基于STM32的指紋識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張 樂(lè), 王 悅

(沈陽(yáng)大學(xué) 信息工程學(xué)院, 遼寧 沈陽(yáng) 110044)

當(dāng)今社會(huì),信息安全成為人們?cè)絹?lái)越關(guān)心的話(huà)題,而生物特征因其具有很強(qiáng)的唯一性以及獨(dú)特性,從而引領(lǐng)著生物識(shí)別技術(shù)的發(fā)展,像指紋識(shí)別、虹膜識(shí)別、面部識(shí)別等更多地被應(yīng)用到各種不同的領(lǐng)域,代替了部分安全性較低的識(shí)別技術(shù).位于鞏膜和瞳孔之間的虹膜雖然包含了最豐富的紋理信息,但是就目前的市場(chǎng)來(lái)說(shuō)虹膜識(shí)別的應(yīng)用還不是很廣泛[1].據(jù)統(tǒng)計(jì),2017年我國(guó)安防市場(chǎng)總產(chǎn)值約5 900億元;前瞻預(yù)計(jì),到2023年,門(mén)禁系統(tǒng)市場(chǎng)規(guī)模將有望達(dá)到294億元[2].

傳統(tǒng)的門(mén)禁多采用刷卡或輸入密碼等方式采集并處理信息,這就需要用戶(hù)隨身攜帶門(mén)禁卡片,這樣很不方便,另外密碼也很容易被破解或盜取,在安全性方面還需要加強(qiáng)[3].基于這些因素加上指紋具有較強(qiáng)的唯一性和穩(wěn)定性,且指紋相對(duì)于其他生物特征來(lái)說(shuō)采集信息較方便,本文將指紋識(shí)別技術(shù)應(yīng)用到門(mén)禁系統(tǒng)上并實(shí)現(xiàn)快速識(shí)別.不同于其他指紋識(shí)別系統(tǒng)的是,本設(shè)計(jì)采用STM32單片機(jī),它可以同時(shí)處理32位的數(shù)據(jù),較51單片機(jī)來(lái)說(shuō)傳輸速率更快,在識(shí)別速度上有很大的優(yōu)勢(shì),集成度高、內(nèi)部資源豐富也是其優(yōu)勢(shì)所在[4].選用AS608指紋模塊,因?yàn)樗杉讣y的效率非常高,而且模塊內(nèi)部能自動(dòng)識(shí)別并處理相關(guān)信息,無(wú)需再研究復(fù)雜的算法[5].指紋信息處理完成之后,單片機(jī)會(huì)將結(jié)果發(fā)送給LCD12864顯示屏,然后以文字的方式呈現(xiàn)給用戶(hù).

1 整體方案設(shè)計(jì)

本文以STM32F103單片機(jī)作為主控芯片,采用AS608光學(xué)指紋模塊來(lái)采集處理指紋信息,并用LCD12864顯示屏呈現(xiàn)最終結(jié)果,單片機(jī)與它們進(jìn)行串行數(shù)據(jù)傳輸.最主要的是要不斷調(diào)試以提高識(shí)別的速度.主要實(shí)現(xiàn)以下功能:如果用戶(hù)輸入的指紋與之前預(yù)留的指紋信息一致,就會(huì)被識(shí)別成功,繼電器產(chǎn)生動(dòng)作,同時(shí)二極管點(diǎn)亮,顯示屏顯示“門(mén)已開(kāi)”;當(dāng)輸入指紋錯(cuò)誤時(shí),顯示屏?xí)崾尽拔此阉鞯街讣y”.有異常情況出現(xiàn)時(shí),管理員也可以通過(guò)輸入密碼的方式手動(dòng)開(kāi)鎖,實(shí)現(xiàn)雙重保護(hù)功能,從而提高了門(mén)禁系統(tǒng)的安全性.本系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在于系統(tǒng)硬件占用體積很小、對(duì)指紋的識(shí)別用時(shí)非常短,也便于在家庭中使用.

