陳啟新，羅衛(wèi)東，張　立，何明山

(貴州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，貴州　貴陽(yáng)　550025)

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基于手機(jī)
—電子鑰匙指紋識(shí)別汽車防盜系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

陳啟新，羅衛(wèi)東▲，張立，何明山

(貴州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，貴州貴陽(yáng)550025)

現(xiàn)普遍使用電子鑰匙實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛開(kāi) / 關(guān)門(mén)功能的控制，但存在鑰匙易丟失以及鑰匙易被盜而導(dǎo)致車主無(wú)法操控車輛甚至發(fā)生車輛被盜的風(fēng)險(xiǎn)。通過(guò)設(shè)計(jì)在電子鑰匙中植入指紋識(shí)別芯片作為第一道開(kāi) / 關(guān)門(mén)安全防線，同時(shí)在手機(jī)中加載基于指紋識(shí)別的車輛開(kāi) / 關(guān)安全防盜軟件，可以通過(guò)手機(jī)對(duì)電子鑰匙與車輛內(nèi)部存儲(chǔ)的預(yù)留信息進(jìn)行更新。使用基于指紋識(shí)別的手機(jī)—電子鑰匙防盜系統(tǒng)可以在提高便捷操控的同時(shí)，增加雙重生物識(shí)別技術(shù)，提升車輛防盜性能，該設(shè)計(jì)具有很大市場(chǎng)推廣價(jià)值。

電子鑰匙，指紋識(shí)別，安全防線，生物識(shí)別技術(shù)

0　引言

汽車防盜技術(shù)的發(fā)展歷經(jīng)機(jī)械式、電子式、芯片式及網(wǎng)絡(luò)式防盜系統(tǒng)，電子鑰匙發(fā)展成為當(dāng)今車輛防盜系統(tǒng)。機(jī)械式防盜系統(tǒng)存在許多缺陷已退出舞臺(tái)；電子式防盜系統(tǒng)要求車輛必須裝有電控發(fā)動(dòng)機(jī)才滿足使用條件；芯片式防盜系統(tǒng)成本高，僅裝備在高級(jí)轎車上；網(wǎng)絡(luò)式防盜系統(tǒng)功能強(qiáng)大，但技術(shù)含量高，同時(shí)需政府配合公安設(shè)立監(jiān)控中心，并且車主要向監(jiān)控中心繳納較高費(fèi)用，推廣困難，國(guó)際上僅有少數(shù)國(guó)家正在試行[1]。

隨汽車防盜技術(shù)的發(fā)展，車輛盜竊技術(shù)也在不斷發(fā)展，現(xiàn)電子鑰匙已無(wú)法應(yīng)對(duì)當(dāng)今盜竊問(wèn)題。本文研究將電子鑰匙指紋識(shí)別技術(shù)作為第一道防線，應(yīng)用植入指紋識(shí)別車輛控制軟件的智能手機(jī)作為安全性更高的第二道防線，具有兩道生物識(shí)別技術(shù)車輛防線，在便捷操作的同時(shí)，提升車輛防盜性能。

1　智能手機(jī)中的指紋識(shí)別技術(shù)

1.1指紋識(shí)別技術(shù)

1.1.1優(yōu)勢(shì)

指紋識(shí)別技術(shù)是生物識(shí)別技術(shù)的一種，但相比于手形識(shí)別、面部識(shí)別、語(yǔ)音識(shí)別、虹膜識(shí)別以及簽名識(shí)別等生物識(shí)別技術(shù)具有其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)[2]，例如：

唯一性：指紋是人體獨(dú)一無(wú)二的特征，世界上沒(méi)有任何兩個(gè)人的指紋會(huì)相同；

多選性：一個(gè)人有十根手指且指紋均不相同，因而可以設(shè)置多重口令對(duì)比多個(gè)指紋；

成本低：一方面，指紋識(shí)別技術(shù)十分成熟，生產(chǎn)制造成本低且指紋信息電子存儲(chǔ)，無(wú)需專業(yè)人員人工甄別[3]；另一方面，指紋面積小，不需要復(fù)雜高昂的大型設(shè)備即可輕易采集并且易于快速對(duì)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(shí)間對(duì)指紋識(shí)別可靠性的影響；

