读论文：基于Arduino控制器和射频技术的车辆远程信号入侵检测系统

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Intrusion Detection System with Remote Signalling for

Vehicles Using an Arduino Controller and Radio-Frequency Technology

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本文链接：https://scirp.org/journal/paperinformation.aspx?paperid=116604

更多内容请参照原文，此翻译仅用于学习交流使用

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摘要

过去几年，恶意的或违反法律的活动一直令人担忧。例如，许多人都是车辆抢劫的受害者。本文提出了一种基于Arduino控制器和射频技术的车辆远程信号入侵检测系统(IDS)的概念框图。针对车辆恶意活动，

本文主要考虑两个方面：通知器和检测器。

首先，实现了一个面向对象的C模块，用于打开和关闭控制器(安装在车内)，以及一个防盗电子编辑器(使用交流发电机供电，并由备用电池支持)。其次，每个车门上都安装了一个磁入侵传感器，由使用射频技术的接近探测器控制。要启用IDS，用户需要在离开车辆时通过远程系统激活监控系统。如果用户在离开车辆时没有激活监控系统，探测器将自动锁定系统，并在用户离开检测范围时启动监控系统。检测范围为：以控制器为中心，半径为5米的区域。在该范围内，监视并对任何入侵者进行地理定位。这意味着，如果车门在系统锁定状态时被打开，控制器将在几秒钟内激活车辆警报，随即向车主发送短信通知。一旦接近探测器进入检测区域，系统就会自动解锁。与其他类似工作相比，本文的贡献在于加强了IDS的电子化实施。

关键字

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入侵检测，磁性入侵传感器，Arduino控制器，射频技术，GSM模块

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1. 引言及文献综述

（以下为文献综述）

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过去几年里，恶意活动提高了标准。许多人都是车辆抢劫的受害者。入侵检测系统（IDS）是一组硬件设备或应用程序或两者结合的系统，用于监控系统或设备的可疑活动，并在发生此类活动时发出警报。通过检测有害模式的迹象或监视用户行为来检测目标对象周围的恶意意图来实现。车辆是本文中考虑的目标对象。

许多人都是车辆丢失或车内物品丢失的受害者，这些损失发生在停车时砸开车门后。车辆安全(VF)是亟需解决的重要挑战。虽然在过去的几年里，VF有了很大的改善，但仍有加强VF的空间。VF包括防抱死制动系统、驾驶员监控系统、车道偏离警告系统和防盗系统(ATS)。本文重要考虑ATS。选择ATS而非其他类型的车辆安全有两个原因。首先，它们易于实施，并被视为主动VF系统。此外，它们可以被普遍应用到不同类型的车辆上。

ATS保护车辆以及电话等个人物品。ATS包括锁、钥匙和车牌等设备。他们的首次出现是为了防止故意破坏。事实证明，该方法是无效的。制造的第一批ATS设备是带有各种嵌入式锁系统的机械设备。这些设备经过多年的发展(例如方向盘锁、轮胎锁、引擎盖锁、换挡锁、点火柱/方向盘锁)，并仍在使用。

近年来，ATS的使用有所增加，已发展成为电子汽车入侵系统。它们可以分为三大类:发动机固定器、车辆跟踪系统和车辆警报。为市场上提供的所有车辆提供适用的安全解决方案是至关重要的。这需要实现跨多个系统的有效数据收集，并执行独立于被监视对象的数据分析。它提供了一种基于被监控对象数据差异的入侵检测解决方案。

为了解决这个问题，文献中提出了基于有效跟踪技术和各种机器学习的技术。这种方法允许独立于被监视对象的类型自动检测系统错误。最后一步是触发一个描述性警报，指示检测到入侵。这是通过在分析系统上显示代码为“60”的警报消息来实现的。从技术上讲，这样的警报消息通常会传输到监控系统。尽管尚未实现，但警报引擎可以将与入侵相关的事件关联起来，以便采取行动，防止入侵的发生。例如，在Mirai僵尸网络的情况下，一旦警报被触发，扫描系统可以重新启动受感染的设备，即删除注入的恶意软件。它还可以识别Mirai感染模式，并提醒用户更改设备密码。

