一种新型车载智能防盗控制系统设计

2012-08-01杭亦文孙凌红

武汉理工大学学报（信息与管理工程版） 2012年2期

章琴，杭亦文，孙凌红，刘旭

(1.武汉理工大学自动化学院，湖北武汉 430070;2.武汉大学电气工程学院，湖北武汉 430072)

近年来，我国汽车产业发展迅速，并将传感器技术、计算机处理技术、数据通信技术、控制技术，以及网络技术等有效地结合应用于汽车防盗系统中，经过几十年的发展，汽车防盗技术也经历了从简单到复杂的进化，安全性得到显著的提高。虽然市场上的防盗产品繁多，但总的来说包括机械式、电子式、芯片式和网络式4大类[1]。机械式功能少、不美观、不方便;电子式易解码;芯片式防盗种类单一;网络式费用高，在无信号区域无法使用。而汽车盗窃事件日益增多，说明目前汽车防盗装置的防盗手段有待改进。因此，生物特征识别应运而生，它是目前研究的新方向，指纹识别属于生物特征识别中的一种，因指纹的不变性和唯一性，成为最具有吸引力的研究方向，技术竞争也最为激烈。通过活体指纹采集，可有效防止指纹识别技术识别率低，提高安全等级和正确识别率。笔者设计了一种新型车载智能防盗控制系统，可有效地保障汽车的安全。

1 系统总体方案设计

该系统通过识别用户的指纹来辨别用户的身份是否合法，从而实现对汽车进行开门、点火和报警等控制。系统指纹库中预先存入车主及其授权人员的指纹特征。该系统首先通过指纹传感器(MBF310)采集用户活体指纹图像，并将指纹信息通过SPI传送给处理器。微处理器是整个系统的核心，由它完成系统的外围控制、匹配识别和报警。如果匹配成功，则确认操作者身份合法，可以控制汽车启动;若匹配失败，则通过通信模块发送短信给车主预设的手机号码以通知车主，并发出声光报警。其系统组成如图1所示。

图1 系统组成

当汽车需要送维修站维修保养时，系统通过外围控制中的键盘及LCD显示操作，设置设防、解防模式，方便修车和洗车之用。当车主通过指纹识别进入管理员权限时，可将系统设置为解防模式，不影响维修人员的使用。汽车修好后，车主可将其设置为设防模式，恢复使用系统功能，不具有管理员权限的用户无法使用该功能。

2 系统硬件设计

系统硬件结构框图如图2所示。该系统硬件电路主要包括:MBF310指纹传感器、Atmega128、DSP 芯片 TMS320VC5402、SRAM、Flash、GSM 无线通信模块、声光报警电路及键盘和LCD电路。图2中虚线框内为系统微处理器，是系统的核心，其中单片机完成对系统的外围控制，而DSP主要对采集的指纹图像进行预处理和特征提取，并将得到的指纹特征数据与存入指纹库的指纹模板进行匹配，然后发出控制信号。

图2 系统硬件结构框图

2.1 微处理器

传统指纹识别主要依靠计算机来实现软件算法，因而不需要考虑运算速度及储存空间，但计算机成本较高，应用于车载装置不经济。因此，考虑到成本等因素，笔者设计的系统由单片机和DSP双微处理器组成微处理器，单片机控制能力强，DSP微处理器的数据处理能力卓越，它们分工合作，从而可有效地提高系统的运行效率。

该系统的单片机采用 ATMEL公司的 Atmega128，还包括128 k字节的系统内可编程Flash、4 k字节的 EEPROM、4 k字节的 SRAM、53个通用I/O口线、32个通用工作寄存器、实时时钟RTC、4个灵活的具有比较模式和PWM功能的定时器/计数器(T/C)、两个USART、面向字节的两线接口TWI、8通道10位ADC(具有可选的可编程增益)、具有片内振荡器的可编程看门狗定时器、SPI串行端口和与IEEE 1149.1规范兼容的JTAG测试接口，系统具有6种可以通过软件选择的省电模式[2]。