指紋識(shí)別技術(shù)與幾種生物識(shí)別技術(shù)特點(diǎn)分析[2]比較如表1所示。

表1　各種生物識(shí)別技術(shù)對(duì)比Tab.1　Various biometric technologies compared

1.1.2 指紋識(shí)別流程

指紋識(shí)別技術(shù)在存儲(chǔ)指紋數(shù)據(jù)時(shí)需確保指紋采集的準(zhǔn)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(zhì)量易受外界環(huán)境影響，如手濕、手干或手指放置過(guò)偏等都會(huì)造成圖像質(zhì)量嚴(yán)重下降，從而無(wú)法進(jìn)行精確匹配[4]。因此，指紋采集需進(jìn)行預(yù)處理過(guò)程，預(yù)處理過(guò)程如圖1所示。

指紋識(shí)別主要識(shí)別流程[5、6]如圖2所示。

1.2指紋識(shí)別硬件系統(tǒng)

1.2.1系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

本系統(tǒng)需要具有對(duì)外部 I / O 信號(hào)的處理，如按鍵、指示燈信號(hào)等。因此通過(guò)總線擴(kuò)展了 16 I / O接口，包括檢測(cè)外部信號(hào)、讀寫(xiě)訪問(wèn)和控制外部設(shè)備[7]。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖 3 所示。

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

圖2　指紋識(shí)別流程圖Fig.2　The flow chart of fingerprint identification

圖3　系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖Fig.3　The system hardware structure diagram

1.2.2指紋識(shí)別傳感器

指紋識(shí)別傳感器主要類型有溫差感應(yīng)式指紋傳感器、半導(dǎo)體指紋傳感器和超聲波指紋掃描識(shí)別傳感器等。本次設(shè)計(jì)選用 Veridicom 公司的 FPS200 指紋傳感器[5]，F(xiàn)PS200 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖4　FPS200內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(hào)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(chǔ)器、功放器件等集成在一塊線路板上，具有獨(dú)立的操作系統(tǒng)、GSM射頻處理、基帶處理并提供標(biāo)準(zhǔn)接口的功能模塊。

本研究采用西門(mén)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(dāng)電子鑰匙指紋識(shí)別三次發(fā)出信號(hào)均錯(cuò)誤時(shí)，車輛內(nèi)置GSM模塊將發(fā)送報(bào)警短信給車主以及另一車主指定聯(lián)系人手機(jī)中；若使用車主手機(jī)三次均無(wú)法解鎖車門(mén)，GSM模塊則將報(bào)警短信僅發(fā)送到另一指定聯(lián)系人手機(jī)中。

1.3系統(tǒng)軟件功能

本系統(tǒng)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(chǔ)模塊等部分[5]。其硬件總體架構(gòu)如圖6所示。

圖6　系統(tǒng)硬件體系架構(gòu)框圖Fig.6　The system hardware architecture diagram

手機(jī)中車輛指紋識(shí)別智能防盜軟件主要有以下四大功能：

1)車輛信息導(dǎo)入功能：

2)車主信息導(dǎo)入功能；

3)常用指紋采集功能；

4)臨時(shí)指紋采集功能。

1.3.1信息導(dǎo)入功能

顧客購(gòu)買(mǎi)汽車時(shí)，可通過(guò)商店網(wǎng)絡(luò)，對(duì)車輛進(jìn)行注冊(cè)留底備份時(shí)，將軟件從商店里下載并安裝到手機(jī)。商店將消費(fèi)者所購(gòu)買(mǎi)車輛相關(guān)信息輸入手機(jī)控制軟件，將手機(jī)與車輛信息參數(shù)進(jìn)行綁定，軟件設(shè)置僅車主通過(guò)指紋識(shí)別方可進(jìn)行更改。

通過(guò)指紋識(shí)別后進(jìn)入第二級(jí)操作模塊?？刂葡到y(tǒng)設(shè)置模塊僅車主具有更改權(quán)限，確保其他汽車使用者僅具有使用權(quán)限而不具有獲取以及更改車輛信息的權(quán)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(jīng)常使用車輛者的指紋存儲(chǔ)于軟件，且僅車主才有權(quán)限進(jìn)行該功能操作，一輛車可為多人所用而無(wú)需每次更改車輛使用者的指紋存儲(chǔ)，確保車主具有車輛使用權(quán)的絕對(duì)控制權(quán)限。