該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)共分為5個(gè)模塊:主控芯片(STM32單片機(jī))、指紋模塊(AS608)、顯示模塊(LCD12864)、按鍵部分以及存儲(chǔ)模塊(24C02存儲(chǔ)器).系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示.

(1) 主控芯片.根據(jù)控制需求,選擇STM32F103單片機(jī)處理器作為控制芯片.該芯片具有串行調(diào)試(SWD)和JTAG接口2種調(diào)試模式,方便與該系統(tǒng)中的其他外圍電路進(jìn)行串行傳輸數(shù)據(jù)[6].51個(gè)多功能雙向I/O口,且集成度高、易開(kāi)發(fā)、函數(shù)庫(kù)編程方式也相對(duì)簡(jiǎn)單,內(nèi)部資源和外設(shè)資源也非常豐富,最關(guān)鍵的是該芯片處理數(shù)據(jù)的速度快,符合本指紋識(shí)別技術(shù)快速性的要求,而且低能耗,價(jià)格也相對(duì)較低.

圖1系統(tǒng)總體框圖
Fig.1Overallframeworkdiagramofthesystem

(2) 指紋模塊.采用AS608指紋模塊進(jìn)行指紋的采集與處理,因?yàn)樵撃K內(nèi)部的DSP單元集成了指紋識(shí)別算法,提高了采集圖像和識(shí)別指紋特征的效率,處理一個(gè)指紋圖像只需要不到0.4 s的時(shí)間.且該模塊的拒真率低于1%,認(rèn)假率低于0.001%,識(shí)別率非常好,完全符合本設(shè)計(jì)的要求[7].另外,該模塊內(nèi)置一個(gè)手指檢測(cè)電路,根據(jù)WAK引腳的狀態(tài)判斷手指是否按下.

(3) 顯示模塊.顯示部分采用LCD12864,因?yàn)樵撃K界面靈活、操作指令簡(jiǎn)單,并且可以形成人機(jī)交互圖形界面.通過(guò)改變V0引腳上滑動(dòng)變阻器接入的阻值可以改變LCD12864液晶顯示屏的亮度[8].且通過(guò)串口與單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳送以達(dá)到信息的實(shí)時(shí)顯示.

(4) 按鍵部分.因?yàn)楸鞠到y(tǒng)共有16個(gè)按鍵,采用矩陣式鍵盤(pán)設(shè)計(jì).有按鍵按下時(shí),與之相連的兩根線(xiàn)的電平狀態(tài)發(fā)生變化,所以就能判斷被按下按鍵的具體位置,實(shí)現(xiàn)不同的功能.

(5) 存儲(chǔ)模塊.本系統(tǒng)采用24C02存儲(chǔ)器來(lái)存儲(chǔ)管理員密碼.其中WP引腳為寫(xiě)保護(hù)引腳,可以防止誤改存儲(chǔ)區(qū)域內(nèi)部數(shù)據(jù),即當(dāng)該引腳為高時(shí),整個(gè)寄存器區(qū)域受到保護(hù),因此只能讀取24C02.在接收到第一數(shù)據(jù)字節(jié)之后不發(fā)送應(yīng)答信號(hào),以避免存儲(chǔ)區(qū)域被重寫(xiě).

2 程序設(shè)計(jì)

2.1 主程序設(shè)計(jì)

