基于指紋識別的汽車防盜系統*

王麗娜，馮雪麗

(杭州科技職業技術學院機電工程學院，浙江杭州311402)

0 引言

近年來，隨著人們生活水平的提高，汽車保有量不斷增加，已經成為人們日常工作和生活中非常重要的交通工具，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注的熱點［1］。目前，根據結構不同，汽車防盜裝置可分為三大類:機械式、電子式、網絡式。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，機械式防盜系統通過對離合、油門或者轉向盤的鎖定達到汽車防盜的目的。這種設置易于安裝，但拆裝比較麻煩，只防盜不報警，不夠隱蔽，占用駕駛室空間，基本上已經被淘汰;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，容易導致誤報警;網絡式防盜系統可以實現實時信息反饋，報警效果好，但成本高，在沒有完善配套設施的地方，系統因為信息掃描覆蓋存“盲區”而不能正常工作［2］。

針對上述汽車報警器存在的問題，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，在傳統汽車防盜技術的基礎上，將指紋作為車主身份識別的依據，提出一種有效可靠的基于指紋識別的汽車防盜系統設計方案。

1 系統功能

該系統通過采集、匹配用戶的指紋信息以判斷用戶身份是否合法，然后對汽車進行開門、點火和報警的控制。例如指紋點火，系統在指紋庫中先存入用戶的指紋模板信息。系統利用指紋識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，經處理器處理后，把匹配結果送給微控制器，微控制器是整個系統的核心，由它完成系統的外圍控制、報警等。如果匹配成功，則確認操作者身份合法，微控制器發出汽車點火信號，接通供油控制電路和點火控制電路，使汽車正常啟動;若用戶身份不合法，系統將切斷汽車供油控制電路和點火控制電路，接通聲光報警裝置。在通過指紋驗證用戶身份時，有3 次驗證機會，3 次均失敗后，則切斷電路油路啟動系統中的報警電路模塊。如果盜賊試圖破壞該基于指紋識別的汽車防盜系統(例如:強行斷開指紋采集模塊與系統控制電路之間的連線)，汽車也會開啟報警系統，通過鳴號、閃燈向外發出報警信號。

系統可以通過外圍控制中的LCD 液晶模塊設置設防或解防，但車主要先通過指紋識別系統匹配指紋成功才能操作LCD 液晶模塊，進入管理員權限，可將系統設置為解防或設防模式，方便車輛維修等。不具有管理員權限的用戶無法使用該功能。同理，具有管理員權限的用戶可通過LCD 液晶模塊進行添加和刪除指紋管理操作。密碼應急啟動操作是指在車主手指受傷無法進行指紋采集的情況下通過鍵盤輸入密碼來啟動汽車。

2 硬件電路設計

根據汽車防盜功能的需求，為了使系統更容易被開發，指紋識別防盜系統的硬件結構設計如圖1所示［3-6］。

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

圖1 汽車指紋識別防盜系統的硬件結構

2.1 微處理器

該系統采用32 位微控制器LPC1765，它是由恩智浦半導體(NXP)公司生產，基于第二代ARM Cortex-M3 內核。LPC1765 擁有256 KB 片上閃存、64 KB 片上SRAM，還支持各種外設，有70 個通用I/O 引腳(為信號傳輸和人機界面電路的設計提供了條件)、4 個異步串口(UART0，1，2，3)、標準JTAG 調試接口、10/100以太網MAC 等。

該微處理器含有一個支持優先中斷自動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出低功耗休眠狀態，它具有的4種節能模式(睡眠、深度睡眠、掉電和深度掉電)也為降低控制系統功耗提供了條件，另外，其每個外設都自帶時鐘分頻器，可以進一步降低功耗。LPC1765 具有高性能、低功耗、接口豐富和體積小等優點，通過提供全方位系統外設，大大減少了整個系統的成本。

2.2 指紋識別模塊

該系統采用一個單獨的指紋識別模塊，由采用光學指紋傳感器的指紋頭、DSP 處理芯片、Flash 等構成，具有獨立的指紋信息采集、指紋信息處理、指紋匹配、指紋搜索和指紋模板存儲等多項功能，可以更好地采集和處理指紋。該指紋識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。

該指紋識別模塊具有以下三大優點:①適應性強，通過利用參數的自適應調節機制讀取指紋信息，無論干濕手指都可以獲得較好的指紋圖像信息;②算法優異，是基于光學頭成像原理而設計的算法，該算法對變形、質量差指紋均有較強的校正和容錯能力;③低功耗，該模塊為用戶提供了休眠、喚醒控制接口，適用于低功耗應用。

