Intrusion Detection System with Remote Signalling for
Vehicles Using an Arduino Controller and Radio-Frequency Technology
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摘要
過去幾年，惡意的或違反法律的活動一直令人擔憂。例如，許多人都是車輛搶劫的受害者。本文提出了一種基于Arduino控制器和射頻技術的車輛遠端信号入侵檢測系統(IDS)的概念框圖。針對車輛惡意活動，
本文主要考慮兩個方面：通知器和檢測器。
首先，實作了一個面向對象的C子產品，用于打開和關閉控制器(安裝在車内)，以及一個防盜電子編輯器(使用交流發電機供電，并由備用電池支援)。其次，每個車門上都安裝了一個磁入侵傳感器，由使用射頻技術的接近探測器控制。要啟用IDS，使用者需要在離開車輛時通過遠端系統激活監控系統。如果使用者在離開車輛時沒有激活監控系統，探測器将自動鎖定系統，并在使用者離開檢測範圍時啟動監控系統。檢測範圍為：以控制器為中心，半徑為5米的區域。在該範圍内，監視并對任何入侵者進行地理定位。這意味着，如果車門在系統鎖定狀态時被打開，控制器将在幾秒鐘内激活車輛警報，随即向車主發送短信通知。一旦接近探測器進入檢測區域，系統就會自動解鎖。與其他類似工作相比，本文的貢獻在于加強了IDS的電子化實施。
關鍵字
入侵檢測，磁性入侵傳感器，Arduino控制器，射頻技術，GSM子產品
1. 引言及文獻綜述
（以下為文獻綜述）
過去幾年裡，惡意活動提高了标準。許多人都是車輛搶劫的受害者。入侵檢測系統（IDS）是一組硬體裝置或應用程式或兩者結合的系統，用于監控系統或裝置的可疑活動，并在發生此類活動時發出警報。通過檢測有害模式的迹象或監視使用者行為來檢測目标對象周圍的惡意意圖來實作。車輛是本文中考慮的目标對象。
許多人都是車輛丢失或車内物品丢失的受害者，這些損失發生在停車時砸開車門後。車輛安全(VF)是亟需解決的重要挑戰。雖然在過去的幾年裡，VF有了很大的改善，但仍有加強VF的空間。VF包括防抱死制動系統、駕駛員監控系統、車道偏離警告系統和防盜系統(ATS)。本文重要考慮ATS。選擇ATS而非其他類型的車輛安全有兩個原因。首先，它們易于實施，并被視為主動VF系統。此外，它們可以被普遍應用到不同類型的車輛上。
ATS保護車輛以及電話等個人物品。ATS包括鎖、鑰匙和車牌等裝置。他們的首次出現是為了防止故意破壞。事實證明，該方法是無效的。制造的第一批ATS裝置是帶有各種嵌入式鎖系統的機械裝置。這些裝置經過多年的發展(例如方向盤鎖、輪胎鎖、引擎蓋鎖、換擋鎖、點火柱/方向盤鎖)，并仍在使用。
近年來，ATS的使用有所增加，已發展成為電子汽車入侵系統。它們可以分為三大類:發動機固定器、車輛跟蹤系統和車輛警報。為市場上提供的所有車輛提供适用的安全解決方案是至關重要的。這需要實作跨多個系統的有效資料收集，并執行獨立于被監視對象的資料分析。它提供了一種基于被監控對象資料差異的入侵檢測解決方案。