1.3.3臨時(shí)指紋采集

車主將車輛臨時(shí)借給他人時(shí)，“臨時(shí)指紋采集功能”允許車主將借用者指紋輸入手機(jī)進(jìn)行臨時(shí)存儲(chǔ)以允許車輛臨時(shí)使用權(quán)的增加，事后車主可將臨時(shí)存儲(chǔ)指紋刪除，方便車主對(duì)車輛的借用管理。

2　車門(mén)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(hào)，經(jīng)電子控制器ECU識(shí)別信號(hào)代碼，再由該系統(tǒng)的執(zhí)行器(電動(dòng)機(jī)或電磁線圈)執(zhí)行開(kāi) / 關(guān)鎖的動(dòng)作。

本文研究單獨(dú)使用電子鑰匙和單獨(dú)使用手機(jī)兩種方式對(duì)車門(mén)控制，以及使用手機(jī)對(duì)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(nèi)置一個(gè)指紋識(shí)別信號(hào)傳感器，手機(jī)軟件將存儲(chǔ)于軟件中的許可指紋信息更新存儲(chǔ)于電子鑰匙內(nèi)置的指紋識(shí)別芯片中。當(dāng)電子鑰匙內(nèi)置指紋識(shí)別傳感器識(shí)別芯片識(shí)別到使用者指紋為有效指紋時(shí)，電子鑰匙將解鎖信號(hào)通過(guò)內(nèi)置信號(hào)發(fā)射裝置無(wú)線傳輸?shù)杰囬T(mén)解鎖信號(hào)接收裝置中，車門(mén)接收有效信號(hào)后打開(kāi)，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(guò)識(shí)別，車門(mén)將進(jìn)行自動(dòng)鎖死，必須由車主本人方可解鎖，同時(shí)車輛內(nèi)置TC35i中的GSM RF模塊將車輛報(bào)警短信同時(shí)發(fā)送到車主以及車主設(shè)定的其他聯(lián)系人手機(jī)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(jī)解鎖

手機(jī)中車輛控制軟件設(shè)有一虛擬電子鑰匙界面，具體原理：將與電子鑰匙內(nèi)置的指紋識(shí)別芯片相似軟件安置下載于手機(jī)中，該軟件中包括所有對(duì)車輛歸屬功能的設(shè)定，但任一功能設(shè)置及更改，必須是車輛所有者方可進(jìn)行操作?？煞乐挂蚴謾C(jī)丟失或被盜時(shí)，非車主使用該手機(jī)對(duì)車輛設(shè)置進(jìn)行更改而產(chǎn)生損失，提高車輛安全性能。若使用者使用手機(jī)解鎖三次均無(wú)法正確識(shí)別確認(rèn)為有效指紋時(shí)，車輛內(nèi)置GSM RF模塊將發(fā)送車輛報(bào)警短信至除車主外地指定聯(lián)系人。

使用手機(jī)進(jìn)行解鎖操作流程圖如圖8所示。

圖8　手機(jī)解鎖流程圖Fig.8　Mobile phone unlock flow chart

3　手機(jī)—電子鑰匙復(fù)合防盜系統(tǒng)

3.1手機(jī)—電子鑰匙復(fù)合控制的實(shí)現(xiàn)

車門(mén)中控臺(tái)位置布置有信號(hào)接收裝置。當(dāng)車門(mén)信號(hào)接收裝置接收到電子鑰匙或手機(jī)發(fā)出的解鎖信號(hào)時(shí)，中控臺(tái)將通過(guò)電子控制機(jī)構(gòu)解鎖車門(mén)，同時(shí)中控臺(tái)將發(fā)送指令到發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)線路控制模塊，命令控制模塊將連接發(fā)動(dòng)機(jī)連接線路，車輛可正常使用。當(dāng)車輛控制軟件中存儲(chǔ)信息變化后，可通過(guò)手機(jī)將變化后的信息同步到車門(mén)信號(hào)接收裝置及電子鑰匙中。利用手機(jī)將車輛控制軟件與電子鑰匙結(jié)合，實(shí)現(xiàn)復(fù)合防盜功能。

手機(jī)—電子鑰匙復(fù)合防盜系統(tǒng)圖如圖9所示。

圖9　手機(jī)—電子鑰匙復(fù)合防盜系統(tǒng)Fig.9　Mobile phone-Electronic key compound security system