DSP采用TI公司推出的高性能数字信号处理器TMS320VC5402作为系统的核心处理器，由于指纹图像处理的数据量大，而TMS320VC5402具有较高的性价比，因此可以访问1 M的程序空间和64 k的数据空间[3]。内部自带的16 k双寻址RAM，锁相环电路则可提供高达100 MHz的工作频率，使TMS320VC5402有能力在短时间内完成指纹的识别操作。

2.2 存储器

由于指纹图像具有数据量大的特点，为了保证系统有足够的存储空间，数据存储部分由片外SRAM和DSP片内DARAM构成。算法运行过程中的临时指纹图像数据存放于片外的SRAM，系统应用程序和系统指纹特征模板存放于片外的Flash，该系统对存储资源进行了合理的分配。

2.3 无线通信模块的设计

该系统采用GSM模块的TC35i。该模块的工作电压为3.3～4.8 V，可以工作在900 MHz和1 800 MHz两个频段[4]，带串口通信接口，可以方便地与单片机通信，安全、可靠地实现系统方案中短信息的通信方式。当激活防盗系统一定时间内未输入正确指纹，系统将会发出声光报警，并通过该模块给车主发送报警短信，这样便可实时可靠地实现远程报警。

2.4 指纹采集电路的设计

富士通MBF310指纹传感器是一种直接接触的指纹采集设备，是一种高性能、低功耗、低成本的电容式传感器。它采用标准CMOS工艺制造，具有218×8传感器阵列，间距50 μm，图像分辨率为500 dpi。该传感器的表面较硬，耐磨、耐化学腐蚀[5]。MBF310在系统中的应用电路图如图3所示。

图3 MBF310在系统中的应用电路图

MBF310内置先进的AFD自动查找检测电路，没有手指按下的时间段内设备处于低功耗待机状态，当监测到有手指按下时自动唤醒。当手指在上面滑过时，由电容传感器发出的电子信号穿过手指的表层，直接到达手指皮肤的真皮层(即活体层)，读取真皮层指纹图像，并将采集的指纹数据存在FIFO缓冲区;当FIFO缓冲区满时，就产生一个中断信号，处理器收到信号后即通过SPI总线读取MBF310采集的指纹数据。

3 系统软件设计

根据系统的设计方案，整个指纹识别过程在DSP上进行，外围控制在单片机上进行。指纹识别是一个非常复杂的过程，运算量非常大，主要涉及到指纹图像采集、指纹图像预处理、指纹特征提取与指纹特征匹配等过程[6－8];而外围控制则主要是对汽车的启动、报警，以及键盘LCD显示等过程的控制。

该方案采用单片机与DSP双CPU作为系统微处理器[9－10]。两者之间并非孤立，需要进行必要的数据交换。单片机与DSP之间通过DSP的HPI[11]接口进行数据通信。

首先，通过指纹采集设备获取指纹原始图像，通过单片机传输给DSP，然后由DSP对原始图像进行预处理、特征提取，最后存储在片外Flash里，形成预存指纹库，以方便指纹匹配时直接调用。

系统的软件设计是整个系统的关键，系统软件流程图如图4所示。

图4 系统软件流程图

程序开始后，首先进行系统初始化，然后读取模式设置状态。当汽车设置为设防模式时，则将采集指纹与预存指纹进行特征匹配，若匹配成功，则汽车启动;反之则断开启动系统，进行无线远程报警及本地声光报警;当汽车设置为解防模式时，系统通过单片机外围器件的按键触发控制汽车启动。

4 实验结果与分析

为了验证方案的可行性，进行了5组测试，每组测试中均进行100次合法干净指纹访问、100次合法不干净指纹访问、100次真人非法访问和100次人造橡胶手指的指纹访问，其中合法指纹是指车主及其授权人员的指纹，不合法指纹是指入侵人员的指纹。干净、不干净和人造手指的指纹是为了验证活体指纹传感器的敏感性能。测试结果如表1所示。

对实验数据进行分析可知，系统在测试实验中对合法干净指纹识别的平均正确率高达97.4%，对合法不干净指纹识别的平均正确率高达96.4%，对人造手指的指纹平均误识率仅为0.6%，说明该传感器解决了传统指纹识别技术识别率低的问题。对不合法指纹的平均误识率仅1.0%，匹配失败则通过通信模块发送短信给车主预设的手机号码以通知车主，并发出声光报警，其报警率高达99%，能够满足实际要求。