(lán)牙模塊、STC89C52單片機(jī)、5MM紅色LED、電磁繼電器和電磁鎖等部分。由于車鎖端只需要與藍(lán)牙模塊進(jìn)行串口通信，因此車鎖上的單片機(jī)串口無(wú)需再使用微動(dòng)開關(guān)，直接與藍(lán)牙模塊相連。車鎖電路外部接線圖，如圖4所示。

1.1.1 指紋識(shí)別模塊

系統(tǒng)采用了FM-608系列光學(xué)指紋模塊。此款指紋識(shí)別模塊以高性能DSP處理器為核心，由光學(xué)指紋傳感器、Flash芯片等共同構(gòu)成，具有以下優(yōu)點(diǎn)：1）算法優(yōu)良，符合指紋行業(yè)現(xiàn)行最高標(biāo)準(zhǔn)；2）反應(yīng)靈敏，指紋適應(yīng)性強(qiáng)；3）可定制自學(xué)習(xí)適應(yīng)功能，根據(jù)使用者的習(xí)慣、氣候等的變化自動(dòng)調(diào)整參數(shù)，做到更好的匹配；4）特定綠色LED高亮光源，抗衰老性能優(yōu)越。

當(dāng)用戶按住指紋識(shí)別模塊時(shí)，該模塊向單片機(jī)發(fā)送感應(yīng)信號(hào)，收到信號(hào)后單片機(jī)系統(tǒng)向指紋識(shí)別模塊發(fā)送指令開始采集用戶的指紋。然后進(jìn)行圖像處理，并根據(jù)DSP中的算法提取指紋特征信息，與已存儲(chǔ)的指紋信息進(jìn)行比對(duì)，再根據(jù)對(duì)比的結(jié)果向單片機(jī)系統(tǒng)發(fā)送不同的信號(hào)。單片機(jī)系統(tǒng)則根據(jù)接收到的不同信號(hào)選擇進(jìn)行下一步的動(dòng)作。指紋識(shí)別模塊同時(shí)肩負(fù)了錄入用戶指紋和刪除用戶指紋的功能。

圖3 鑰匙電路外部接線圖

圖4 車鎖電路外部連接圖

1.1.2 光與聲音的組合報(bào)警系統(tǒng)

當(dāng)指紋識(shí)別模塊經(jīng)過查詢與對(duì)比后發(fā)現(xiàn)指紋不正確時(shí)，系統(tǒng)處理判定指紋錯(cuò)誤，組合報(bào)警系統(tǒng)在鑰匙上啟動(dòng)。此時(shí)，LED燈長(zhǎng)滅，蜂鳴器啟動(dòng)，發(fā)出刺耳的聲音，表示指紋錯(cuò)誤。此用戶無(wú)開鎖權(quán)利，只有按下復(fù)位鍵才能恢復(fù)到系統(tǒng)初始狀態(tài)。若指紋正確，則組合報(bào)警系統(tǒng)不啟動(dòng)，LED燈亮起，蜂鳴器不啟動(dòng)，經(jīng)過短暫的延時(shí)后鑰匙將驗(yàn)證碼發(fā)送至車鎖，車鎖驗(yàn)證無(wú)誤后開鎖。在手指受傷等無(wú)法使用指紋開鎖而需要使用密碼開鎖時(shí)，密碼錯(cuò)誤則組合報(bào)警系統(tǒng)啟動(dòng)，LED燈長(zhǎng)滅，蜂鳴器啟動(dòng)；密碼正確時(shí)組合報(bào)警系統(tǒng)不啟動(dòng)，LED燈亮起，蜂鳴器不啟動(dòng)，其工作過程與使用指紋開鎖時(shí)相同。

1.1.3 藍(lán)牙無(wú)線傳輸系統(tǒng)

HC-05型藍(lán)牙模塊是目前應(yīng)用范圍最廣，技術(shù)成熟，且價(jià)格低廉的藍(lán)牙模塊。通過以下的設(shè)定，可以實(shí)現(xiàn)特定的兩塊藍(lán)牙模塊之間的信號(hào)傳輸與加密：利用上位機(jī)對(duì)藍(lán)牙模塊進(jìn)行初始化時(shí)，首先設(shè)定兩塊藍(lán)牙模塊的主從角色；然后將兩塊藍(lán)牙模塊的地址進(jìn)行綁定，讓其只嘗試與對(duì)方而不與其他的藍(lán)牙模塊配對(duì)連接；最后設(shè)置連接密碼和查詢?cè)L問碼，達(dá)到對(duì)傳輸信號(hào)的加密。利用藍(lán)牙模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸和實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的加密不僅方法簡(jiǎn)單，且具有較高的可靠性。

