基于指紋認證的VANET行車安全系統研究

陳 琳

(福建信息職業技術學院，福建福州 350003)

基于指紋認證的VANET行車安全系統研究

陳 琳

(福建信息職業技術學院，福建福州 350003)

本文對基于指紋認證的VANET行車安全系統進行分析，詳細闡述了系統的模塊設計、軟件設計和硬件設計，最后介紹指紋認證行車安全系統在互聯網終端平臺的應用。

指紋認證；行車安全；VANET技術

據統計數據表明，目前我國已進入道路交通事故的高發期，道路交通安全形勢十分嚴峻，專家提出使用車用自組織網絡(VANET)技術，有望將交通事故帶來的損失降低50%[1]。VANET是指道路上車輛間、車輛與固定接入點之間可相互開放移動通信的Ad hoc網絡組成，在道路上構建一個自組織、部署方便、費用低廉、結構開放的車輛間通信網絡[2]。指紋模式識別身份認證的VANET行車安全電子系統，參考VANET技術進行設計，可以實現事故告警、輔助駕駛、道路交通信息查詢、乘客通信和Internet信息服務等應用。

1 基于指紋認證的VANET行車安全系統的模塊設計

指紋模式識別身份認證的VANET行車安全電子系統，通過在汽車上安裝指紋行車安全電子系統網絡客戶VANET安全助理終端，對所采集的駕駛員行車狀態以及車輛行駛狀態進行行車安全信息處理和判斷，對電子駕駛證和電子行駛證進行行車指紋模式識別身份認證。通過在車輛行駛路邊安裝分布式信息處理系統VANET網絡傳輸基站，對駕駛員行車狀態和車輛行駛狀態進行安全信息監督，并負責將信息傳輸給交通警察管理指揮中心的服務器或路邊交通警察的PDA，服務器或路邊交警的PDA則對駕駛員行車狀態和車輛行駛狀態信息進行安全管理。

1.1 指紋身份認證模塊

指紋模式識別的駕駛員和電子駕駛證指紋身份認證模塊，實現了驗證駕駛員合法駕車的功能，只要該駕駛員通過指紋識別認證或者通過指紋電子簽名認證就可以合法駕駛車輛。指紋身份認證流程如圖1所示。

1.2 行車事故誘發因素分析模塊

行車事故誘發因素分析模塊是基于事故預防分析數學模型的軟件實現，行車事故預防分析數學模型(Pmiss)是一個普適的汽車事故預防分析的數學方程組，每個數學方程對應著相應的事故誘發因素的函數。這些因素包括：某限速n情況下，會誘發事故的超速駕駛因素、超速頻率因素、疲勞駕駛因素、胎壓因素、行車偏移因素等，所有這些會誘發事故的因素，其最大可能性函數的數學方程為Pmiss=fn。

圖1 駕駛員和電子駕駛證指紋身份認證流程

圖2 行車事故誘發因素分析模塊流程

1.3 客戶端/服務器無線通信模塊

本模塊包括指紋密碼報文裝配分模塊、指紋客戶/服務呼叫應答分模塊。其中指紋密碼報文裝配分模塊流程如圖3所示。

圖3 指紋密碼報文裝配模塊流程

在指紋客戶/服務呼叫應答分模塊中，客戶端用廣播呼叫服務器端，服務器端應答回傳客戶端。客戶端發送其偽隨機指紋特征數到服務器，服務器用約定指紋加密算法加密該偽隨機指紋特征數，服務器回發該加密的偽隨機指紋特征數和其偽隨機指紋特征數到客戶端。客戶端也采用指紋加密算法解密及驗證，并向服務器回發該加密的偽隨機指紋特征數，同時進行判斷，若成功則裝配要發送的指紋加密報文數據，若失敗或超時則啟動重連功能。服務器接收并解密指紋加密報文數據，同時裝配回送指紋加密報文并發送至客戶機，客戶端接收并解密回送指紋加密報文，根據服務器應答狀態判斷成功或失敗。

2 系統軟件設計

指紋認證的行車安全系統軟件設計有兩部分：一是安裝在汽車上的嵌入式系統客戶端YT-802.11PVRce；二是服務器端YT-802.11PVRse和無線基站端YT-802.11PVRsct。

2.1 嵌入式系統客戶端YT-802.11PVRce

YT-802.11PVRce系統軟件架構實現于事故預防嵌入式系統主板之上，運行于Windows CE嵌入式系統環境，系統軟件架構流程如圖4所示。

圖4 YT-802.11PVRce系統軟件流程

YT-802.11PVRce采用eVC程序編程設計，把系統模塊分為8類，為了提高系統的可靠性，對指紋數據會話傳輸進行更好地管理，采用了改進的滑動窗口機制，具體劃分如下。