為了解決這個問題，文獻中提出了基于有效跟蹤技術和各種機器學習的技術。這種方法允許獨立于被監視對象的類型自動檢測系統錯誤。最後一步是觸發一個描述性警報，訓示檢測到入侵。這是通過在分析系統上顯示代碼為“60”的警報消息來實作的。從技術上講，這樣的警報消息通常會傳輸到監控系統。盡管尚未實作，但警報引擎可以将與入侵相關的事件關聯起來，以便采取行動，防止入侵的發生。例如，在Mirai僵屍網絡的情況下，一旦警報被觸發，掃描系統可以重新啟動受感染的裝置，即删除注入的惡意軟體。它還可以識别Mirai感染模式，并提醒使用者更改裝置密碼。
此外，有文獻作者提出了一種巧妙而簡單的車輛ATS，其特點是有效的進入和固定機制。防盜器表示車輛在被入侵時不能移動。關于通路機制，有一個隐藏的按鈕，一旦觸發，授予開關被監控車輛的權限。它是一個基于微控制器的系統，使用基于狀态圖的研究進行程式設計和正确放置。有文獻作者指出，近年來，車輛盜竊已成為一個主要問題。需要找到丢失的車輛。他們的項目旨在探測丢失的車輛。Arduino是連接配接直流電機和GPS的主要元件，用于跟蹤車輛，并使用GSM服務提供被盜裝置的位置。被盜車輛使用ESP 8266 WiFi子產品識别。有各種各樣的原因限制了使用報警系統保護車輛。例如，警笛的聲音在一段距離之外是聽不到的。此外，人群也會對音響系統産生負面影響。作者提出了一種技術，提出了一種通過確定系統安全的機制來最大限度地減少車輛損失，這是通過在車主不知情的情況下，在注意到車輛周圍的錯誤移動時立即發送警報消息來實作的。該系統還通過物聯網定期向注冊使用者提供位置更新。
有文獻作者重申了這樣一個事實，即在大城市中，最令人擔憂的問題之一是確定車輛安全，因為近年來被盜車輛的數量一直在增長。為了改善這種情況，他們提供了一種基于智能移動裝置(類似于智能手機)的車輛自動測試系統，能夠遠端控制車輛，包括在車輛丢失的情況下對車輛進行地理定位。為了避免停機，工件和移動裝置都配置設定了一個唯一的辨別号。該系統還實作了電池自動充電子產品。當車輛被盜時，該系統會用配置設定給車輛的唯一号碼通信。此外，控制單元向車輛非常敏感的區域發送電氣跳閘指令，進而使車輛靜止不動并阻止其啟動。車主可以與呼叫中心協調通知車輛的位置。該系統采用ATMEGA微控制器設計。這個頂點項目的輸出隻适用于車輛已經被盜且不提供任何變通方案的情況，因為主要目标不是找到被盜車輛，而是防止車輛被盜。
可能需要将決策過程納入ATS以改進該過程。有文獻作者指出，由于無線技術的限制及其衆所周知的安全漏洞，車載自組織網絡(vanet)非常不安全。ATS是基于入侵惡意動作檢測建立的協定，通過分析進出封包，識别出惡意簽名。然而，沒有決策機制，這些行動無法被證明。
是以，需要設計一個決策系統，再加上入侵檢測器，構成VANET的安全資訊協定。作者的解決方案基于兩種IDS方法。在第一種方法中，IDS安裝在車輛上。在第二種方法中，它們被安裝在道路單元(RSU)上。在這兩種方法中，車輛根據速度被分組。攻擊的确證是基于一個機率模型，該模型計算了響應攻擊特征的車輛或RSU之間的比率。是以，當攻擊發生時，協定允許确認并警告鄰近叢集。
與上述作者不同，本文提出的方法旨在提供一種新的IDS範式。它基于用于警報機制的射頻技術（即實時通知系統）。該系統基于GSM技術(全球移動通信系統)，當系統鎖定時，車主可以從任何位置進行控制。然而，車輛的覆寫範圍不能超出網絡覆寫範圍。GSM技術也有其他用途。例如，有文獻提出了一種使用GSM子產品和GPS技術來跟蹤車輛的系統。它使用基于OpenCV的應用程式來考慮所有者的面部識别。車主的圖像存儲在資料庫中，每當車主試圖啟動車輛時，應用程式就會檢索該資料庫。這種系統的缺點包括誤報率和漏報率以及硬體成本高。
