陳 琳

(福建信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建福州 350003)

基于指紋認(rèn)證的VANET行車安全系統(tǒng)研究

陳 琳

(福建信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建福州 350003)

本文對(duì)基于指紋認(rèn)證的VANET行車安全系統(tǒng)進(jìn)行分析，詳細(xì)闡述了系統(tǒng)的模塊設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)和硬件設(shè)計(jì)，最后介紹指紋認(rèn)證行車安全系統(tǒng)在互聯(lián)網(wǎng)終端平臺(tái)的應(yīng)用。

指紋認(rèn)證；行車安全；VANET技術(shù)

據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，目前我國已進(jìn)入道路交通事故的高發(fā)期，道路交通安全形勢(shì)十分嚴(yán)峻，專家提出使用車用自組織網(wǎng)絡(luò)(VANET)技術(shù)，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(diǎn)之間可相互開放移動(dòng)通信的Ad hoc網(wǎng)絡(luò)組成，在道路上構(gòu)建一個(gè)自組織、部署方便、費(fèi)用低廉、結(jié)構(gòu)開放的車輛間通信網(wǎng)絡(luò)[2]。指紋模式識(shí)別身份認(rèn)證的VANET行車安全電子系統(tǒng)，參考VANET技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)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(wù)等應(yīng)用。

1 基于指紋認(rèn)證的VANET行車安全系統(tǒng)的模塊設(shè)計(jì)

指紋模式識(shí)別身份認(rèn)證的VANET行車安全電子系統(tǒng)，通過在汽車上安裝指紋行車安全電子系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)客戶VANET安全助理終端，對(duì)所采集的駕駛員行車狀態(tài)以及車輛行駛狀態(tài)進(jìn)行行車安全信息處理和判斷，對(duì)電子駕駛證和電子行駛證進(jìn)行行車指紋模式識(shí)別身份認(rèn)證。通過在車輛行駛路邊安裝分布式信息處理系統(tǒng)VANET網(wǎng)絡(luò)傳輸基站，對(duì)駕駛員行車狀態(tài)和車輛行駛狀態(tài)進(jìn)行安全信息監(jiān)督，并負(fù)責(zé)將信息傳輸給交通警察管理指揮中心的服務(wù)器或路邊交通警察的PDA，服務(wù)器或路邊交警的PDA則對(duì)駕駛員行車狀態(tài)和車輛行駛狀態(tài)信息進(jìn)行安全管理。

1.1 指紋身份認(rèn)證模塊

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

1.2 行車事故誘發(fā)因素分析模塊

行車事故誘發(fā)因素分析模塊是基于事故預(yù)防分析數(shù)學(xué)模型的軟件實(shí)現(xiàn)，行車事故預(yù)防分析數(shù)學(xué)模型(Pmiss)是一個(gè)普適的汽車事故預(yù)防分析的數(shù)學(xué)方程組，每個(gè)數(shù)學(xué)方程對(duì)應(yīng)著相應(yīng)的事故誘發(fā)因素的函數(shù)。這些因素包括：某限速n情況下，會(huì)誘發(fā)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(huì)誘發(fā)事故的因素，其最大可能性函數(shù)的數(shù)學(xué)方程為Pmiss=fn。

圖1 駕駛員和電子駕駛證指紋身份認(rèn)證流程

圖2 行車事故誘發(fā)因素分析模塊流程

1.3 客戶端/服務(wù)器無線通信模塊

本模塊包括指紋密碼報(bào)文裝配分模塊、指紋客戶/服務(wù)呼叫應(yīng)答分模塊。其中指紋密碼報(bào)文裝配分模塊流程如圖3所示。

圖3 指紋密碼報(bào)文裝配模塊流程

在指紋客戶/服務(wù)呼叫應(yīng)答分模塊中，客戶端用廣播呼叫服務(wù)器端，服務(wù)器端應(yīng)答回傳客戶端。客戶端發(fā)送其偽隨機(jī)指紋特征數(shù)到服務(wù)器，服務(wù)器用約定指紋加密算法加密該偽隨機(jī)指紋特征數(shù)，服務(wù)器回發(fā)該加密的偽隨機(jī)指紋特征數(shù)和其偽隨機(jī)指紋特征數(shù)到客戶端?？蛻舳艘膊捎弥讣y加密算法解密及驗(yàn)證，并向服務(wù)器回發(fā)該加密的偽隨機(jī)指紋特征數(shù)，同時(shí)進(jìn)行判斷，若成功則裝配要發(fā)送的指紋加密報(bào)文數(shù)據(jù)，若失敗或超時(shí)則啟動(dòng)重連功能。服務(wù)器接收并解密指紋加密報(bào)文數(shù)據(jù)，同時(shí)裝配回送指紋加密報(bào)文并發(fā)送至客戶機(jī)，客戶端接收并解密回送指紋加密報(bào)文，根據(jù)服務(wù)器應(yīng)答狀態(tài)判斷成功或失敗。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

