基于指紋識別的汽車防盜系統(tǒng)設計

摘要：隨著汽車大量進入家庭，汽車盜竊案件也呈上升趨勢。現(xiàn)在市場上的汽車報警裝置，普遍存在著誤報率高和無法有效通知車主的缺陷。針對指紋的惟一性和終身不變性的特點，在現(xiàn)有嵌入式指紋識別系統(tǒng)的基礎上，利用單片機STM32F103VC和GSM網絡的短消息服務的優(yōu)點，完成了汽車指紋報警系統(tǒng)的總體設計。實驗證明該系統(tǒng)設計比較合理，方案可行性高，有較強的實用價值和廣闊的應用前景。
關鍵詞：指紋識別；汽車防盜；單片機；GSM；STM32

    隨著汽車市場的飛速發(fā)展和人們生活水平的提高，越來越來多的汽車進入普通家庭。汽車防盜就顯得尤為重要，成為一個亟待解決的重要的社會問題。目前市場上銷售的汽車防盜報警器多為加裝式汽車防盜器和采用電子密碼鑰匙的汽車防盜器。加裝式汽車防盜器主要采用串接式的線路，對于精通汽車電路的盜賊來說，用跨接的方法可很輕松地避開防盜電路，防盜系統(tǒng)如同虛設。對于采用電子密碼鑰匙的汽車防盜器，盜賊一般通過偷取鑰匙，并利用遙控器快速尋車并實施盜竊。這說明現(xiàn)有的汽車防盜裝置的防盜手段并不可靠。而采用指紋識別模塊驗證車主身份并輔助多種報警措施來完成汽車防盜報警器的設計，能夠在不改變汽車整體電路的情況下盡可能地保障汽車的安全。指紋識別
是生物特征識別的一種，它利用指紋特征的惟一性和終身不變性對個人身份進行認證，具有極高的安全性和易用性。本文將指紋識別技術應用于汽車防盜系統(tǒng)中，并結合GSM無線通信網絡，實現(xiàn)遠程報警，有效地保障了汽車的安全。

1 系統(tǒng)結構和工作原理
    該汽車防盜器主要由MCU、指紋識別模塊、無線通信模塊、LCD顯示屏、語音電路、電子密碼鑰匙接口電路、鍵盤、控制電路和電源電路等組成。其硬件原理框圖如圖1所示。MCU選用意法半導體公司推出的基于低功耗的嵌入式ARM CortexTM—M3內核的增強型32位芯片STM32F10 3VC，它的工作電壓為2．0～3．6 V，本設計采用3．3 V，其最高工作頻率可達到72 MHz，具有多達80個快速I／O端口，所有I／O口可以映像到16個外部中斷，幾乎所有端口均可容忍5 V信號。片內具有256 KB的FLASH，2個I2C接口，2個SPI接口，3個USART接口，3個16位定時器，每個定時器有多達4個用于輸入捕獲／輸出比較／PWM或脈沖計數(shù)的通道和增量編碼器輸入，2個看門狗定時器(獨立的和窗口型的)等。圖l中“KEY—ON”為汽車鑰匙位置，取自鑰匙開關，經光電耦合后送入STM32F103VC的PE10。無線通信模塊和指紋識別模塊分別經RS 232收發(fā)器MAX3232接STlM32F103VC的USART1和USART2；密碼鑰匙由U盤實現(xiàn)，USB接口連接STM32F103VC的SPI1；語音電路接STM32F103VC的SPI2；4×4鍵盤與PE0～PE7連接，液晶顯示數(shù)據(jù)由PD0～PD7提供。

    主要工作原理如下：車主停車熄火后，防盜器進入鎖定狀態(tài)。此時如果汽車鑰匙不在ON位，就不能進行指紋識別；只有當汽車鑰匙在ON位，才可用指紋識別解鎖防盜器并自動點火。在鎖定狀態(tài)下，汽車的油路、電路等被切斷，汽車鑰匙無法點火；如果強行剪斷指紋采集模塊和控制盒的連線，或者不識別指紋而強行用汽車鑰匙點火，汽車會通過鳴號、閃燈和無線通信網絡報警。在鎖定狀態(tài)插入密碼鑰匙可進入解鎖狀態(tài)，并可根據(jù)LCD和語音提示通過小鍵盤進行指紋注冊／刪除、手機號碼設置和應急點火等操作。

2 硬件設計與實現(xiàn)
2．1 USB接口電路
    USB接口電路主要由文件管理控制芯片CH376T實現(xiàn)，CH376T支持USB設備方式和USB主機方式，并且內置了USB通信協(xié)議的基本固件、處理MassStorage海量存儲設備的專用通信協(xié)議的固件、SD卡的通信接口固件、FAT16和FAT32以及FAT12文件系統(tǒng)的管理固件，支持常用的USB存儲設備和SD卡。CH376T支持二種通信接口：SPI接口和異步串口。本設計采用SPI接口與MCU進行數(shù)據(jù)通信，電路連接方式如圖2所示。串行數(shù)據(jù)輸入SDI、輸出SDO和時鐘SCK分別接STM32F103VC的SPI1_MOSI，SPI1_MISO和SPI1_SCK，中斷請求輸出端INT接PC0，片選端SCS由PA1控制。圖2中的RESET是系統(tǒng)復位信號，晶體振蕩器Y1選12 MHz。當車主要進行指紋注冊／刪除或應急點火時，將密碼鑰匙(U盤)接入J1以讀取密碼信息。

