基于手机
—电子钥匙指纹识别汽车防盗系统设计*

陈启新，罗卫东，张　立，何明山

(贵州大学 机械工程学院，贵州　贵阳　550025)



基于手机
—电子钥匙指纹识别汽车防盗系统设计*

陈启新，罗卫东▲，张立，何明山

(贵州大学 机械工程学院，贵州贵阳550025)

现普遍使用电子钥匙实现对车辆开 / 关门功能的控制，但存在钥匙易丢失以及钥匙易被盗而导致车主无法操控车辆甚至发生车辆被盗的风险。通过设计在电子钥匙中植入指纹识别芯片作为第一道开 / 关门安全防线，同时在手机中加载基于指纹识别的车辆开 / 关安全防盗软件，可以通过手机对电子钥匙与车辆内部存储的预留信息进行更新。使用基于指纹识别的手机—电子钥匙防盗系统可以在提高便捷操控的同时，增加双重生物识别技术，提升车辆防盗性能，该设计具有很大市场推广价值。

电子钥匙，指纹识别，安全防线，生物识别技术

0　引言

汽车防盗技术的发展历经机械式、电子式、芯片式及网络式防盗系统，电子钥匙发展成为当今车辆防盗系统。机械式防盗系统存在许多缺陷已退出舞台；电子式防盗系统要求车辆必须装有电控发动机才满足使用条件；芯片式防盗系统成本高，仅装备在高级轿车上；网络式防盗系统功能强大，但技术含量高，同时需政府配合公安设立监控中心，并且车主要向监控中心缴纳较高费用，推广困难，国际上仅有少数国家正在试行[1]。

随汽车防盗技术的发展，车辆盗窃技术也在不断发展，现电子钥匙已无法应对当今盗窃问题。本文研究将电子钥匙指纹识别技术作为第一道防线，应用植入指纹识别车辆控制软件的智能手机作为安全性更高的第二道防线，具有两道生物识别技术车辆防线，在便捷操作的同时，提升车辆防盗性能。

1　智能手机中的指纹识别技术

1.1指纹识别技术

1.1.1优势

指纹识别技术是生物识别技术的一种，但相比于手形识别、面部识别、语音识别、虹膜识别以及签名识别等生物识别技术具有其独特优势[2]，例如：

唯一性：指纹是人体独一无二的特征，世界上没有任何两个人的指纹会相同；

多选性：一个人有十根手指且指纹均不相同，因而可以设置多重口令对比多个指纹；

成本低：一方面，指纹识别技术十分成熟，生产制造成本低且指纹信息电子存储，无需专业人员人工甄别[3]；另一方面，指纹面积小，不需要复杂高昂的大型设备即可轻易采集并且易于快速对比分析；

可靠性高：人的一生指纹基本不发生变化，避免了时间对指纹识别可靠性的影响；

指纹识别技术与几种生物识别技术特点分析[2]比较如表1所示。

表1　各种生物识别技术对比Tab.1　Various biometric technologies compared

1.1.2 指纹识别流程

指纹识别技术在存储指纹数据时需确保指纹采集的准确性与可靠性。指纹采集器采集面积一般比较小，采集的指纹图像质量易受外界环境影响，如手湿、手干或手指放置过偏等都会造成图像质量严重下降，从而无法进行精确匹配[4]。因此，指纹采集需进行预处理过程，预处理过程如图1所示。

指纹识别主要识别流程[5、6]如图2所示。

1.2指纹识别硬件系统

1.2.1系统硬件结构框图

本系统需要具有对外部 I / O 信号的处理，如按键、指示灯信号等。因此通过总线扩展了 16 I / O接口，包括检测外部信号、读写访问和控制外部设备[7]。系统硬件结构框图如图 3 所示。

图1　指纹图像预处理流程图Fig.1　The flow chart of the fingerprint image preprocessing

图2　指纹识别流程图Fig.2　The flow chart of fingerprint identification

图3　系统硬件结构框图Fig.3　The system hardware structure diagram

1.2.2指纹识别传感器

指纹识别传感器主要类型有温差感应式指纹传感器、半导体指纹传感器和超声波指纹扫描识别传感器等。本次设计选用 Veridicom 公司的 FPS200 指纹传感器[5]，FPS200 内部结构图如图4所示。