1.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件包括鑰匙和車鎖共兩部分程序[10-15]。鑰匙部分程序流程圖，如圖5所示。

圖5 鑰匙部分程序流程圖

鑰匙部分啟動(dòng)后，先進(jìn)行初始化操作并判斷鑰匙是否與車鎖連接成功。若不成功，則繼續(xù)返回創(chuàng)建連接；若成功，則判斷是否有指紋。若有指紋輸入，則進(jìn)行指紋匹配，當(dāng)指紋匹配成功時(shí)，發(fā)送開鎖信號(hào)；若匹配不成功，則返回繼續(xù)采集指紋。當(dāng)指紋輸入次數(shù)達(dá)到上限時(shí)，斷電退出。

車鎖部分程序流程圖，如圖6所示。系統(tǒng)啟動(dòng)后進(jìn)行初始化操作，并判斷車鎖是否連接鑰匙。若連接成功，則接收校驗(yàn)碼并與車鎖系統(tǒng)內(nèi)部存儲(chǔ)的校驗(yàn)碼進(jìn)行匹配。若匹配成功，則開鎖；若匹配不成功，則繼續(xù)接收校驗(yàn)碼。

圖6 車鎖部分程序流程圖

2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

文中在25℃溫度下且鎖與鑰匙之間無(wú)障礙物的條件下對(duì)本車鎖系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試。鑰匙端初始化界面如圖7所示，開鎖頁(yè)面如圖8所示。根據(jù)測(cè)試結(jié)果，系統(tǒng)基本達(dá)到了所需的功能要求。在實(shí)際的測(cè)試中，鑰匙部分的指紋識(shí)別模塊與單片機(jī)和藍(lán)牙模塊之間的通訊穩(wěn)定，在鑰匙部分基本可以實(shí)現(xiàn)指紋的錄入、刪除、對(duì)比和匹配。表1和表2分別為鑰匙與車鎖相距5 m時(shí)指紋開鎖及密碼開鎖性能。由表可知，鑰匙與車鎖相距5 m時(shí)指紋解鎖成功率為97.3%，而密碼解鎖成功率為99%；表3、表4分別為鑰匙離車鎖相距10 m時(shí)指紋開鎖以及密碼開鎖性能。由表可知，當(dāng)鑰匙離車鎖相距10 m時(shí)指紋解鎖成功率下降到72%，而密碼解鎖成功率下降到69.7%。因此，建議在鑰匙與車鎖相距較近的情況下使用鑰匙開鎖，以免出現(xiàn)過多信號(hào)丟失的情況。

圖7 鑰匙端初始化界面

圖8 成功開鎖界面

表1 在5 m的距離上測(cè)試指紋開鎖系統(tǒng)性能（測(cè)試300次）

表2 在5 m的距離上測(cè)試密碼開鎖系統(tǒng)性能（測(cè)試300次）

表3 在10 m的距離上測(cè)試指紋開鎖系統(tǒng)性能（測(cè)試300次）

表4 在10 m的距離上測(cè)試密碼開鎖系統(tǒng)性能（測(cè)試300次）

3 結(jié)束語(yǔ)

目前，隨著社會(huì)上汽車數(shù)量的增多，其帶來(lái)的汽車安全問題也日益顯著。指紋識(shí)別作為一種人體識(shí)別技術(shù)，其能夠在一定程度上增大汽車車門的防盜能力，然而市面上指紋識(shí)別的汽車車鎖較少，且均是固定在汽車本身，并沒有可以遙控使用的指紋識(shí)別車鎖系統(tǒng)。為此，本文通過單片機(jī)將藍(lán)牙模塊與指紋識(shí)別模塊結(jié)合起來(lái)，設(shè)計(jì)了基于指紋識(shí)別的藍(lán)牙車鎖系統(tǒng)，該系統(tǒng)使得指紋識(shí)別系統(tǒng)可以隨身攜帶，遠(yuǎn)距離使用，提高了系統(tǒng)的便利性。此外，系統(tǒng)采用了指紋解鎖方式，相比傳統(tǒng)解鎖方式更加可靠，同時(shí)還可以保證鑰匙丟失或被盜后的車鎖不會(huì)被他人打開，安全性能大幅增強(qiáng)。通過多次試驗(yàn)可知，本文設(shè)計(jì)的基于指紋識(shí)別的藍(lán)牙車鎖系統(tǒng)能夠遠(yuǎn)程指紋識(shí)別開啟車門，其在5 m內(nèi)的開鎖正確率高達(dá)97%。該車鎖系統(tǒng)成本低、安全系數(shù)高，使用方便并具備自動(dòng)報(bào)警功能等優(yōu)勢(shì)，是可以為目前和未來(lái)人們使用汽車帶來(lái)更多的便利的一款小型安全設(shè)備。