指紋認(rèn)證的行車安全系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)有兩部分：一是安裝在汽車上的嵌入式系統(tǒng)客戶端YT-802.11PVRce；二是服務(wù)器端YT-802.11PVRse和無線基站端YT-802.11PVRsct。

2.1 嵌入式系統(tǒng)客戶端YT-802.11PVRce

YT-802.11PVRce系統(tǒng)軟件架構(gòu)實(shí)現(xiàn)于事故預(yù)防嵌入式系統(tǒng)主板之上，運(yùn)行于Windows CE嵌入式系統(tǒng)環(huán)境，系統(tǒng)軟件架構(gòu)流程如圖4所示。

圖4 YT-802.11PVRce系統(tǒng)軟件流程

YT-802.11PVRce采用eVC程序編程設(shè)計(jì)，把系統(tǒng)模塊分為8類，為了提高系統(tǒng)的可靠性，對(duì)指紋數(shù)據(jù)會(huì)話傳輸進(jìn)行更好地管理，采用了改進(jìn)的滑動(dòng)窗口機(jī)制，具體劃分如下。

(1)鏈路管理類：客戶端與服務(wù)器進(jìn)行連接操作時(shí)，負(fù)責(zé)鏈路管理和維護(hù)工作。

(2)會(huì)話管理類：負(fù)責(zé)消息的發(fā)送、重發(fā)、流量控制、超時(shí)操作等工作。

(3)滑動(dòng)窗口類：實(shí)現(xiàn)消息的發(fā)送及同步管理。

(4)會(huì)話傳輸類：通過滑動(dòng)窗口實(shí)現(xiàn)同步消息發(fā)送和接收、重發(fā)等功能。

(5)數(shù)據(jù)傳輸管理類：負(fù)責(zé)消息監(jiān)控、跟蹤、查詢以及攔截等功能。

(6)指紋信息采集類：對(duì)指紋數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并對(duì)特征數(shù)據(jù)進(jìn)行提取[3]。

(7)指紋對(duì)比類：將指紋特征進(jìn)行比對(duì)。

(8)通信類：總管以上子類。

2.2 服務(wù)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(yīng)用比較廣泛的SSL協(xié)議，利用SSL以及偽指紋隨機(jī)發(fā)生器來產(chǎn)生可自認(rèn)證的密鑰，即可實(shí)現(xiàn)安全可靠的傳輸。在數(shù)據(jù)傳輸過程中，SSL協(xié)議對(duì)計(jì)算機(jī)之間整個(gè)會(huì)話進(jìn)行加密，在建立連接過程中采用非對(duì)稱密鑰，在會(huì)話過程中使用對(duì)稱密鑰。握手過程結(jié)束后，就可采用會(huì)話密鑰對(duì)客戶端和服務(wù)器端的指紋數(shù)據(jù)進(jìn)行安全的傳輸。

YT-802.11PVRse實(shí)現(xiàn)的類架構(gòu)包括TCP通信類、SSL類、MAC類，利用Visual C++建立如下程序架構(gòu)。

Class TCPSSLFP

{ TCP tcp; //TCP對(duì)象

SSL ssl; //SSL對(duì)象

MAC mac; //MAC對(duì)象

Void Send(); //發(fā)送數(shù)據(jù)

Void Receive(); //接收數(shù)據(jù)

}

YT-802.11PVRsct和YT-802.11PVRce軟件通信設(shè)計(jì)制作包括如下內(nèi)容。

(1)YT-802.11PVRsct對(duì)YT-802.11PVRce的廣播呼叫進(jìn)行應(yīng)答回傳。

(2)對(duì)YT-802.11PVRce的鑒權(quán)認(rèn)證請(qǐng)求進(jìn)行認(rèn)證并回傳，附帶發(fā)送YT-802.11PVRce對(duì)自己的鑒權(quán)認(rèn)證請(qǐng)求。