(1)鏈路管理類：客戶端與服務器進行連接操作時，負責鏈路管理和維護工作。

(2)會話管理類：負責消息的發送、重發、流量控制、超時操作等工作。

(3)滑動窗口類：實現消息的發送及同步管理。

(4)會話傳輸類：通過滑動窗口實現同步消息發送和接收、重發等功能。

(5)數據傳輸管理類：負責消息監控、跟蹤、查詢以及攔截等功能。

(6)指紋信息采集類：對指紋數據進行采集，并對特征數據進行提取[3]。

(7)指紋對比類：將指紋特征進行比對。

(8)通信類：總管以上子類。

2.2 服務器端YT-802.11PVRse和無線基站端YT-802.11PVRsct

YT-802.11PVRse和YT-802.11PVRsct在傳輸過程中使用安全TCP/IP，采用目前應用比較廣泛的SSL協議，利用SSL以及偽指紋隨機發生器來產生可自認證的密鑰，即可實現安全可靠的傳輸。在數據傳輸過程中，SSL協議對計算機之間整個會話進行加密，在建立連接過程中采用非對稱密鑰，在會話過程中使用對稱密鑰。握手過程結束后，就可采用會話密鑰對客戶端和服務器端的指紋數據進行安全的傳輸。

YT-802.11PVRse實現的類架構包括TCP通信類、SSL類、MAC類，利用Visual C++建立如下程序架構。

Class TCPSSLFP

{ TCP tcp; //TCP對象

SSL ssl; //SSL對象

MAC mac; //MAC對象

Void Send(); //發送數據

Void Receive(); //接收數據

}

YT-802.11PVRsct和YT-802.11PVRce軟件通信設計制作包括如下內容。

(1)YT-802.11PVRsct對YT-802.11PVRce的廣播呼叫進行應答回傳。

(2)對YT-802.11PVRce的鑒權認證請求進行認證并回傳，附帶發送YT-802.11PVRce對自己的鑒權認證請求。

(3)對YT-802.11PVRce的鏈路狀態檢測請求進行檢測認證并回傳。

(4)對YT-802.11PVRce發送的指紋加密報文數據進行收到確認并加密回傳。

(5)對YT-802.11PVRce發送的警示報文，進行警示并轉發報告給YT-802.11PVRse和交警YT-802.11PVRsct，以便交警及時終止事故發生。

3 系統硬件設計

本系統的硬件設計包括事故預防嵌入式系統主板、電子駕駛證讀寫器、電子駕駛證、駕駛員身份認證指紋采集器、汽車行駛記錄儀和無線AP或路由器。其中，事故預防嵌入式系統主板采用ARM嵌入式系統主板2440制作的方法，可接入無線網卡、AP或路由器，實現多個接口功能。電子駕駛證讀寫器采用汽車行駛記錄儀內置接觸式IC卡讀寫器，實現駕駛員電子駕駛證中指紋特征信息的讀取。駕駛員身份認證指紋采集器可實現駕駛員和電子駕駛證指紋模式識別身份認證。汽車行駛記錄儀按GB/T19056-2003定義進行制作，事故預防嵌入式系統根據所采集的駕駛員實時行車狀態參數，即可運行汽車事故預防分析數學方程函數，對事故誘發因素進行汽車事故預防分析。

4 系統的互聯網終端平臺

基于指紋認證的VANET行車安全系統采用了802.11無線通信技術，為了適合高速移動和經濟、安全、可靠、高效的信息傳輸，它還采用了ARM9嵌入式2440系統主板和Windows CE嵌入式操作系統，同時采用了“偽隨機指紋互證型”UDP/IP通信方式。按已經配備的接口，配上LCD液晶屏和攝像頭，就可以組成具有瀏覽器的無線寬帶可視車載終端平臺，還可以配設汽車移動辦公設備和汽車防盜設備。

無線寬帶接入互聯網的基于指紋認證的VANET行車安全系統工作流程如圖5所示。

圖5 指紋認證的行車安全系統互聯網終端平臺的流程

5 結語

綜上所述，本文分析了指紋認證的VANET行車安全系統的原理和架構，并使用Visual C++編程設計實現了該系統。通過測試，該系統能實時、準確地獲取駕駛員行車狀態和車輛行駛狀態的信息，實現了對駕駛員和車輛狀態信息的安全監督和管理。同時，指紋認證行車安全系統將對駕駛員檔案和車況檔案行車安全管理、危機應急處理和違章常態處理管理、城市智能交通及不停車收費管理等發揮重要作用，應用前景廣闊[4]。

[1]盧玫.道路交通安全系統對策思考[J].山東交通科技,2015(3):114-116.

[2]馬佳榮,趙祥模,馬峻巖.基于VANET的高速公路事故消息快速廣播機制[J].計算機工程,2015(11):8-12.

[3]陳梁.嵌入式指紋識別系統研究與實現[D].南京:南京航空航天大學,2007.

[4]李昊,傅曦.指紋識別系統算法及實現[M].北京:人民郵電出版社,2011.

Research of the VANET Traffic Safety System Based on Fingerprint Authentication

CHEN Lin

(Fujian Polytechnic of Information Technology, Fuzhou Fujian 350003, China)

This paper analyses the VANET Traffic Safety System based on fingerprint authentication, describes the design of system module, the design of software system and hardware system in details. Finally, it introduces the content of the Traffic Safety System based on fingerprint authentication combined with the internet terminal platform about the aspect of the application.

fingerprint authentication; traffic safety; VANET technology

2016-09-21

陳 琳(1981- )，女，講師，碩士，從事計算機技術研究。

TP391

A

2095-7602(2017)02-0041-05