3.2車門(mén)信號(hào)接收方式

電子鑰匙使用汽車遙控門(mén)禁系統(tǒng)(RKE)[9]，該系統(tǒng)應(yīng)用于汽車防盜方面的無(wú)線通訊領(lǐng)域。

RKE工作基本原理[10]：在電子鑰匙中內(nèi)置有預(yù)先在芯片，芯片內(nèi)植入預(yù)先選定算法的軟件。當(dāng)電子鑰匙接收到按壓信息時(shí)，軟件根據(jù)識(shí)別到的信息進(jìn)行分析信息是否為有效數(shù)據(jù)幀信息。當(dāng)且僅當(dāng)電子鑰匙識(shí)別到的信息為有效信息時(shí)才將解鎖信息發(fā)送至汽車實(shí)時(shí)信號(hào)接收設(shè)備，在接收到有效無(wú)線載波信號(hào)后，汽車執(zhí)行相應(yīng)的解鎖動(dòng)作。

在對(duì)有效滾碼與按鍵信息進(jìn)行判斷后，車上的控制系統(tǒng)執(zhí)行鎖定或解鎖動(dòng)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(shè)計(jì)可行性分析

本文設(shè)計(jì)的“基于手機(jī)—電子鑰匙指紋識(shí)別汽車防盜系統(tǒng)”的關(guān)鍵技術(shù)在于通過(guò)無(wú)線控制遙感技術(shù)將目前技術(shù)十分成熟的智能手機(jī)指紋技術(shù)與內(nèi)嵌于電子鑰匙中的指紋識(shí)別技術(shù)利用最優(yōu)化的方案，創(chuàng)新性地進(jìn)行結(jié)合后形成安全性能更高的車輛防盜。對(duì)于智能手機(jī)指紋識(shí)別技術(shù)已經(jīng)是一種目前存在的技術(shù)成熟且成本較低的高新生物識(shí)別技術(shù)，同時(shí)將指紋識(shí)別芯片內(nèi)置于電子鑰匙中也已是技術(shù)十分成熟且成本不高并早已應(yīng)用于上班考勤、門(mén)衛(wèi)監(jiān)控等領(lǐng)域的安全性能較高的生物識(shí)別技術(shù)。因此，對(duì)于該設(shè)計(jì)方案而言已不存在尚未攻克的技術(shù)性難題，僅僅是如何選擇更優(yōu)方案進(jìn)行更加合理連接的問(wèn)題，降低連接的成本。由于該設(shè)計(jì)方案能夠提供操作方便、安全性能更高的車輛復(fù)合防盜系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)，其推廣具有很大的市場(chǎng)效益。

4　結(jié)論

1)電子鑰匙增加指紋識(shí)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(jī)內(nèi)置基于指紋識(shí)別的車輛控制軟件，不僅可管理車輛信息，亦可通過(guò)手機(jī)對(duì)車輛進(jìn)行控制而無(wú)需電子鑰匙，擺脫隨身攜帶電子鑰匙的負(fù)擔(dān)。

2)手機(jī)—電子鑰匙復(fù)合防盜系統(tǒng)決定手機(jī)作為控制終端，手機(jī)控制成為更高級(jí)的第二道防線：一方面控制車門(mén)裝置存儲(chǔ)內(nèi)容，另一方面決定電子鑰匙內(nèi)部存儲(chǔ)的信息，使電子鑰匙及車門(mén)內(nèi)存信息與手機(jī)一致，減少因電子鑰匙丟失或被盜而產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)與損失。同時(shí)車輛中內(nèi)置GSM RF模塊可設(shè)置多個(gè)報(bào)警信號(hào)接收者，提高提前預(yù)防車輛被盜風(fēng)險(xiǎn)，保護(hù)車主財(cái)產(chǎn)安全。

3)該設(shè)計(jì)方案不存在尚未攻克的技術(shù)難題，僅在于選擇何種最優(yōu)方案，具有較大市場(chǎng)推廣價(jià)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(xué)研究生創(chuàng)新基金項(xiàng)目[研理工2014022]資助；貴陽(yáng)市科技計(jì)劃項(xiàng)目[筑科合同(2011101)1-27號(hào)]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(guān)鍵零部件的設(shè)計(jì)。

▲羅衛(wèi)東(1962-)，男，貴州習(xí)水人，漢族，教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向：汽車及其關(guān)鍵零部件的設(shè)計(jì)。