此外，有文献作者提出了一种巧妙而简单的车辆ATS，其特点是有效的进入和固定机制。防盗器表示车辆在被入侵时不能移动。关于访问机制，有一个隐藏的按钮，一旦触发，授予开关被监控车辆的权限。它是一个基于微控制器的系统，使用基于状态图的研究进行编程和正确放置。有文献作者指出，近年来，车辆盗窃已成为一个主要问题。需要找到丢失的车辆。他们的项目旨在探测丢失的车辆。Arduino是连接直流电机和GPS的主要组件，用于跟踪车辆，并使用GSM服务提供被盗设备的位置。被盗车辆使用ESP 8266 WiFi模块识别。有各种各样的原因限制了使用报警系统保护车辆。例如，警笛的声音在一段距离之外是听不到的。此外，人群也会对音响系统产生负面影响。作者提出了一种技术，提出了一种通过确保系统安全的机制来最大限度地减少车辆损失，这是通过在车主不知情的情况下，在注意到车辆周围的错误移动时立即发送警报消息来实现的。该系统还通过物联网定期向注册用户提供位置更新。

有文献作者重申了这样一个事实，即在大城市中，最令人担忧的问题之一是确保车辆安全，因为近年来被盗车辆的数量一直在增长。为了改善这种情况，他们提供了一种基于智能移动设备(类似于智能手机)的车辆自动测试系统，能够远程控制车辆，包括在车辆丢失的情况下对车辆进行地理定位。为了避免停机，工件和移动设备都分配了一个唯一的标识号。该系统还实现了电池自动充电模块。当车辆被盗时，该系统会用分配给车辆的唯一号码通信。此外，控制单元向车辆非常敏感的区域发送电气跳闸命令，从而使车辆静止不动并阻止其启动。车主可以与呼叫中心协调通知车辆的位置。该系统采用ATMEGA微控制器设计。这个顶点项目的输出只适用于车辆已经被盗且不提供任何变通方案的情况，因为主要目标不是找到被盗车辆，而是防止车辆被盗。

可能需要将决策过程纳入ATS以改进该过程。有文献作者指出，由于无线技术的限制及其众所周知的安全漏洞，车载自组织网络(vanet)非常不安全。ATS是基于入侵恶意动作检测创建的协议，通过分析进出报文，识别出恶意签名。然而，没有决策机制，这些行动无法被证明。

因此，需要设计一个决策系统，再加上入侵检测器，构成VANET的安全信息协议。作者的解决方案基于两种IDS方法。在第一种方法中，IDS安装在车辆上。在第二种方法中，它们被安装在道路单元(RSU)上。在这两种方法中，车辆根据速度被分组。攻击的确证是基于一个概率模型，该模型计算了响应攻击特征的车辆或RSU之间的比率。因此，当攻击发生时，协议允许确认并警告邻近集群。

与上述作者不同，本文提出的方法旨在提供一种新的IDS范式。它基于用于警报机制的射频技术（即实时通知系统）。该系统基于GSM技术(全球移动通信系统)，当系统锁定时，车主可以从任何位置进行控制。然而，车辆的覆盖范围不能超出网络覆盖范围。GSM技术也有其他用途。例如，有文献提出了一种使用GSM模块和GPS技术来跟踪车辆的系统。它使用基于OpenCV的应用程序来考虑所有者的面部识别。车主的图像存储在数据库中，每当车主试图启动车辆时，应用程序就会检索该数据库。这种系统的缺点包括误报率和漏报率以及硬件成本高。

有文献提出了一种利用GPS和GSM模块组成的车辆跟踪硬件来检测和跟踪被盗车辆的系统。该系统便于协调，并有一个实时摄像头来捕捉入侵者的面部。每次车辆发动机启动时，都会向车主手机发送一个OTP(一次性密码)进行验证。如果OTP未验证或输入的OTP不正确，蜂鸣器将启动并向车主发送警报。尽管该系统具有有趣的功能，但它只能在车辆被盗时发出警报。此外，提醒车主也要花费大量时间。最后，该系统成本昂贵。

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本文建议的模块使用两种安全模式:

• 报警系统

• 消息通知

本文提出的入侵检测系统的优势总结如下:

1. 在设备方面，该系统独立于车辆的能源;控制器安装在车辆中，由其自身的电池(交流发电机)供电。控制器也有一个备用电池。

2. 磁入侵传感器(簧片开关)安装在每个车门上并连接到控制器，每个车门上都安装了磁传感器，一旦车门被错误的打开，就会触发警报，这与其他设计师提供的不同。

3. 用户将拥有一个使用射频技术的接近检测器(以标签的形式)，可以将其附着在钥匙上。

要启用IDS，用户需要在离开车辆时激活监控系统。这是通过一个基于射频的遥控器来完成的。如果用户在离开车辆时没有激活监控系统，一个半径为5米的近距离探测器将自动锁定系统，并在用户离开控制空间时启动监控系统。这意味着，如果任何一扇车门在系统仍处于锁定状态时被打开，控制器将在几秒钟内激活车辆警报，随后向车主发送短信通知。只要接近探测器在控制空间内，系统就会自动解锁。