图4　FPS200内部结构图Fig.4　The internal structure

1.2.3电源管理模块

本文采用TI公司DSP芯片，型号TMS320 VC5410，电源管理模块部分电路图如图5所示。

图5　电源管理模块部分电路图Fig.5　The part of the circuit diagram of power management

1.2.4GSM RF模块

GSM模块是将GSM 射频芯片、基带处理芯片、存储器、功放器件等集成在一块线路板上，具有独立的操作系统、GSM射频处理、基带处理并提供标准接口的功能模块。

本研究采用西门子TC35i模块，主要由供电模块(ASIC)、闪存、ZIF连接器、天线接口等6部分组成。当电子钥匙指纹识别三次发出信号均错误时，车辆内置GSM模块将发送报警短信给车主以及另一车主指定联系人手机中；若使用车主手机三次均无法解锁车门，GSM模块则将报警短信仅发送到另一指定联系人手机中。

1.3系统软件功能

本系统主要包含：指纹算法的嵌入式微处理器DSP模块、指纹采集模块、CPLD逻辑控制模块、电源管理模块、存储模块等部分[5]。其硬件总体架构如图6所示。

图6　系统硬件体系架构框图Fig.6　The system hardware architecture diagram

手机中车辆指纹识别智能防盗软件主要有以下四大功能：

1)车辆信息导入功能：

2)车主信息导入功能；

3)常用指纹采集功能；

4)临时指纹采集功能。

1.3.1信息导入功能

顾客购买汽车时，可通过商店网络，对车辆进行注册留底备份时，将软件从商店里下载并安装到手机。商店将消费者所购买车辆相关信息输入手机控制软件，将手机与车辆信息参数进行绑定，软件设置仅车主通过指纹识别方可进行更改。

通过指纹识别后进入第二级操作模块。控制系统设置模块仅车主具有更改权限，确保其他汽车使用者仅具有使用权限而不具有获取以及更改车辆信息的权限，提升车辆安全性。

1.3.2常用指纹采集模块

车主可将家人及经常使用车辆者的指纹存储于软件，且仅车主才有权限进行该功能操作，一辆车可为多人所用而无需每次更改车辆使用者的指纹存储，确保车主具有车辆使用权的绝对控制权限。

1.3.3临时指纹采集

车主将车辆临时借给他人时，“临时指纹采集功能”允许车主将借用者指纹输入手机进行临时存储以允许车辆临时使用权的增加，事后车主可将临时存储指纹删除，方便车主对车辆的借用管理。

2　车门解锁控制策略

电子钥匙遥控基本原理[8]：从车主身边发出微弱的电波，由汽车天线接收该电波信号，经电子控制器ECU识别信号代码，再由该系统的执行器(电动机或电磁线圈)执行开 / 关锁的动作。

本文研究单独使用电子钥匙和单独使用手机两种方式对车门控制，以及使用手机对车辆与电子钥匙的管理控制策略。

2.1电子钥匙解锁

电子钥匙内置一个指纹识别信号传感器，手机软件将存储于软件中的许可指纹信息更新存储于电子钥匙内置的指纹识别芯片中。当电子钥匙内置指纹识别传感器识别芯片识别到使用者指纹为有效指纹时，电子钥匙将解锁信号通过内置信号发射装置无线传输到车门解锁信号接收装置中，车门接收有效信号后打开，车辆可正常使用；若使用者按压电子钥匙3次仍未能成功通过识别，车门将进行自动锁死，必须由车主本人方可解锁，同时车辆内置TC35i中的GSM RF模块将车辆报警短信同时发送到车主以及车主设定的其他联系人手机中。电子钥匙解锁流程示意图如图7所示。

图7　电子钥匙解锁流程示意图Fig.7　The diagram of electronic key to unlock

2.2手机解锁

手机中车辆控制软件设有一虚拟电子钥匙界面，具体原理：将与电子钥匙内置的指纹识别芯片相似软件安置下载于手机中，该软件中包括所有对车辆归属功能的设定，但任一功能设置及更改，必须是车辆所有者方可进行操作。可防止因手机丢失或被盗时，非车主使用该手机对车辆设置进行更改而产生损失，提高车辆安全性能。若使用者使用手机解锁三次均无法正确识别确认为有效指纹时，车辆内置GSM RF模块将发送车辆报警短信至除车主外地指定联系人。

