一種基于指紋識別的藍牙車鎖設計

方子正，劉帥，張智超

（吉林大學儀器科學與電氣工程學院，吉林長春130061）

隨著我國經濟的快速發展，人民生活達到小康，汽車作為一種代步工具已逐漸被廣泛使用。隨著社會上汽車的數量越來越多，汽車的安全問題越發嚴重，汽車盜竊案件時常發生。汽車門鎖作為防止汽車被竊的第一道屏障，可以說是汽車安全中的重中之重。為了解決汽車門鎖的安全問題，一部分車型上使用了汽車指紋識別技術用以提高汽車車門的安全系數。然而，目前的汽車指紋識別系統均裝載在汽車車門上，司機必須要伸手觸碰車門上的指紋識別系統才能開鎖。這與已有的遙控開鎖相比并不簡便，且目前汽車指紋識別系統大多均只配備在高端車型上，普通車型少有配備，這意味著大多數汽車門鎖的安全問題依然沒有得到解決[1-6]。當今，包括智能手機在內的眾多電子產品已經將指紋識別作為了一大賣點。因此，將高安全系數的指紋識別技術與能夠在適當距離傳輸數據的藍牙技術相互結合，已經成為汽車車鎖系統發展的必然趨勢。

為了解決汽車的門鎖安全問題，本文設計了基于指紋識別的藍牙車鎖系統。其通過單片機將藍牙模塊與指紋識別模塊相結合，讓指紋識別系統可以隨身攜帶，遠距離使用，提高了系統的便利性。此外，系統采用了指紋解鎖方式，相比傳統解鎖方式更加可靠。同時，還可以保證鑰匙丟失或被盜后的車鎖不會被他人打開，安全性能大幅增強。此外，本系統可以在多個方面進行功能擴展，以適應不同環境的特點，提供專門的應用需求，適用范圍更加廣泛。經過實驗測試，文中設計的基于指紋識別的藍牙車鎖系統能夠遠程指紋識別開啟車門，其在5 m內的開鎖正確率高達97%。

1 系統設計

文中提出的基于指紋識別的藍牙車鎖電路系統，包括一個具有指紋解鎖和發送信號功能的鑰匙以及一個具有接收信號后判斷是否開鎖功能的車鎖。鑰匙部分包括單片機系統、HC-05藍牙模塊、fm-608型指紋模塊、12864液晶顯示器、24c02儲存器、鍵盤和供電部分等。車鎖部分包括HC-05藍牙模塊、單片機系統、電磁繼電器、LED指示燈、電磁鎖和供電部分等。系統框圖，如圖1所示。

圖1 系統框圖

系統主要分為兩個功能，即指紋信號的采集和處理以及驗證碼的傳輸與對比。首先，系統的鑰匙部分通過指紋識別模塊對用戶的指紋進行采集和對比。然后，根據對比的結果向單片機系統發送不同的信號。單片機根據收到的信號進行下一步的動作，若是允許開鎖的信號，則啟動串口通信，利用藍牙模塊將存儲的校驗碼發送至車鎖部分；若是不允許開鎖的信號，則串口不工作，不發送校驗碼。同時，鑰匙部分組合報警系統報警，表示指紋錯誤，不能開鎖。若校驗碼發送與接收成功，則車鎖部分將接受到的校驗碼與其內部存儲的校驗碼進行比較，若二者相同則車鎖部分的LED亮起，同時啟動連接的電磁繼電器，電磁鎖上電打開，實現開鎖功能。經一段時間的延時后繼電器斷電，電磁鎖斷電關閉；若兩個校驗碼不同或未接收到校驗碼，則車鎖部分的單片機系統對外圍設備不進行任何控制，電磁繼電器不動作，始終等待下一個信號的到來。

同時，為防止因手指受傷、手指過臟或因其他一些因素導致的指紋識別暫時無法使用的情況，文中獨立添加了密碼開鎖的功能，利用鍵盤輸入密碼。與指紋開鎖類似，若輸入的密碼與鑰匙內已存儲的密碼相同則發送校驗碼，不相同則不發送，同時組合報警系統響起報警。

1.1 系統硬件設計

系統由鑰匙部分和車鎖部分組成[7-9]。鑰匙部分由FM-608型光學指紋識別模塊、24c02存儲芯片、HC-05藍牙模塊、12864有字庫液晶、蜂鳴器、5MM紅色LED和單片機系統組成，系統實物圖如圖2所示。本次選用的是STC89C52單片機，具有生產量大、技術成熟、價格低廉的優勢。由于52系列單片機只有一個全雙工通信串口，因此采用一組微動開關將指紋識別模塊與藍牙模塊的串口分離開來。鑰匙電路外部接線圖，如圖3所示。

圖2 系統實物圖

車鎖部分則包括HC-05藍牙模塊、STC89C52單片機、5MM紅色LED、電磁繼電器和電磁鎖等部分。由于車鎖端只需要與藍牙模塊進行串口通信，因此車鎖上的單片機串口無需再使用微動開關，直接與藍牙模塊相連。車鎖電路外部接線圖，如圖4所示。

1.1.1 指紋識別模塊

系統采用了FM-608系列光學指紋模塊。此款指紋識別模塊以高性能DSP處理器為核心，由光學指紋傳感器、Flash芯片等共同構成，具有以下優點：1）算法優良，符合指紋行業現行最高標準；2）反應靈敏，指紋適應性強；3）可定制自學習適應功能，根據使用者的習慣、氣候等的變化自動調整參數，做到更好的匹配；4）特定綠色LED高亮光源，抗衰老性能優越。