(3)對(duì)YT-802.11PVRce的鏈路狀態(tài)檢測(cè)請(qǐng)求進(jìn)行檢測(cè)認(rèn)證并回傳。

(4)對(duì)YT-802.11PVRce發(fā)送的指紋加密報(bào)文數(shù)據(jù)進(jìn)行收到確認(rèn)并加密回傳。

(5)對(duì)YT-802.11PVRce發(fā)送的警示報(bào)文，進(jìn)行警示并轉(zhuǎn)發(fā)報(bào)告給YT-802.11PVRse和交警YT-802.11PVRsct，以便交警及時(shí)終止事故發(fā)生。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)包括事故預(yù)防嵌入式系統(tǒng)主板、電子駕駛證讀寫器、電子駕駛證、駕駛員身份認(rèn)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(yù)防嵌入式系統(tǒng)主板采用ARM嵌入式系統(tǒng)主板2440制作的方法，可接入無線網(wǎng)卡、AP或路由器，實(shí)現(xiàn)多個(gè)接口功能。電子駕駛證讀寫器采用汽車行駛記錄儀內(nèi)置接觸式IC卡讀寫器，實(shí)現(xiàn)駕駛員電子駕駛證中指紋特征信息的讀取。駕駛員身份認(rèn)證指紋采集器可實(shí)現(xiàn)駕駛員和電子駕駛證指紋模式識(shí)別身份認(rèn)證。汽車行駛記錄儀按GB/T19056-2003定義進(jìn)行制作，事故預(yù)防嵌入式系統(tǒng)根據(jù)所采集的駕駛員實(shí)時(shí)行車狀態(tài)參數(shù)，即可運(yùn)行汽車事故預(yù)防分析數(shù)學(xué)方程函數(shù)，對(duì)事故誘發(fā)因素進(jìn)行汽車事故預(yù)防分析。

4 系統(tǒng)的互聯(lián)網(wǎng)終端平臺(tái)

基于指紋認(rèn)證的VANET行車安全系統(tǒng)采用了802.11無線通信技術(shù)，為了適合高速移動(dòng)和經(jīng)濟(jì)、安全、可靠、高效的信息傳輸，它還采用了ARM9嵌入式2440系統(tǒng)主板和Windows CE嵌入式操作系統(tǒng)，同時(shí)采用了“偽隨機(jī)指紋互證型”UDP/IP通信方式。按已經(jīng)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(tái)，還可以配設(shè)汽車移動(dòng)辦公設(shè)備和汽車防盜設(shè)備。

無線寬帶接入互聯(lián)網(wǎng)的基于指紋認(rèn)證的VANET行車安全系統(tǒng)工作流程如圖5所示。

圖5 指紋認(rèn)證的行車安全系統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)終端平臺(tái)的流程

5 結(jié)語

綜上所述，本文分析了指紋認(rèn)證的VANET行車安全系統(tǒng)的原理和架構(gòu)，并使用Visual C++編程設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了該系統(tǒng)。通過測(cè)試，該系統(tǒng)能實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地獲取駕駛員行車狀態(tài)和車輛行駛狀態(tài)的信息，實(shí)現(xiàn)了對(duì)駕駛員和車輛狀態(tài)信息的安全監(jiān)督和管理。同時(shí)，指紋認(rèn)證行車安全系統(tǒng)將對(duì)駕駛員檔案和車況檔案行車安全管理、危機(jī)應(yīng)急處理和違章常態(tài)處理管理、城市智能交通及不停車收費(fèi)管理等發(fā)揮重要作用，應(yīng)用前景廣闊[4]。

[1]盧玫.道路交通安全系統(tǒng)對(duì)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(jī)制[J].計(jì)算機(jī)工程,2015(11):8-12.

[3]陳梁.嵌入式指紋識(shí)別系統(tǒng)研究與實(shí)現(xiàn)[D].南京:南京航空航天大學(xué),2007.

[4]李昊,傅曦.指紋識(shí)別系統(tǒng)算法及實(shí)現(xiàn)[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(jì)算機(jī)技術(shù)研究。

TP391

A

2095-7602(2017)02-0041-05