章 琴，杭亦文，孫凌紅，劉 旭

(1.武漢理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，湖北 武漢 430070;2.武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院，湖北 武漢 430072)

近年來，我國汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，并將傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)處理技術(shù)、數(shù)據(jù)通信技術(shù)、控制技術(shù)，以及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等有效地結(jié)合應(yīng)用于汽車防盜系統(tǒng)中，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，汽車防盜技術(shù)也經(jīng)歷了從簡單到復(fù)雜的進(jìn)化，安全性得到顯著的提高。雖然市場上的防盜產(chǎn)品繁多，但總的來說包括機(jī)械式、電子式、芯片式和網(wǎng)絡(luò)式4大類[1]。機(jī)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(wǎng)絡(luò)式費(fèi)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(jìn)。因此，生物特征識(shí)別應(yīng)運(yùn)而生，它是目前研究的新方向，指紋識(shí)別屬于生物特征識(shí)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(shù)競爭也最為激烈。通過活體指紋采集，可有效防止指紋識(shí)別技術(shù)識(shí)別率低，提高安全等級和正確識(shí)別率。筆者設(shè)計(jì)了一種新型車載智能防盜控制系統(tǒng)，可有效地保障汽車的安全。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)通過識(shí)別用戶的指紋來辨別用戶的身份是否合法，從而實(shí)現(xiàn)對汽車進(jìn)行開門、點(diǎn)火和報(bào)警等控制。系統(tǒng)指紋庫中預(yù)先存入車主及其授權(quán)人員的指紋特征。該系統(tǒng)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(gè)系統(tǒng)的核心，由它完成系統(tǒng)的外圍控制、匹配識(shí)別和報(bào)警。如果匹配成功，則確認(rèn)操作者身份合法，可以控制汽車啟動(dòng);若匹配失敗，則通過通信模塊發(fā)送短信給車主預(yù)設(shè)的手機(jī)號碼以通知車主，并發(fā)出聲光報(bào)警。其系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成

當(dāng)汽車需要送維修站維修保養(yǎng)時(shí)，系統(tǒng)通過外圍控制中的鍵盤及LCD顯示操作，設(shè)置設(shè)防、解防模式，方便修車和洗車之用。當(dāng)車主通過指紋識(shí)別進(jìn)入管理員權(quán)限時(shí)，可將系統(tǒng)設(shè)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(shè)置為設(shè)防模式，恢復(fù)使用系統(tǒng)功能，不具有管理員權(quán)限的用戶無法使用該功能。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。該系統(tǒng)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(bào)警電路及鍵盤和LCD電路。圖2中虛線框內(nèi)為系統(tǒng)微處理器，是系統(tǒng)的核心，其中單片機(jī)完成對系統(tǒng)的外圍控制，而DSP主要對采集的指紋圖像進(jìn)行預(yù)處理和特征提取，并將得到的指紋特征數(shù)據(jù)與存入指紋庫的指紋模板進(jìn)行匹配，然后發(fā)出控制信號。

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

2.1 微處理器

傳統(tǒng)指紋識(shí)別主要依靠計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)軟件算法，因而不需要考慮運(yùn)算速度及儲(chǔ)存空間，但計(jì)算機(jī)成本較高，應(yīng)用于車載裝置不經(jīng)濟(jì)。因此，考慮到成本等因素，筆者設(shè)計(jì)的系統(tǒng)由單片機(jī)和DSP雙微處理器組成微處理器，單片機(jī)控制能力強(qiáng)，DSP微處理器的數(shù)據(jù)處理能力卓越，它們分工合作，從而可有效地提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率。

該系統(tǒng)的單片機(jī)采用 ATMEL公司的 Atmega128，還包括128 k字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash、4 k字節(jié)的 EEPROM、4 k字節(jié)的 SRAM、53個(gè)通用I/O口線、32個(gè)通用工作寄存器、實(shí)時(shí)時(shí)鐘RTC、4個(gè)靈活的具有比較模式和PWM功能的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器(T/C)、兩個(gè)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(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時(shí)器、SPI串行端口和與IEEE 1149.1規(guī)范兼容的JTAG測試接口，系統(tǒng)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(shù)字信號處理器TMS320VC5402作為系統(tǒng)的核心處理器，由于指紋圖像處理的數(shù)據(jù)量大，而TMS320VC5402具有較高的性價(jià)比，因此可以訪問1 M的程序空間和64 k的數(shù)據(jù)空間[3]。內(nèi)部自帶的16 k雙尋址RAM，鎖相環(huán)電路則可提供高達(dá)100 MHz的工作頻率，使TMS320VC5402有能力在短時(shí)間內(nèi)完成指紋的識(shí)別操作。