有文獻提出了一種利用GPS和GSM子產品組成的車輛跟蹤硬體來檢測和跟蹤被盜車輛的系統。該系統便于協調，并有一個實時攝像頭來捕捉入侵者的面部。每次車輛發動機啟動時，都會向車主手機發送一個OTP(一次性密碼)進行驗證。如果OTP未驗證或輸入的OTP不正确，蜂鳴器将啟動并向車主發送警報。盡管該系統具有有趣的功能，但它隻能在車輛被盜時發出警報。此外，提醒車主也要花費大量時間。最後，該系統成本昂貴。
本文建議的子產品使用兩種安全模式:
- 報警系統
- 消息通知
本文提出的入侵檢測系統的優勢總結如下:
- 在裝置方面，該系統獨立于車輛的能源;控制器安裝在車輛中，由其自身的電池(交流發電機)供電。控制器也有一個備用電池。
- 磁入侵傳感器(簧片開關)安裝在每個車門上并連接配接到控制器，每個車門上都安裝了磁傳感器，一旦車門被錯誤的打開，就會觸發警報，這與其他設計師提供的不同。
- 使用者将擁有一個使用射頻技術的接近檢測器(以标簽的形式)，可以将其附着在鑰匙上。
要啟用IDS，使用者需要在離開車輛時激活監控系統。這是通過一個基于射頻的遙控器來完成的。如果使用者在離開車輛時沒有激活監控系統，一個半徑為5米的近距離探測器将自動鎖定系統，并在使用者離開控制空間時啟動監控系統。這意味着，如果任何一扇車門在系統仍處于鎖定狀态時被打開，控制器将在幾秒鐘内激活車輛警報，随後向車主發送短信通知。隻要接近探測器在控制空間内，系統就會自動解鎖。
接下來介紹在本文中使用的方法。
2. 建議的防盜系統
本文采用的方法是實時系統。實時系統是指響應應在指定的時間限制内得到保證，或者系統執行時間應滿足某個截止日期的系統。例如飛行控制系統、實時螢幕等。它包含五個階段，即:分析、概念、知識庫形式化(KB)、實作和測試。
2.1. 研究圖
系統的子產品圖如圖1所示。它指任何類型的車輛，無論是否機動。它包含能夠執行程式并具有與外部世界的內建接口電路的可程式設計電路，并配備了2G數字标準的全球移動通信系統（GSM）。它還包含一個用于傳輸人聲并能遠端通信的裝置。
- 圖一
2.2.射頻（RF）技術
該系統采用了射頻技術。射頻技術已存在了一個世紀。它是一種基于媒體加熱，引起材料中的分子旋轉而産生的一種頻率小于300千兆赫的電磁波，即在真空中波長大于1米(頻率低于300千兆赫)的所謂“射頻”無線電波，在真空中波長大于1毫米(頻率在300千兆赫到300千兆赫之間)的所謂“微波”無線電波。射頻技術采用無線電波。
無線電波适應于聲音和圖像信号的傳輸，使無線電通信(步話機、無繩電話、遙控、行動電話等)、廣播和雷達成為可能。它們在某些頻率和強度下的生物和環境影響已得到深入研究。例如，許多關于無線電波的研究都是在無線通信發展的背景下讨論的(例如5G通信)。
2.3. GSM子產品
