基于指纹识别的汽车防盗系统*

王丽娜，冯雪丽

(杭州科技职业技术学院机电工程学院，浙江杭州311402)

0 引言

近年来，随着人们生活水平的提高，汽车保有量不断增加，已经成为人们日常工作和生活中非常重要的交通工具，汽车的安全使用和安全防盗已成为广大用户和汽车制造商关注的热点［1］。目前，根据结构不同，汽车防盗装置可分为三大类:机械式、电子式、网络式。它们虽然在汽车安全防盗方面，起到了积极的作用。但是也存在着局限性。例如，机械式防盗系统通过对离合、油门或者转向盘的锁定达到汽车防盗的目的。这种设置易于安装，但拆装比较麻烦，只防盗不报警，不够隐蔽，占用驾驶室空间，基本上已经被淘汰;电子式防盗器使用频率一般为300 MHz ～350 MHz，这一频段的电子波干扰源较多，容易导致误报警;网络式防盗系统可以实现实时信息反馈，报警效果好，但成本高，在没有完善配套设施的地方，系统因为信息扫描覆盖存“盲区”而不能正常工作［2］。

针对上述汽车报警器存在的问题，本研究利用指纹的唯一性、终身不变性和不易伪造性等特点，在传统汽车防盗技术的基础上，将指纹作为车主身份识别的依据，提出一种有效可靠的基于指纹识别的汽车防盗系统设计方案。

1 系统功能

该系统通过采集、匹配用户的指纹信息以判断用户身份是否合法，然后对汽车进行开门、点火和报警的控制。例如指纹点火，系统在指纹库中先存入用户的指纹模板信息。系统利用指纹识别模块的指纹传感器采集用户活体指纹信息，并将指纹信息传送给指纹模块的高性能DSP 处理器，经处理器处理后，把匹配结果送给微控制器，微控制器是整个系统的核心，由它完成系统的外围控制、报警等。如果匹配成功，则确认操作者身份合法，微控制器发出汽车点火信号，接通供油控制电路和点火控制电路，使汽车正常启动;若用户身份不合法，系统将切断汽车供油控制电路和点火控制电路，接通声光报警装置。在通过指纹验证用户身份时，有3 次验证机会，3 次均失败后，则切断电路油路启动系统中的报警电路模块。如果盗贼试图破坏该基于指纹识别的汽车防盗系统(例如:强行断开指纹采集模块与系统控制电路之间的连线)，汽车也会开启报警系统，通过鸣号、闪灯向外发出报警信号。

系统可以通过外围控制中的LCD 液晶模块设置设防或解防，但车主要先通过指纹识别系统匹配指纹成功才能操作LCD 液晶模块，进入管理员权限，可将系统设置为解防或设防模式，方便车辆维修等。不具有管理员权限的用户无法使用该功能。同理，具有管理员权限的用户可通过LCD 液晶模块进行添加和删除指纹管理操作。密码应急启动操作是指在车主手指受伤无法进行指纹采集的情况下通过键盘输入密码来启动汽车。

2 硬件电路设计

根据汽车防盗功能的需求，为了使系统更容易被开发，指纹识别防盗系统的硬件结构设计如图1所示［3-6］。

系统硬件电路主要包括:ARM Cortex-M3 微处理器LPC1765、以TMS320VC5402 为核心的指纹识别模块、声光报警模块、汽车接口电路、键盘和LCD 电路。LPC1765 是系统微处理器，是系统的核心，完成对系统的外围控制。

图1 汽车指纹识别防盗系统的硬件结构

2.1 微处理器

该系统采用32 位微控制器LPC1765，它是由恩智浦半导体(NXP)公司生产，基于第二代ARM Cortex-M3 内核。LPC1765 拥有256 KB 片上闪存、64 KB 片上SRAM，还支持各种外设，有70 个通用I/O 引脚(为信号传输和人机界面电路的设计提供了条件)、4 个异步串口(UART0，1，2，3)、标准JTAG 调试接口、10/100以太网MAC 等。

该微处理器含有一个支持优先中断自动唤醒的唤醒中断控制器(WIC:wake-up interrupt controller)，使得它能够快速高效地进出低功耗休眠状态，它具有的4种节能模式(睡眠、深度睡眠、掉电和深度掉电)也为降低控制系统功耗提供了条件，另外，其每个外设都自带时钟分频器，可以进一步降低功耗。LPC1765 具有高性能、低功耗、接口丰富和体积小等优点，通过提供全方位系统外设，大大减少了整个系统的成本。

2.2 指纹识别模块

该系统采用一个单独的指纹识别模块，由采用光学指纹传感器的指纹头、DSP 处理芯片、Flash 等构成，具有独立的指纹信息采集、指纹信息处理、指纹匹配、指纹搜索和指纹模板存储等多项功能，可以更好地采集和处理指纹。该指纹识别模块的处理器是高性能DSP 处理芯片TMS320VC5402，该芯片具有很高的处理速度和操作灵活性。

该指纹识别模块具有以下三大优点:①适应性强，通过利用参数的自适应调节机制读取指纹信息，无论干湿手指都可以获得较好的指纹图像信息;②算法优异，是基于光学头成像原理而设计的算法，该算法对变形、质量差指纹均有较强的校正和容错能力;③低功耗，该模块为用户提供了休眠、唤醒控制接口，适用于低功耗应用。