當用戶按住指紋識別模塊時，該模塊向單片機發送感應信號，收到信號后單片機系統向指紋識別模塊發送指令開始采集用戶的指紋。然后進行圖像處理，并根據DSP中的算法提取指紋特征信息，與已存儲的指紋信息進行比對，再根據對比的結果向單片機系統發送不同的信號。單片機系統則根據接收到的不同信號選擇進行下一步的動作。指紋識別模塊同時肩負了錄入用戶指紋和刪除用戶指紋的功能。

圖3 鑰匙電路外部接線圖

圖4 車鎖電路外部連接圖

1.1.2 光與聲音的組合報警系統

當指紋識別模塊經過查詢與對比后發現指紋不正確時，系統處理判定指紋錯誤，組合報警系統在鑰匙上啟動。此時，LED燈長滅，蜂鳴器啟動，發出刺耳的聲音，表示指紋錯誤。此用戶無開鎖權利，只有按下復位鍵才能恢復到系統初始狀態。若指紋正確，則組合報警系統不啟動，LED燈亮起，蜂鳴器不啟動，經過短暫的延時后鑰匙將驗證碼發送至車鎖，車鎖驗證無誤后開鎖。在手指受傷等無法使用指紋開鎖而需要使用密碼開鎖時，密碼錯誤則組合報警系統啟動，LED燈長滅，蜂鳴器啟動；密碼正確時組合報警系統不啟動，LED燈亮起，蜂鳴器不啟動，其工作過程與使用指紋開鎖時相同。

1.1.3 藍牙無線傳輸系統

HC-05型藍牙模塊是目前應用范圍最廣，技術成熟，且價格低廉的藍牙模塊。通過以下的設定，可以實現特定的兩塊藍牙模塊之間的信號傳輸與加密：利用上位機對藍牙模塊進行初始化時，首先設定兩塊藍牙模塊的主從角色；然后將兩塊藍牙模塊的地址進行綁定，讓其只嘗試與對方而不與其他的藍牙模塊配對連接；最后設置連接密碼和查詢訪問碼，達到對傳輸信號的加密。利用藍牙模塊進行數據的無線傳輸和實現數據的加密不僅方法簡單，且具有較高的可靠性。

1.2 系統軟件設計

系統軟件包括鑰匙和車鎖共兩部分程序[10-15]。鑰匙部分程序流程圖，如圖5所示。

圖5 鑰匙部分程序流程圖

鑰匙部分啟動后，先進行初始化操作并判斷鑰匙是否與車鎖連接成功。若不成功，則繼續返回創建連接；若成功，則判斷是否有指紋。若有指紋輸入，則進行指紋匹配，當指紋匹配成功時，發送開鎖信號；若匹配不成功，則返回繼續采集指紋。當指紋輸入次數達到上限時，斷電退出。

車鎖部分程序流程圖，如圖6所示。系統啟動后進行初始化操作，并判斷車鎖是否連接鑰匙。若連接成功，則接收校驗碼并與車鎖系統內部存儲的校驗碼進行匹配。若匹配成功，則開鎖；若匹配不成功，則繼續接收校驗碼。

圖6 車鎖部分程序流程圖

2 實驗測試

文中在25℃溫度下且鎖與鑰匙之間無障礙物的條件下對本車鎖系統進行測試。鑰匙端初始化界面如圖7所示，開鎖頁面如圖8所示。根據測試結果，系統基本達到了所需的功能要求。在實際的測試中，鑰匙部分的指紋識別模塊與單片機和藍牙模塊之間的通訊穩定，在鑰匙部分基本可以實現指紋的錄入、刪除、對比和匹配。表1和表2分別為鑰匙與車鎖相距5 m時指紋開鎖及密碼開鎖性能。由表可知，鑰匙與車鎖相距5 m時指紋解鎖成功率為97.3%，而密碼解鎖成功率為99%；表3、表4分別為鑰匙離車鎖相距10 m時指紋開鎖以及密碼開鎖性能。由表可知，當鑰匙離車鎖相距10 m時指紋解鎖成功率下降到72%，而密碼解鎖成功率下降到69.7%。因此，建議在鑰匙與車鎖相距較近的情況下使用鑰匙開鎖，以免出現過多信號丟失的情況。

圖7 鑰匙端初始化界面

圖8 成功開鎖界面

表1 在5 m的距離上測試指紋開鎖系統性能（測試300次）

表2 在5 m的距離上測試密碼開鎖系統性能（測試300次）

表3 在10 m的距離上測試指紋開鎖系統性能（測試300次）

表4 在10 m的距離上測試密碼開鎖系統性能（測試300次）

3 結束語

目前，隨著社會上汽車數量的增多，其帶來的汽車安全問題也日益顯著。指紋識別作為一種人體識別技術，其能夠在一定程度上增大汽車車門的防盜能力，然而市面上指紋識別的汽車車鎖較少，且均是固定在汽車本身，并沒有可以遙控使用的指紋識別車鎖系統。為此，本文通過單片機將藍牙模塊與指紋識別模塊結合起來，設計了基于指紋識別的藍牙車鎖系統，該系統使得指紋識別系統可以隨身攜帶，遠距離使用，提高了系統的便利性。此外，系統采用了指紋解鎖方式，相比傳統解鎖方式更加可靠，同時還可以保證鑰匙丟失或被盜后的車鎖不會被他人打開，安全性能大幅增強。通過多次試驗可知，本文設計的基于指紋識別的藍牙車鎖系統能夠遠程指紋識別開啟車門，其在5 m內的開鎖正確率高達97%。該車鎖系統成本低、安全系數高，使用方便并具備自動報警功能等優勢，是可以為目前和未來人們使用汽車帶來更多的便利的一款小型安全設備。