該系統還使用了GSM子產品，用于系統和使用者之間的通信。Seed Studio中的GSM/GPRS子產品是Arduino相容的接口闆。SIM900A是GSM子產品的一種。通信選擇SIM900A。它可以在900 - 1800mhz雙頻段工作，僅設計用于歐洲和美國以外的地區。它具有标準化的性能，工業級接口标準，加上内置的TCP/IP協定，使其外觀和适合電子項目。由于它在運作中消耗的功率很小，是以據說它很容易與任何功耗低的微控制器通信。它可以使用多種接口進行接口，其中包括I2C接口、SPI接口、PWM接口、天線墊和兩個串行接口。它允許任何人發送和接收短信，使用移動網絡進行語音通信。該子產品基于SIM900電路，是SIMCOM公司的産品。它通過Arduino闆上的AT指令進行控制。
子產品自帶遠端貼片天線。電路闆背面的連接配接器可接收SIM卡以及锂CR1220電池。子產品和Arduino闆之間的通信是異步的;使用異步串行鍊路:UART或軟體串行鍊路。該子產品需要來自活動網絡的SIM卡才能運作，并且需要具備發送消息的功能。
2.4.Arduino UNO控制器
Arduino UNO控制器是系統的智能部分，裡面有檢測、報警算法等各種元件。由于Arduino是主機闆，是以使用ATmega328單片機作為主要制器對電路進行管理。ATmega328是一款著名的基于微控制器的開源工具包，用于建立數字裝置和互動式工具，可以與led、LCD顯示器、開關、按鈕、電機、揚聲器等進行互動。Arduino系統提供了一組模拟和數字引腳，可以内置到許多其他闆和電路中，在一個設計中具有完全不同的功能。Arduino闆提供USB串行通信接口，用于從計算機加載代碼。為了開發編碼，Arduino準備了自己的軟體，稱為內建開發環境(IDE)，完全支援C和C++程式設計語言。
接收器将連接配接到Arduino UNO控制器，該控制器将監控車門的狀态；檢查系統是否已啟用，并決定發送SMS。這通過向GSM子產品發送指令來完成。Arduino控制器将通過串行通信接口與GSM子產品和CC1101發射器通信。
2.5.Arduino NANO控制器
發射器将由Arduino Nano控制。它類似于Arduino UNO使用的電路闆，但更小。當我們不希望遙控器太笨重時，這是理想的。
2.6.磁傳感器
磁性傳感器是一種用于檢測車門是否打開的裝置。
本項目将使用磁性開關。因為內建霍爾效應磁傳感器對其他應用的滲透性更強，是以常用于汽車和計算機行業，但主要受到開關噪聲以及與填料應力相關的偏移和漂移問題的阻礙。磁開關的兩端形成磁場。如果兩端分離且磁場消失，開關觸點斷開。作為應用程式的一部分，一端将放置在車門上，另一端放置在車架上。是以，當門關閉時，觸點閉合，當門打開時，觸點打開。
2.7. 穩态電源
穩=穩态電源如圖2所示：
- 接收器:電源(12v /2A來自交流發電機)，9v作為備用電池
- 發射器:電源(5v /500mA)
圖二：
3.實驗和讨論
本文使用Arduino實作。模拟是在實際車輛上運作的。代碼可以在https://github.com/Gsenghor/detection_intrusion檢視
3.1.使用的算法和電子編輯
3.1.1.發夾機構算法
發夾機構算法如圖所示。發夾機構向RF發送信号，RF可以驗證信号的性質，無論是鎖定還是解鎖系統。如果信号要解鎖，控制器檢查子產品是否鎖定。如果是，子產品将解鎖，同時報警将停用。
3.1.2報警算法
當其中一個車門打開時，系統鎖定。最後一步是在警報激活時檢查警報。當子產品鎖定且門打開時，保持報警将循環。
本文中實驗研究的源代碼可以在https://github.com/Gsenghor/detection_intrusion.
