一種新型車載智能防盜控制系統設計

章 琴，杭亦文，孫凌紅，劉 旭

(1.武漢理工大學自動化學院，湖北 武漢 430070;2.武漢大學電氣工程學院，湖北 武漢 430072)

近年來，我國汽車產業(yè)發(fā)展迅速，并將傳感器技術、計算機處理技術、數據通信技術、控制技術，以及網絡技術等有效地結合應用于汽車防盜系統中，經過幾十年的發(fā)展，汽車防盜技術也經歷了從簡單到復雜的進化，安全性得到顯著的提高。雖然市場上的防盜產品繁多，但總的來說包括機械式、電子式、芯片式和網絡式4大類[1]。機械式功能少、不美觀、不方便;電子式易解碼;芯片式防盜種類單一;網絡式費用高，在無信號區(qū)域無法使用。而汽車盜竊事件日益增多，說明目前汽車防盜裝置的防盜手段有待改進。因此，生物特征識別應運而生，它是目前研究的新方向，指紋識別屬于生物特征識別中的一種，因指紋的不變性和唯一性，成為最具有吸引力的研究方向，技術競爭也最為激烈。通過活體指紋采集，可有效防止指紋識別技術識別率低，提高安全等級和正確識別率。筆者設計了一種新型車載智能防盜控制系統，可有效地保障汽車的安全。

1 系統總體方案設計

該系統通過識別用戶的指紋來辨別用戶的身份是否合法，從而實現對汽車進行開門、點火和報警等控制。系統指紋庫中預先存入車主及其授權人員的指紋特征。該系統首先通過指紋傳感器(MBF310)采集用戶活體指紋圖像，并將指紋信息通過SPI傳送給處理器。微處理器是整個系統的核心，由它完成系統的外圍控制、匹配識別和報警。如果匹配成功，則確認操作者身份合法，可以控制汽車啟動;若匹配失敗，則通過通信模塊發(fā)送短信給車主預設的手機號碼以通知車主，并發(fā)出聲光報警。其系統組成如圖1所示。

圖1 系統組成

當汽車需要送維修站維修保養(yǎng)時，系統通過外圍控制中的鍵盤及LCD顯示操作，設置設防、解防模式，方便修車和洗車之用。當車主通過指紋識別進入管理員權限時，可將系統設置為解防模式，不影響維修人員的使用。汽車修好后，車主可將其設置為設防模式，恢復使用系統功能，不具有管理員權限的用戶無法使用該功能。

2 系統硬件設計

系統硬件結構框圖如圖2所示。該系統硬件電路主要包括:MBF310指紋傳感器、Atmega128、DSP 芯片 TMS320VC5402、SRAM、Flash、GSM 無線通信模塊、聲光報警電路及鍵盤和LCD電路。圖2中虛線框內為系統微處理器，是系統的核心，其中單片機完成對系統的外圍控制，而DSP主要對采集的指紋圖像進行預處理和特征提取，并將得到的指紋特征數據與存入指紋庫的指紋模板進行匹配，然后發(fā)出控制信號。

圖2 系統硬件結構框圖

2.1 微處理器

傳統指紋識別主要依靠計算機來實現軟件算法，因而不需要考慮運算速度及儲存空間，但計算機成本較高，應用于車載裝置不經濟。因此，考慮到成本等因素，筆者設計的系統由單片機和DSP雙微處理器組成微處理器，單片機控制能力強，DSP微處理器的數據處理能力卓越，它們分工合作，從而可有效地提高系統的運行效率。

該系統的單片機采用 ATMEL公司的 Atmega128，還包括128 k字節(jié)的系統內可編程Flash、4 k字節(jié)的 EEPROM、4 k字節(jié)的 SRAM、53個通用I/O口線、32個通用工作寄存器、實時時鐘RTC、4個靈活的具有比較模式和PWM功能的定時器/計數器(T/C)、兩個USART、面向字節(jié)的兩線接口TWI、8通道10位ADC(具有可選的可編程增益)、具有片內振蕩器的可編程看門狗定時器、SPI串行端口和與IEEE 1149.1規(guī)范兼容的JTAG測試接口，系統具有6種可以通過軟件選擇的省電模式[2]。

DSP采用TI公司推出的高性能數字信號處理器TMS320VC5402作為系統的核心處理器，由于指紋圖像處理的數據量大，而TMS320VC5402具有較高的性價比，因此可以訪問1 M的程序空間和64 k的數據空間[3]。內部自帶的16 k雙尋址RAM，鎖相環(huán)電路則可提供高達100 MHz的工作頻率，使TMS320VC5402有能力在短時間內完成指紋的識別操作。

