基于指纹识别的汽车防盗系统设计

摘要：随着汽车大量进入家庭，汽车盗窃案件也呈上升趋势。现在市场上的汽车报警装置，普遍存在着误报率高和无法有效通知车主的缺陷。针对指纹的惟一性和终身不变性的特点，在现有嵌入式指纹识别系统的基础上，利用单片机STM32F103VC和GSM网络的短消息服务的优点，完成了汽车指纹报警系统的总体设计。实验证明该系统设计比较合理，方案可行性高，有较强的实用价值和广阔的应用前景。
关键词：指纹识别；汽车防盗；单片机；GSM；STM32

    随着汽车市场的飞速发展和人们生活水平的提高，越来越来多的汽车进入普通家庭。汽车防盗就显得尤为重要，成为一个亟待解决的重要的社会问题。目前市场上销售的汽车防盗报警器多为加装式汽车防盗器和采用电子密码钥匙的汽车防盗器。加装式汽车防盗器主要采用串接式的线路，对于精通汽车电路的盗贼来说，用跨接的方法可很轻松地避开防盗电路，防盗系统如同虚设。对于采用电子密码钥匙的汽车防盗器，盗贼一般通过偷取钥匙，并利用遥控器快速寻车并实施盗窃。这说明现有的汽车防盗装置的防盗手段并不可靠。而采用指纹识别模块验证车主身份并辅助多种报警措施来完成汽车防盗报警器的设计，能够在不改变汽车整体电路的情况下尽可能地保障汽车的安全。指纹识别
是生物特征识别的一种，它利用指纹特征的惟一性和终身不变性对个人身份进行认证，具有极高的安全性和易用性。本文将指纹识别技术应用于汽车防盗系统中，并结合GSM无线通信网络，实现远程报警，有效地保障了汽车的安全。

1 系统结构和工作原理
    该汽车防盗器主要由MCU、指纹识别模块、无线通信模块、LCD显示屏、语音电路、电子密码钥匙接口电路、键盘、控制电路和电源电路等组成。其硬件原理框图如图1所示。MCU选用意法半导体公司推出的基于低功耗的嵌入式ARM CortexTM—M3内核的增强型32位芯片STM32F10 3VC，它的工作电压为2．0～3．6 V，本设计采用3．3 V，其最高工作频率可达到72 MHz，具有多达80个快速I／O端口，所有I／O口可以映像到16个外部中断，几乎所有端口均可容忍5 V信号。片内具有256 KB的FLASH，2个I2C接口，2个SPI接口，3个USART接口，3个16位定时器，每个定时器有多达4个用于输入捕获／输出比较／PWM或脉冲计数的通道和增量编码器输入，2个看门狗定时器(独立的和窗口型的)等。图l中“KEY—ON”为汽车钥匙位置，取自钥匙开关，经光电耦合后送入STM32F103VC的PE10。无线通信模块和指纹识别模块分别经RS 232收发器MAX3232接STlM32F103VC的USART1和USART2；密码钥匙由U盘实现，USB接口连接STM32F103VC的SPI1；语音电路接STM32F103VC的SPI2；4×4键盘与PE0～PE7连接，液晶显示数据由PD0～PD7提供。

    主要工作原理如下：车主停车熄火后，防盗器进入锁定状态。此时如果汽车钥匙不在ON位，就不能进行指纹识别；只有当汽车钥匙在ON位，才可用指纹识别解锁防盗器并自动点火。在锁定状态下，汽车的油路、电路等被切断，汽车钥匙无法点火；如果强行剪断指纹采集模块和控制盒的连线，或者不识别指纹而强行用汽车钥匙点火，汽车会通过鸣号、闪灯和无线通信网络报警。在锁定状态插入密码钥匙可进入解锁状态，并可根据LCD和语音提示通过小键盘进行指纹注册／删除、手机号码设置和应急点火等操作。

2 硬件设计与实现
2．1 USB接口电路
    USB接口电路主要由文件管理控制芯片CH376T实现，CH376T支持USB设备方式和USB主机方式，并且内置了USB通信协议的基本固件、处理MassStorage海量存储设备的专用通信协议的固件、SD卡的通信接口固件、FAT16和FAT32以及FAT12文件系统的管理固件，支持常用的USB存储设备和SD卡。CH376T支持二种通信接口：SPI接口和异步串口。本设计采用SPI接口与MCU进行数据通信，电路连接方式如图2所示。串行数据输入SDI、输出SDO和时钟SCK分别接STM32F103VC的SPI1_MOSI，SPI1_MISO和SPI1_SCK，中断请求输出端INT接PC0，片选端SCS由PA1控制。图2中的RESET是系统复位信号，晶体振荡器Y1选12 MHz。当车主要进行指纹注册／删除或应急点火时，将密码钥匙(U盘)接入J1以读取密码信息。