本文中使用的報警方法如圖所示：
3.1.3 SMS算法
當車門打開且警報響起時，GSM子產品等待向車主發送資訊的脈沖。假設這是一個真正的積極警報，而不是虛假警報。如果是肯定警報，則2個GSM子產品将在5秒後發送短信。
3.2.電子圖
3.2.1.變送器
無線電波發射器是一種電子通信裝置，通過無線電波天線将電磁波輻射到太空。這些無線電波發送的信号可以是廣播節目（無線電、電視）、遙控器、對話（無線電話）、計算機資料鍊路或雷達遙感脈沖。
3.2.2接收器
安裝無線電接收器（也稱為：收音機、半導體、調諧器、車載收音機等）是一種電子裝置，用于捕獲、選擇和解碼無線電發射機發射的無線電波。
變送器和接收器
3.3.讨論
我們的實驗與之前的一些工作類似。有些方面被認為可以在功能方面做得更好。例如，有作者使用了一種可能不明确的方法。盡管使用了先進的異常檢測方法，但該工作考慮了可能導緻誤報的幾個方面。事實上，警報隻傳輸到檢查點，而不是通知可能導緻警報的所有者。
為了解決這一問題，首先考慮能夠向所有者發送警報資訊的系統。在向所有者發出警報後，警報中心（或控制中心）會在不采取行動的情況下延遲2分鐘發出警報。也有作者使用的方法要求通過按下隐藏在車輛下方的按鈕而不是遙控器來啟動車輛。這種機制似乎非常不安全，因為入侵者可以很容易地模仿這種行為。這就是為什麼在我們的建議中為使用者提供遠端控制系統，以關聯發生的事件。這種解決方案有點昂貴，對入侵者來說也不那麼直覺。此外，子產品定位保證了系統漏洞的減少。它被安全地隐藏起來，很難被潛在的入侵者看到，并且它有自己的内部電池來確定其自主性。
也有作者防盜系統的主要研究的是車輛控制系統的範圍、警報器的可聽性（在擁擠或嘈雜的區域被證明是減弱的），尤其是識别警報器發出的裝置。在這項工作中，這些挑戰是從這樣一個事實來處理的，即隻有在附加警報的情況下，威懾警報才能被認為對裝備具有公平的保護價值。此外，在嘈雜環境中被盜的裝置不打算留在那裡，但是，如果在嘈雜環境下放置警笛，警笛會不斷響起，盜竊嫌疑也會不斷增加，這對攻擊者構成了威懾。
至于覆寫範圍，GSM的使用被證明是一項重要的資産，GSM的覆寫率在城市地區至少為90%，這降低了控制系統範圍的不确定性，而且控制系統的範圍仍然是決定性的。[9]中使用的技術和警報觸發時間似乎非常幼稚。事實上，使用電話而不是短信來通知似乎很煩人，盡管這可能會更有效地喚醒人們的注意力。此外，該技術不考慮向不同人員發出的多個通知。對于通知延遲，作者選擇在通知使用者之前休息15分鐘，這足以讓專家定位并停用微控制器闆。這就是為什麼檢測和通知算法被認為是不合适的。這需要開發一個更好的版本，以滿足該系統的條款。
4.結論和不足
在本文中，我們設計并建構了一種ATS，在車輛丢失時提供高性能的檢測和通知系統。雖然現有的ATS大多基于短距離内的防盜警報系統，沒有任何通知，但我們的貢獻包括為ATS添加通知層，并加強檢測機制和自主性。本文提出的方法基于具有預測入侵能力的入侵檢測原理。使用SMS通知實作與車輛與車主之間的距離相關的問題。
實驗時在各種車型上運作了本文方法。當檢測到入侵時，會向車主發送短信。假設這不是虛驚一場，車主将通過分享他們的汽車的位置來通知警察局，同時試圖顯示汽車停放的位置。如果是錯誤警報，則所有者可以禁用通知系統的鈴聲。與之前的工作相比，IDS的通知系統往往更快，用于建構ATS的材料也相當便宜。
還有更多可以研究的地方。首先，從理論上講，在車輛上建立ATS是很好的。此外，可以使用機器學習和計算機視覺來獲得ATS的智能版本，以減少誤報。最後，加強通知系統并優化電池能耗将是很有意思的。