2．2 液晶顯示器
    液晶顯示器選用SMG12864G3-ZK標準中文字符及圖形點陣型液晶顯示模塊，采用點陣型液晶顯示器，可顯示128×64點陣或4行×8個漢字，內置ST7920接口型液晶顯示控制器，內帶GB2312碼簡體中文字庫(16×16點陣)，可與MCU直接連接，具有8位并行及串行的連接方式。本設計采用并行方式與STM32F103VC相連接，數(shù)據(jù)端DB0～DB7接STM32F103VC的PD0～PD7，其數(shù)據(jù)／命令選擇端RS、讀／寫控制信號R／W和使能端E分別連接PB2、PA14和PA15。在本防盜器中液晶顯示器用于顯示操作方法和操作內容。
2．3 語音電路
    語音電路原理圖如圖3所示，由美國ISD公司的語音芯片ISD4004-16和美國國家半導體公司的音頻功率放大器LM386等元件構成。ISD4004 -16錄放時間為16 min(可分段)，它采用CMOS技術，單電源3 V工作，內含振蕩器、抗混疊濾波器、平滑濾波器、音頻放大器、自動靜噪及高密度多電平閃爍存貯陳列。它內置微控制器SPI總線串行通信接口?？蓪⒛M語音數(shù)據(jù)直接寫入單個存儲單元，不需通過A／D或D／A轉換。使得ISD語音電路具有音質自然、使用方便、單片存儲、反復錄放、低功耗、抗斷電等許多優(yōu)點。LM386工作電壓范圍寬，電壓增益可調。具有自身功耗低、電壓增益可調整電源電壓范圍大、外接元件少和總諧波失真小等特點。本設計中STM32F103VC通過SPI2給ISD4004傳送語音信息。圖3中的V1和V2分別經三極管與+3．3 V和+12 V電源相連，三極管的通斷由STM32F103VC的PCI1和PCI2控制，只有在需要語音提示時，才使三極管導通給ISD4004和LM386供電。

2．4 控制電路
    控制電路由光電流耦合器TLP521、大電流驅動器MC1413和四個12 V小型繼電器K1～K4構成，繼電器的吸合由STM32F103VC控制。繼電器K1，K2分別串接在汽車發(fā)動機控制模塊和油泵電源回路，作用是在鎖定狀態(tài)切斷汽車電路和油路，繼電器K3和K4分別并接在汽車喇叭和轉向燈電路中，用于聲光報警。并接汽車喇叭的繼電器設置有投切開關，可根據(jù)實際情況接通或斷開喇叭報警。
2．5 電源電路
    本防盜器共用到+12 V，+5 V和+3．3 V三種電壓的電源。音頻功率放大器和控制電路的+12 V電源直接采用汽車電源。12 V電壓經開關穩(wěn)壓集成電路LM2576-5得到+5V電壓，+5V電壓再經SPX1117-3．3可得到+3．3V電壓。
2．6 指紋識別模塊
    采用SM-2B型指紋識別模塊，它由高速DSP處理器、FPC電容式指紋傳感器和FLASH芯片等構成，可存儲512枚指紋模板，具有豐富的指令集搜索時間小于1．0 s，認假率小于0．001％，拒真率小于1％，自帶RS 232串行通信接口，通信波特率為57 600 b／s，STM32F103VC通過USART2對指紋識別模塊進行控制，實現(xiàn)指紋圖像采集與處理、指紋特征采集、指紋模板錄入、模板存儲、指紋比對、指紋搜索等功能。
2．7 無線通信模塊
    本設計采用西門子公司推出的無線通信GSM模塊TC35。該模塊的工作電壓為3．3～5．5 V。可以工作在900 MHz／1 800 MHz二個頻段，自帶RS 232通信接口，可以方便地與MCU連機通信，安全、可靠地實現(xiàn)系統(tǒng)方案中的數(shù)據(jù)、語音傳輸、短消息服務等。電路中TC35通過MAX3 232與STM32F103VC的USART1進行通信，當有警情發(fā)生時，防盜器會自動向車主手機發(fā)送報警短信。這樣便可實時、可靠、快捷地實現(xiàn)遠程報警。

3 軟件設計
    系統(tǒng)主程序流程圖如圖4所示。

    在鎖定狀態(tài)，車主要進行指紋注冊／刪除或應急點火時，接入密碼鑰匙，通過鍵盤操作STM32F103VC在其PA1產生CH376T芯片的SPI片選信號，低電平有效，然后按SPI輸出方式發(fā)出一個字節(jié)的數(shù)據(jù)，延時1．5μs，從CH376T接收一個字節(jié)的數(shù)據(jù)，等待SPI接口空閑后，MCU繼續(xù)從CH376T接收數(shù)據(jù)，直到MCU禁止SPI片選。接下來對讀取的數(shù)據(jù)進行密碼匹配，密碼匹配正確時可進入設置狀態(tài)，車主可根據(jù)語音和LCD提示進行操作，操作結束便返回鎖定狀態(tài)。如果密碼匹配不正確將發(fā)出相應報警信號并切斷電路和油路。如果不進行設置，當插入汽車鑰匙并打至“ON”位，可進行指紋采集和匹配，匹配正確可自動點火(點火失敗時可用車鑰匙再次點火)，如果指紋匹配不正確，發(fā)出相應報警并保持電路和油路為斷開狀態(tài)。

4 結論
    本文采用增強型32位低功耗單片機STM32F103VC、指紋識別技術和無線通信GSM技術設計了汽車防盜系統(tǒng)，它利用人體指紋的生物特征的惟一性，通過指紋識別控制汽車的電路、油路等，從而達到防盜的目的?；铙w指紋的不可復制性以及復雜性，可以做到防解碼的特點，解決了目前廣泛采用的無線遙控方式存在空中截碼和非法獲取電子鑰匙合法開車等問題。GSM技術增加了人防功能，它能通過無線網絡進行遠程報警。本系統(tǒng)的設計，有效的彌補了單一防盜電路的缺點，保障了汽車的安全。