2.2 存儲(chǔ)器

由于指紋圖像具有數(shù)據(jù)量大的特點(diǎn)，為了保證系統(tǒng)有足夠的存儲(chǔ)空間，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)部分由片外SRAM和DSP片內(nèi)DARAM構(gòu)成。算法運(yùn)行過程中的臨時(shí)指紋圖像數(shù)據(jù)存放于片外的SRAM，系統(tǒng)應(yīng)用程序和系統(tǒng)指紋特征模板存放于片外的Flash，該系統(tǒng)對存儲(chǔ)資源進(jìn)行了合理的分配。

2.3 無線通信模塊的設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)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(gè)頻段[4]，帶串口通信接口，可以方便地與單片機(jī)通信，安全、可靠地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)方案中短信息的通信方式。當(dāng)激活防盜系統(tǒng)一定時(shí)間內(nèi)未輸入正確指紋，系統(tǒng)將會(huì)發(fā)出聲光報(bào)警，并通過該模塊給車主發(fā)送報(bào)警短信，這樣便可實(shí)時(shí)可靠地實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程報(bào)警。

2.4 指紋采集電路的設(shè)計(jì)

富士通MBF310指紋傳感器是一種直接接觸的指紋采集設(shè)備，是一種高性能、低功耗、低成本的電容式傳感器。它采用標(biāo)準(zhǔn)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(xué)腐蝕[5]。MBF310在系統(tǒng)中的應(yīng)用電路圖如圖3所示。

圖3 MBF310在系統(tǒng)中的應(yīng)用電路圖

MBF310內(nèi)置先進(jìn)的AFD自動(dòng)查找檢測電路，沒有手指按下的時(shí)間段內(nèi)設(shè)備處于低功耗待機(jī)狀態(tài)，當(dāng)監(jiān)測到有手指按下時(shí)自動(dòng)喚醒。當(dāng)手指在上面滑過時(shí)，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(dá)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(shù)據(jù)存在FIFO緩沖區(qū);當(dāng)FIFO緩沖區(qū)滿時(shí)，就產(chǎn)生一個(gè)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(shù)據(jù)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，整個(gè)指紋識(shí)別過程在DSP上進(jìn)行，外圍控制在單片機(jī)上進(jìn)行。指紋識(shí)別是一個(gè)非常復(fù)雜的過程，運(yùn)算量非常大，主要涉及到指紋圖像采集、指紋圖像預(yù)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(dòng)、報(bào)警，以及鍵盤LCD顯示等過程的控制。

該方案采用單片機(jī)與DSP雙CPU作為系統(tǒng)微處理器[9－10]。兩者之間并非孤立，需要進(jìn)行必要的數(shù)據(jù)交換。單片機(jī)與DSP之間通過DSP的HPI[11]接口進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

首先，通過指紋采集設(shè)備獲取指紋原始圖像，通過單片機(jī)傳輸給DSP，然后由DSP對原始圖像進(jìn)行預(yù)處理、特征提取，最后存儲(chǔ)在片外Flash里，形成預(yù)存指紋庫，以方便指紋匹配時(shí)直接調(diào)用。

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵，系統(tǒng)軟件流程圖如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)軟件流程圖

程序開始后，首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，然后讀取模式設(shè)置狀態(tài)。當(dāng)汽車設(shè)置為設(shè)防模式時(shí)，則將采集指紋與預(yù)存指紋進(jìn)行特征匹配，若匹配成功，則汽車啟動(dòng);反之則斷開啟動(dòng)系統(tǒng)，進(jìn)行無線遠(yuǎn)程報(bào)警及本地聲光報(bào)警;當(dāng)汽車設(shè)置為解防模式時(shí)，系統(tǒng)通過單片機(jī)外圍器件的按鍵觸發(fā)控制汽車啟動(dòng)。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為了驗(yàn)證方案的可行性，進(jìn)行了5組測試，每組測試中均進(jìn)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(quán)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(yàn)證活體指紋傳感器的敏感性能。測試結(jié)果如表1所示。

對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可知，系統(tǒng)在測試實(shí)驗(yàn)中對合法干凈指紋識(shí)別的平均正確率高達(dá)97.4%，對合法不干凈指紋識(shí)別的平均正確率高達(dá)96.4%，對人造手指的指紋平均誤識(shí)率僅為0.6%，說明該傳感器解決了傳統(tǒng)指紋識(shí)別技術(shù)識(shí)別率低的問題。對不合法指紋的平均誤識(shí)率僅1.0%，匹配失敗則通過通信模塊發(fā)送短信給車主預(yù)設(shè)的手機(jī)號碼以通知車主，并發(fā)出聲光報(bào)警，其報(bào)警率高達(dá)99%，能夠滿足實(shí)際要求。

表1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

5 結(jié)論

提出了一種新型車載智能防盜控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，利用指紋識(shí)別技術(shù)驗(yàn)證車主身份，并結(jié)合GSM網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程報(bào)警。該方案采用了第二代指紋識(shí)別技術(shù)，利用活體指紋識(shí)別芯片MBF310，它可以從干、濕或臟手指上得到更好質(zhì)量的指紋圖像，解決了傳統(tǒng)指紋識(shí)別率低的問題，提高了正確識(shí)別率以及安全系數(shù)。

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