2.2 存儲器

由于指紋圖像具有數據量大的特點，為了保證系統有足夠的存儲空間，數據存儲部分由片外SRAM和DSP片內DARAM構成。算法運行過程中的臨時指紋圖像數據存放于片外的SRAM，系統應用程序和系統指紋特征模板存放于片外的Flash，該系統對存儲資源進行了合理的分配。

2.3 無線通信模塊的設計

該系統采用GSM模塊的TC35i。該模塊的工作電壓為3.3～4.8 V，可以工作在900 MHz和1 800 MHz兩個頻段[4]，帶串口通信接口，可以方便地與單片機通信，安全、可靠地實現系統方案中短信息的通信方式。當激活防盜系統一定時間內未輸入正確指紋，系統將會發(fā)出聲光報警，并通過該模塊給車主發(fā)送報警短信，這樣便可實時可靠地實現遠程報警。

2.4 指紋采集電路的設計

富士通MBF310指紋傳感器是一種直接接觸的指紋采集設備，是一種高性能、低功耗、低成本的電容式傳感器。它采用標準CMOS工藝制造，具有218×8傳感器陣列，間距50 μm，圖像分辨率為500 dpi。該傳感器的表面較硬，耐磨、耐化學腐蝕[5]。MBF310在系統中的應用電路圖如圖3所示。

圖3 MBF310在系統中的應用電路圖

MBF310內置先進的AFD自動查找檢測電路，沒有手指按下的時間段內設備處于低功耗待機狀態(tài)，當監(jiān)測到有手指按下時自動喚醒。當手指在上面滑過時，由電容傳感器發(fā)出的電子信號穿過手指的表層，直接到達手指皮膚的真皮層(即活體層)，讀取真皮層指紋圖像，并將采集的指紋數據存在FIFO緩沖區(qū);當FIFO緩沖區(qū)滿時，就產生一個中斷信號，處理器收到信號后即通過SPI總線讀取MBF310采集的指紋數據。

3 系統軟件設計

根據系統的設計方案，整個指紋識別過程在DSP上進行，外圍控制在單片機上進行。指紋識別是一個非常復雜的過程，運算量非常大，主要涉及到指紋圖像采集、指紋圖像預處理、指紋特征提取與指紋特征匹配等過程[6－8];而外圍控制則主要是對汽車的啟動、報警，以及鍵盤LCD顯示等過程的控制。

該方案采用單片機與DSP雙CPU作為系統微處理器[9－10]。兩者之間并非孤立，需要進行必要的數據交換。單片機與DSP之間通過DSP的HPI[11]接口進行數據通信。

首先，通過指紋采集設備獲取指紋原始圖像，通過單片機傳輸給DSP，然后由DSP對原始圖像進行預處理、特征提取，最后存儲在片外Flash里，形成預存指紋庫，以方便指紋匹配時直接調用。

系統的軟件設計是整個系統的關鍵，系統軟件流程圖如圖4所示。

圖4 系統軟件流程圖

程序開始后，首先進行系統初始化，然后讀取模式設置狀態(tài)。當汽車設置為設防模式時，則將采集指紋與預存指紋進行特征匹配，若匹配成功，則汽車啟動;反之則斷開啟動系統，進行無線遠程報警及本地聲光報警;當汽車設置為解防模式時，系統通過單片機外圍器件的按鍵觸發(fā)控制汽車啟動。

4 實驗結果與分析

為了驗證方案的可行性，進行了5組測試，每組測試中均進行100次合法干凈指紋訪問、100次合法不干凈指紋訪問、100次真人非法訪問和100次人造橡膠手指的指紋訪問，其中合法指紋是指車主及其授權人員的指紋，不合法指紋是指入侵人員的指紋。干凈、不干凈和人造手指的指紋是為了驗證活體指紋傳感器的敏感性能。測試結果如表1所示。

對實驗數據進行分析可知，系統在測試實驗中對合法干凈指紋識別的平均正確率高達97.4%，對合法不干凈指紋識別的平均正確率高達96.4%，對人造手指的指紋平均誤識率僅為0.6%，說明該傳感器解決了傳統指紋識別技術識別率低的問題。對不合法指紋的平均誤識率僅1.0%，匹配失敗則通過通信模塊發(fā)送短信給車主預設的手機號碼以通知車主，并發(fā)出聲光報警，其報警率高達99%，能夠滿足實際要求。

表1 實驗結果

5 結論

提出了一種新型車載智能防盜控制系統的設計方案，利用指紋識別技術驗證車主身份，并結合GSM網絡實現了遠程報警。該方案采用了第二代指紋識別技術，利用活體指紋識別芯片MBF310，它可以從干、濕或臟手指上得到更好質量的指紋圖像，解決了傳統指紋識別率低的問題，提高了正確識別率以及安全系數。

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