2．2 液晶显示器
    液晶显示器选用SMG12864G3-ZK标准中文字符及图形点阵型液晶显示模块，采用点阵型液晶显示器，可显示128×64点阵或4行×8个汉字，内置ST7920接口型液晶显示控制器，内带GB2312码简体中文字库(16×16点阵)，可与MCU直接连接，具有8位并行及串行的连接方式。本设计采用并行方式与STM32F103VC相连接，数据端DB0～DB7接STM32F103VC的PD0～PD7，其数据／命令选择端RS、读／写控制信号R／W和使能端E分别连接PB2、PA14和PA15。在本防盗器中液晶显示器用于显示操作方法和操作内容。
2．3 语音电路
    语音电路原理图如图3所示，由美国ISD公司的语音芯片ISD4004-16和美国国家半导体公司的音频功率放大器LM386等元件构成。ISD4004 -16录放时间为16 min(可分段)，它采用CMOS技术，单电源3 V工作，内含振荡器、抗混叠滤波器、平滑滤波器、音频放大器、自动静噪及高密度多电平闪烁存贮陈列。它内置微控制器SPI总线串行通信接口。可将模拟语音数据直接写入单个存储单元，不需通过A／D或D／A转换。使得ISD语音电路具有音质自然、使用方便、单片存储、反复录放、低功耗、抗断电等许多优点。LM386工作电压范围宽，电压增益可调。具有自身功耗低、电压增益可调整电源电压范围大、外接元件少和总谐波失真小等特点。本设计中STM32F103VC通过SPI2给ISD4004传送语音信息。图3中的V1和V2分别经三极管与+3．3 V和+12 V电源相连，三极管的通断由STM32F103VC的PCI1和PCI2控制，只有在需要语音提示时，才使三极管导通给ISD4004和LM386供电。

2．4 控制电路
    控制电路由光电流耦合器TLP521、大电流驱动器MC1413和四个12 V小型继电器K1～K4构成，继电器的吸合由STM32F103VC控制。继电器K1，K2分别串接在汽车发动机控制模块和油泵电源回路，作用是在锁定状态切断汽车电路和油路，继电器K3和K4分别并接在汽车喇叭和转向灯电路中，用于声光报警。并接汽车喇叭的继电器设置有投切开关，可根据实际情况接通或断开喇叭报警。
2．5 电源电路
    本防盗器共用到+12 V，+5 V和+3．3 V三种电压的电源。音频功率放大器和控制电路的+12 V电源直接采用汽车电源。12 V电压经开关稳压集成电路LM2576-5得到+5V电压，+5V电压再经SPX1117-3．3可得到+3．3V电压。
2．6 指纹识别模块
    采用SM-2B型指纹识别模块，它由高速DSP处理器、FPC电容式指纹传感器和FLASH芯片等构成，可存储512枚指纹模板，具有丰富的指令集搜索时间小于1．0 s，认假率小于0．001％，拒真率小于1％，自带RS 232串行通信接口，通信波特率为57 600 b／s，STM32F103VC通过USART2对指纹识别模块进行控制，实现指纹图像采集与处理、指纹特征采集、指纹模板录入、模板存储、指纹比对、指纹搜索等功能。
2．7 无线通信模块
    本设计采用西门子公司推出的无线通信GSM模块TC35。该模块的工作电压为3．3～5．5 V。可以工作在900 MHz／1 800 MHz二个频段，自带RS 232通信接口，可以方便地与MCU连机通信，安全、可靠地实现系统方案中的数据、语音传输、短消息服务等。电路中TC35通过MAX3 232与STM32F103VC的USART1进行通信，当有警情发生时，防盗器会自动向车主手机发送报警短信。这样便可实时、可靠、快捷地实现远程报警。

3 软件设计
    系统主程序流程图如图4所示。

    在锁定状态，车主要进行指纹注册／删除或应急点火时，接入密码钥匙，通过键盘操作STM32F103VC在其PA1产生CH376T芯片的SPI片选信号，低电平有效，然后按SPI输出方式发出一个字节的数据，延时1．5μs，从CH376T接收一个字节的数据，等待SPI接口空闲后，MCU继续从CH376T接收数据，直到MCU禁止SPI片选。接下来对读取的数据进行密码匹配，密码匹配正确时可进入设置状态，车主可根据语音和LCD提示进行操作，操作结束便返回锁定状态。如果密码匹配不正确将发出相应报警信号并切断电路和油路。如果不进行设置，当插入汽车钥匙并打至“ON”位，可进行指纹采集和匹配，匹配正确可自动点火(点火失败时可用车钥匙再次点火)，如果指纹匹配不正确，发出相应报警并保持电路和油路为断开状态。

4 结论
    本文采用增强型32位低功耗单片机STM32F103VC、指纹识别技术和无线通信GSM技术设计了汽车防盗系统，它利用人体指纹的生物特征的惟一性，通过指纹识别控制汽车的电路、油路等，从而达到防盗的目的。活体指纹的不可复制性以及复杂性，可以做到防解码的特点，解决了目前广泛采用的无线遥控方式存在空中截码和非法获取电子钥匙合法开车等问题。GSM技术增加了人防功能，它能通过无线网络进行远程报警。本系统的设计，有效的弥补了单一防盗电路的缺点，保障了汽车的安全。