指紋識別模塊外部接口共有6 個管腳，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，是數據發送端;管腳3 是RD，是數據接收端;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模塊正常工作，切斷內部電源時，模塊不工作;管腳6 是GND，接地端。指紋識別模塊與系統微控制器LPC1765 之間通過串口進行通信，接口電路如圖2所示。

圖2 指紋識別模塊與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據總線UART，可以實現全雙工5 到8 位串行數據的發送和接收，支持DMA 和中斷方式，并且LPC1765 處理器的UART 串口和指紋識別模塊的串口均采用TTL 電平，兩者可以直接連接通信。在設計時，筆者選用LPC1765 的RXD0、TXD0 管腳分別與指紋識別模塊的發送端TD 和接收端RD 相連。

上電后，LPC1765 以發送指令的方式指使指紋識別模塊完成相應動作。指紋識別模塊與處理器LPC1765 之間的異步串行通信數據格式如圖3所示。

圖3 UART 數據幀格式

本研究用起始位“0”表示數據傳輸的開始，然后是由低到高的8 位數據位，接下來是1 位奇偶校驗位(這里不使用)，最后用停止位“1”標志一個字符傳送的結束。UART 的時鐘采用PCLK，配置系統的PCLK為60 M，波特率被設置為115 200 bps，數據位為8，停止位為1，無校驗。

2.3 聲光報警系統

當指紋識別模塊經過3 次采集和匹配均不成功時，系統處理判定為報警信息，聲光報警系統便會啟動。聲光報警電路如圖4所示。RT0100 內建低靜態電流的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 腳為報警信號頻率輸出端，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LPC1765 的I/O 口來控制;8 腳為空端子懸空。

2.4 液晶模塊設計

圖4 聲音報警控制電路

該系統的微處理器LPC1765 沒有集成LCD 控制器，所以本研究通過使LPC1765 外接一個帶控制器的LCD 模塊來實現液晶顯示。該設計選擇的帶控制器的LCM 是點陣為240 ×64 的HG240641V2-B-LWH-SV液晶顯示模組，LCD 的控制器芯片是T6963C，由清達光電技術有限公司生產。

該液晶顯示模塊工作電源電壓是+5 V，而系統微處理器LPC1765 的I/O 需要3.3V 的電源供電，所以需要電平轉換芯片將二者連接起來。本研究使用兩片SN74LVC4245A(電平轉換芯片)和一個10 ×2 的接插件將LPC1765 與LCM 連接。SN74LVC4245A 是用于實現3.3 V 環境與5 V 環境之間轉換的一塊芯片，是為數據總線之間的異步通訊而設計的，該器件實現將數據從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 發送命令，另一片用于實現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 軟件設計

為了實現指紋識別防盜系統的系統功能，軟件部分主要由模式設置程序(包括設防模式和解防模式)、應急密碼程序(包括應急密碼修改和應急密碼啟動)、指紋管理程序(包括登記合法用戶指紋信息和指紋刪除)，以及指紋開門程序、指紋啟動程序等部分組成。軟件結構框圖如圖6所示［7-8］。本研究在設防模式下執行指紋開門和指紋啟動程序。

圖6 系統軟件結構圖

指紋啟動程序流程圖如圖7所示。指紋啟動程序主要任務是通過獲取指紋、匹配指紋從而判斷用戶是否合法，根據匹配結果給出相應的點火或拒絕操作命令。LPC1765 處理器向指紋識別模塊發出指紋獲取和匹配命令，指紋識別模塊采集到用戶指紋特征并與系統中授權用戶的指紋進行匹配，匹配成功，則解除系統防盜狀態，接通汽車點火電路。第一次匹配失敗后，還有2 次輸入指紋與庫中指紋相匹配的機會，3 次輸入均匹配不成功，則鎖止系統電路油路并報警。

圖7 指紋啟動程序流程圖

4 結束語

本研究利用人體指紋唯一性和長期不變性的重要特征，采用32 位低功耗處理器LPC1765，結合指紋識別技術提出了一種車載智能防盜控制系統的設計方案，通過指紋識別驗證車主身份、控制汽車的開門、點火，身份經過3 次機會驗證失敗則通過鎖止汽車電路油路和聲光報警達到防盜的目的。該防盜系統以ARM Cortex-M3 微處理器為核心，為擴展其功能和進行二次開發提供了條件。實驗結果證明了該設計方案的合理性和可行性，系統達到了預期的設計目標。

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