接下来介绍在本文中使用的方法。

2. 建议的防盗系统

本文采用的方法是实时系统。实时系统是指响应应在指定的时间约束内得到保证，或者系统执行时间应满足某个截止日期的系统。例如飞行控制系统、实时监视器等。它包含五个阶段，即:分析、概念、知识库形式化(KB)、实现和测试。

2.1. 研究图

系统的模块图如图1所示。它指任何类型的车辆，无论是否机动。它包含能够执行程序并具有与外部世界的集成接口电路的可编程电路，并配备了2G数字标准的全球移动通信系统（GSM）。它还包含一个用于传输人声并能远程通信的设备。

• 图一

2.2.射频（RF）技术

该系统采用了射频技术。射频技术已存在了一个世纪。它是一种基于介质加热，引起材料中的分子旋转而产生的一种频率小于300千兆赫的电磁波，即在真空中波长大于1米(频率低于300千兆赫)的所谓“射频”无线电波，在真空中波长大于1毫米(频率在300千兆赫到300千兆赫之间)的所谓“微波”无线电波。射频技术采用无线电波。

无线电波适应于声音和图像信号的传输，使无线电通信(步话机、无绳电话、遥控、移动电话等)、广播和雷达成为可能。它们在某些频率和强度下的生物和环境影响已得到深入研究。例如，许多关于无线电波的研究都是在无线通信发展的背景下讨论的(例如5G通信)。

2.3. GSM模块

该系统还使用了GSM模块，用于系统和用户之间的通信。Seed Studio中的GSM/GPRS模块是Arduino兼容的接口板。SIM900A是GSM模块的一种。通信选择SIM900A。它可以在900 - 1800mhz双频段工作，仅设计用于欧洲和美国以外的地区。它具有标准化的性能，工业级接口标准，加上内置的TCP/IP协议，使其外观和适合电子项目。由于它在运行中消耗的功率很小，因此据说它很容易与任何功耗低的微控制器通信。它可以使用多种接口进行接口，其中包括I2C接口、SPI接口、PWM接口、天线垫和两个串行接口。它允许任何人发送和接收短信，使用移动网络进行语音通信。该模块基于SIM900电路，是SIMCOM公司的产品。它通过Arduino板上的AT命令进行控制。

模块自带远程贴片天线。电路板背面的连接器可接收SIM卡以及锂CR1220电池。模块和Arduino板之间的通信是异步的;使用异步串行链路:UART或软件串行链路。该模块需要来自活动网络的SIM卡才能运行，并且需要具备发送消息的功能。

2.4.Arduino UNO控制器

Arduino UNO控制器是系统的智能部分，里面有检测、报警算法等各种组件。由于Arduino是主板，所以使用ATmega328单片机作为主控制器对电路进行管理。ATmega328是一款著名的基于微控制器的开源工具包，用于创建数字设备和交互式工具，可以与led、LCD显示器、开关、按钮、电机、扬声器等进行交互。Arduino系统提供了一组模拟和数字引脚，可以内置到许多其他板和电路中，在一个设计中具有完全不同的功能。Arduino板提供USB串行通信接口，用于从计算机加载代码。为了开发编码，Arduino准备了自己的软件，称为集成开发环境(IDE)，完全支持C和C++编程语言。

接收器将连接到Arduino UNO控制器，该控制器将监控车门的状态；检查系统是否已启用，并决定发送SMS。这通过向GSM模块发送指令来完成。Arduino控制器将通过串行通信接口与GSM模块和CC1101发射器通信。

2.5.Arduino NANO控制器

发射器将由Arduino Nano控制。它类似于Arduino UNO使用的电路板，但更小。当我们不希望遥控器太笨重时，这是理想的。

2.6.磁传感器

磁性传感器是一种用于检测车门是否打开的设备。

本项目将使用磁性开关。因为集成霍尔效应磁传感器对其他应用的渗透性更强，所以常用于汽车和计算机行业，但主要受到开关噪声以及与填料应力相关的偏移和漂移问题的阻碍。磁开关的两端形成磁场。如果两端分离且磁场消失，开关触点断开。作为应用程序的一部分，一端将放置在车门上，另一端放置在车架上。因此，当门关闭时，触点闭合，当门打开时，触点打开。

2.7. 稳态电源

稳=稳态电源如图2所示：

• 接收器:电源(12v /2A来自交流发电机)，9v作为备用电池

• 发射器:电源(5v /500mA)

图二：

3.实验和讨论

本文使用Arduino实现。模拟是在实际车辆上运行的。代码可以在https://github.com/Gsenghor/detection_intrusion查看

3.1.使用的算法和电子编辑

3.1.1.发卡机构算法

发卡机构算法如图所示。发卡机构向RF发送信号，RF可以验证信号的性质，无论是锁定还是解锁系统。如果信号要解锁，控制器检查模块是否锁定。如果是，模块将解锁，同时报警将停用。

3.1.2报警算法

当其中一个车门打开时，系统锁定。最后一步是在警报激活时检查警报。当模块锁定且门打开时，保持报警将循环。

本文中实验研究的源代码可以在https://github.com/Gsenghor/detection_intrusion.