使用手机进行解锁操作流程图如图8所示。

图8　手机解锁流程图Fig.8　Mobile phone unlock flow chart

3　手机—电子钥匙复合防盗系统

3.1手机—电子钥匙复合控制的实现

车门中控台位置布置有信号接收装置。当车门信号接收装置接收到电子钥匙或手机发出的解锁信号时，中控台将通过电子控制机构解锁车门，同时中控台将发送指令到发动机启动线路控制模块，命令控制模块将连接发动机连接线路，车辆可正常使用。当车辆控制软件中存储信息变化后，可通过手机将变化后的信息同步到车门信号接收装置及电子钥匙中。利用手机将车辆控制软件与电子钥匙结合，实现复合防盗功能。

手机—电子钥匙复合防盗系统图如图9所示。

图9　手机—电子钥匙复合防盗系统Fig.9　Mobile phone-Electronic key compound security system

3.2车门信号接收方式

电子钥匙使用汽车遥控门禁系统(RKE)[9]，该系统应用于汽车防盗方面的无线通讯领域。

RKE工作基本原理[10]：在电子钥匙中内置有预先在芯片，芯片内植入预先选定算法的软件。当电子钥匙接收到按压信息时，软件根据识别到的信息进行分析信息是否为有效数据帧信息。当且仅当电子钥匙识别到的信息为有效信息时才将解锁信息发送至汽车实时信号接收设备，在接收到有效无线载波信号后，汽车执行相应的解锁动作。

在对有效滚码与按键信息进行判断后，车上的控制系统执行锁定或解锁动作。工作流程如图10所示。

图10　按键工作流程Fig.10　The process of key working

3.3设计可行性分析

本文设计的“基于手机—电子钥匙指纹识别汽车防盗系统”的关键技术在于通过无线控制遥感技术将目前技术十分成熟的智能手机指纹技术与内嵌于电子钥匙中的指纹识别技术利用最优化的方案，创新性地进行结合后形成安全性能更高的车辆防盗。对于智能手机指纹识别技术已经是一种目前存在的技术成熟且成本较低的高新生物识别技术，同时将指纹识别芯片内置于电子钥匙中也已是技术十分成熟且成本不高并早已应用于上班考勤、门卫监控等领域的安全性能较高的生物识别技术。因此，对于该设计方案而言已不存在尚未攻克的技术性难题，仅仅是如何选择更优方案进行更加合理连接的问题，降低连接的成本。由于该设计方案能够提供操作方便、安全性能更高的车辆复合防盗系统优势，其推广具有很大的市场效益。

4　结论

1)电子钥匙增加指纹识别环节，作为第一道防线，既便捷操作又提高防盗性能；手机内置基于指纹识别的车辆控制软件，不仅可管理车辆信息，亦可通过手机对车辆进行控制而无需电子钥匙，摆脱随身携带电子钥匙的负担。

2)手机—电子钥匙复合防盗系统决定手机作为控制终端，手机控制成为更高级的第二道防线：一方面控制车门装置存储内容，另一方面决定电子钥匙内部存储的信息，使电子钥匙及车门内存信息与手机一致，减少因电子钥匙丢失或被盗而产生的风险与损失。同时车辆中内置GSM RF模块可设置多个报警信号接收者，提高提前预防车辆被盗风险，保护车主财产安全。

3)该设计方案不存在尚未攻克的技术难题，仅在于选择何种最优方案，具有较大市场推广价值。

【REFERENCES】

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Automobile anti-theft system based on mobile phone-electronic key fingerprint identification technology*

CHEN Qixin，LUO Weidong▲，ZHANG Li，HE Mingshan

(SchoolofMechanicalEngineering，GuizhouUniversity，GuizhouGuiyang550025China)

Electronic keys are now widely used to realize the function of opening or closing car doors，but the keys are easy to be lost or stolen，which will cause the problem for driver that him or her cannot control the vehicle or even make the car be at the risk of being stolen.The electronic key with embedded fingerprint identification chip is used as the first security defense to car doors.The anti-theft security software based on fingerprint identification is loaded in the cell phone to open or close car doors as the second security defense.This method not only provides a convenient control way but also increases double biological recognition technologies which improves the vehicle anti-theft performance.This design has a great value for popularizing.

electronic key，fingerprint identification，security line，biological recognition technology

U471.15

A

1003-6563(2016)04-0091-06

2016-05-27；

2016-06-03

贵州大学研究生创新基金项目[研理工2014022]资助；贵阳市科技计划项目[筑科合同(2011101)1-27号]资助。

陈启新(1990-)，男，福建南平人，汉族，硕士研究生，研究方向：汽车及其关键零部件的设计。

▲罗卫东(1962-)，男，贵州习水人，汉族，教授，硕士生导师，研究方向：汽车及其关键零部件的设计。