指纹识别模块外部接口共有6 个管脚，管脚1 是VIN，电源输入端，需要3.6 V ～10 V 的直流电供电;管脚2 是TD，是数据发送端;管脚3 是RD，是数据接收端;管脚4 是NC，为空端子;管脚5 是EN，为使能控制端，悬空或接上拉电阻时模块正常工作，切断内部电源时，模块不工作;管脚6 是GND，接地端。指纹识别模块与系统微控制器LPC1765 之间通过串口进行通信，接口电路如图2所示。

图2 指纹识别模块与LPC1765 接口电路图

由于微控制器LPC1765 带有四通道通用异步串行数据总线UART，可以实现全双工5 到8 位串行数据的发送和接收，支持DMA 和中断方式，并且LPC1765 处理器的UART 串口和指纹识别模块的串口均采用TTL 电平，两者可以直接连接通信。在设计时，笔者选用LPC1765 的RXD0、TXD0 管脚分别与指纹识别模块的发送端TD 和接收端RD 相连。

上电后，LPC1765 以发送指令的方式指使指纹识别模块完成相应动作。指纹识别模块与处理器LPC1765 之间的异步串行通信数据格式如图3所示。

图3 UART 数据帧格式

本研究用起始位“0”表示数据传输的开始，然后是由低到高的8 位数据位，接下来是1 位奇偶校验位(这里不使用)，最后用停止位“1”标志一个字符传送的结束。UART 的时钟采用PCLK，配置系统的PCLK为60 M，波特率被设置为115 200 bps，数据位为8，停止位为1，无校验。

2.3 声光报警系统

当指纹识别模块经过3 次采集和匹配均不成功时，系统处理判定为报警信息，声光报警系统便会启动。声光报警电路如图4所示。RT0100 内建低静态电流的RC 振荡电路。振荡电路的输入端为1、2 脚;4脚为接地端;5、6 脚为报警信号频率输出端，由3 脚控制其频率输出，如果3 脚为低电平则不输出频率，为高电平则输出;7 脚为电源，并通过LPC1765 的I/O 口来控制;8 脚为空端子悬空。

2.4 液晶模块设计

图4 声音报警控制电路

该系统的微处理器LPC1765 没有集成LCD 控制器，所以本研究通过使LPC1765 外接一个带控制器的LCD 模块来实现液晶显示。该设计选择的带控制器的LCM 是点阵为240 ×64 的HG240641V2-B-LWH-SV液晶显示模组，LCD 的控制器芯片是T6963C，由清达光电技术有限公司生产。

该液晶显示模块工作电源电压是+5 V，而系统微处理器LPC1765 的I/O 需要3.3V 的电源供电，所以需要电平转换芯片将二者连接起来。本研究使用两片SN74LVC4245A(电平转换芯片)和一个10 ×2 的接插件将LPC1765 与LCM 连接。SN74LVC4245A 是用于实现3.3 V 环境与5 V 环境之间转换的一块芯片，是为数据总线之间的异步通讯而设计的，该器件实现将数据从A 总线传送至B 总线或者是从B 总线送至A总线。在液晶显示模块接口电路中，一片SN74LVC4245A 用于从LPC1765 向LCM 发送命令，另一片用于实现LPC1765 与LCM 之间的通信。LCD 接口电路如图5所示。

图5 LCD 接口电路

3 软件设计

为了实现指纹识别防盗系统的系统功能，软件部分主要由模式设置程序(包括设防模式和解防模式)、应急密码程序(包括应急密码修改和应急密码启动)、指纹管理程序(包括登记合法用户指纹信息和指纹删除)，以及指纹开门程序、指纹启动程序等部分组成。软件结构框图如图6所示［7-8］。本研究在设防模式下执行指纹开门和指纹启动程序。

图6 系统软件结构图

指纹启动程序流程图如图7所示。指纹启动程序主要任务是通过获取指纹、匹配指纹从而判断用户是否合法，根据匹配结果给出相应的点火或拒绝操作命令。LPC1765 处理器向指纹识别模块发出指纹获取和匹配命令，指纹识别模块采集到用户指纹特征并与系统中授权用户的指纹进行匹配，匹配成功，则解除系统防盗状态，接通汽车点火电路。第一次匹配失败后，还有2 次输入指纹与库中指纹相匹配的机会，3 次输入均匹配不成功，则锁止系统电路油路并报警。

图7 指纹启动程序流程图

4 结束语

本研究利用人体指纹唯一性和长期不变性的重要特征，采用32 位低功耗处理器LPC1765，结合指纹识别技术提出了一种车载智能防盗控制系统的设计方案，通过指纹识别验证车主身份、控制汽车的开门、点火，身份经过3 次机会验证失败则通过锁止汽车电路油路和声光报警达到防盗的目的。该防盗系统以ARM Cortex-M3 微处理器为核心，为扩展其功能和进行二次开发提供了条件。实验结果证明了该设计方案的合理性和可行性，系统达到了预期的设计目标。

［1］杨际峰，杨 勇.基于指纹识别的汽车防盗系统设计［J］.现代电子技术，2011(15):197-199.

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