本文中使用的报警方法如图所示：

3.1.3 SMS算法

当车门打开且警报响起时，GSM模块等待向车主发送信息的脉冲。假设这是一个真正的积极警报，而不是虚假警报。如果是肯定警报，则2个GSM模块将在5秒后发送短信。

3.2.电子图

3.2.1.变送器

无线电波发射器是一种电子通信设备，通过无线电波天线将电磁波辐射到太空。这些无线电波发送的信号可以是广播节目（无线电、电视）、遥控器、对话（无线电话）、计算机数据链路或雷达遥感脉冲。

3.2.2接收器

安装无线电接收器（也称为：收音机、晶体管、调谐器、车载收音机等）是一种电子设备，用于捕获、选择和解码无线电发射机发射的无线电波。

变送器和接收器

3.3.讨论

我们的实验与之前的一些工作类似。有些方面被认为可以在功能方面做得更好。例如，有作者使用了一种可能不明确的方法。尽管使用了先进的异常检测方法，但该工作考虑了可能导致误报的几个方面。事实上，警报只传输到检查点，而不是通知可能导致警报的所有者。

为了解决这一问题，首先考虑能够向所有者发送警报信息的系统。在向所有者发出警报后，警报中心（或控制中心）会在不采取行动的情况下延迟2分钟发出警报。也有作者使用的方法要求通过按下隐藏在车辆下方的按钮而不是遥控器来启动车辆。这种机制似乎非常不安全，因为入侵者可以很容易地模仿这种行为。这就是为什么在我们的建议中为用户提供远程控制系统，以关联发生的事件。这种解决方案有点昂贵，对入侵者来说也不那么直观。此外，模块定位保证了系统漏洞的减少。它被安全地隐藏起来，很难被潜在的入侵者看到，并且它有自己的内部电池来确保其自主性。

也有作者防盗系统的主要研究的是车辆控制系统的范围、警报器的可听性（在拥挤或嘈杂的区域被证明是减弱的），尤其是识别警报器发出的装置。在这项工作中，这些挑战是从这样一个事实来处理的，即只有在附加警报的情况下，威慑警报才能被认为对装备具有公平的保护价值。此外，在嘈杂环境中被盗的设备不打算留在那里，但是，如果在嘈杂环境下放置警笛，警笛会不断响起，盗窃嫌疑也会不断增加，这对攻击者构成了威慑。

至于覆盖范围，GSM的使用被证明是一项重要的资产，GSM的覆盖率在城市地区至少为90%，这降低了控制系统范围的不确定性，而且控制系统的范围仍然是决定性的。[9]中使用的技术和警报触发时间似乎非常幼稚。事实上，使用电话而不是短信来通知似乎很烦人，尽管这可能会更有效地唤醒人们的注意力。此外，该技术不考虑向不同人员发出的多个通知。对于通知延迟，作者选择在通知用户之前休息15分钟，这足以让专家定位并停用微控制器板。这就是为什么检测和通知算法被认为是不合适的。这需要开发一个更好的版本，以满足该系统的条款。

4.结论和不足

在本文中，我们设计并构建了一种ATS，在车辆丢失时提供高性能的检测和通知系统。虽然现有的ATS大多基于短距离内的防盗警报系统，没有任何通知，但我们的贡献包括为ATS添加通知层，并加强检测机制和自主性。本文提出的方法基于具有预测入侵能力的入侵检测原理。使用SMS通知实现与车辆与车主之间的距离相关的问题。

实验时在各种车型上运行了本文方法。当检测到入侵时，会向车主发送短信。假设这不是虚惊一场，车主将通过分享他们的汽车的位置来通知警察局，同时试图显示汽车停放的位置。如果是错误警报，则所有者可以禁用通知系统的铃声。与之前的工作相比，IDS的通知系统往往更快，用于构建ATS的材料也相当便宜。

还有更多可以研究的地方。首先，从理论上讲，在车辆上建立ATS是很好的。此外，可以使用机器学习和计算机视觉来获得ATS的智能版本，以减少误报。最后，加强通知系统并优化电池能耗将是很有意思的。