主程序主要包括指紋模塊子程序、LCD子程序、內(nèi)存子程序和鍵盤(pán)子程序.如圖2所示的主程序流程主要有2個(gè)部分:一是通過(guò)指紋開(kāi)鎖,二是通過(guò)按鍵開(kāi)鎖.上電之后各模塊先初始化,當(dāng)指紋模塊上有指紋出現(xiàn)時(shí),其內(nèi)部的DSP單元會(huì)開(kāi)始處理數(shù)據(jù),對(duì)比之前指紋庫(kù)中已經(jīng)錄入的指紋,匹配的結(jié)果會(huì)傳給單片機(jī),然后由單片機(jī)發(fā)送指令給顯示屏,將識(shí)別的結(jié)果顯示出來(lái);就是通過(guò)手動(dòng)按按鍵產(chǎn)生的一些動(dòng)作,首先單片機(jī)檢測(cè)按鍵,如果有按鍵被按下再具體判斷是哪一個(gè)按鍵,同時(shí)判斷是否需要調(diào)用該按鍵需要的子程序[9].也可以輸入6位數(shù)字格式的密碼,進(jìn)入管理員模式,然后可以采集新的指紋信息或刪除已經(jīng)錄好的指紋,也可以修改管理員密碼,為保證安全,在更改密碼時(shí)需輸入2次確認(rèn).

圖2 主程序流程圖Fig.2 Flow chart of main program

2.2 按鍵程序設(shè)計(jì)

在鍵盤(pán)模塊,當(dāng)有按鍵按下時(shí)避免不了會(huì)有不同程度的抖動(dòng),這時(shí)就會(huì)先利用延時(shí)程序消除抖動(dòng)再判斷是否真正有按鍵按下.如果有按鍵按下再進(jìn)行按鍵分析,由于采用矩陣式設(shè)計(jì),按鍵較多,而且每個(gè)按鍵的功能又不同,所以按鍵分析要通過(guò)程序的編寫(xiě)來(lái)達(dá)到準(zhǔn)確判斷的結(jié)果.分析之后,將結(jié)果傳給單片機(jī),由單片機(jī)給出指令來(lái)控制其他外設(shè)電路產(chǎn)生一系列動(dòng)作來(lái)完成操作.若判斷出不是按鍵按下而只是有抖動(dòng)產(chǎn)生,那么就繼續(xù)等待,直到有真正的按鍵產(chǎn)生.工作過(guò)程如圖3所示.

圖3 按鍵工作流程圖Fig.3 Flow chart of key

2.3 LCD程序設(shè)計(jì)

顯示模塊就是按照需求將單片機(jī)指令執(zhí)行完成的相關(guān)內(nèi)容呈現(xiàn)在屏幕上.設(shè)計(jì)程序時(shí),先寫(xiě)初始化和清屏的程序,接下來(lái)再完成接收命令和顯示結(jié)果的程序.當(dāng)系統(tǒng)開(kāi)始工作,單片機(jī)給出顯示屏命令時(shí),它就會(huì)按照需求將顯示的結(jié)果呈現(xiàn)到屏幕上以便于分析操作的結(jié)果[10].過(guò)程如圖4所示.

圖4 LCD流程圖Fig.4 Flow chart of LCD

2.4 指紋程序設(shè)計(jì)

指紋模塊主要是采集指紋數(shù)據(jù),再將識(shí)別結(jié)果發(fā)送出去,所以該部分的程序設(shè)計(jì)也就分為2個(gè)部分:數(shù)據(jù)接收和數(shù)據(jù)發(fā)送.指紋識(shí)別模塊與單片機(jī)進(jìn)行串口通信,串口方式下的數(shù)據(jù)接收需要觀(guān)察RI的值,如果RI為0就讀出SBUF的值.而數(shù)據(jù)發(fā)送主要依據(jù)TI值,如果TI不為0,那么返回繼續(xù)進(jìn)行串口發(fā)送.發(fā)送、接收數(shù)據(jù)的過(guò)程如圖5.

圖5 數(shù)據(jù)接收和發(fā)送流程圖Fig.5 Flow chart of data receiving and transmitting

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

單片機(jī)各引腳與指紋模塊、顯示電路模塊、鍵盤(pán)模塊以及其他外圍電路按需求相互連接,在經(jīng)過(guò)不斷調(diào)試之后,設(shè)計(jì)出整體電路圖如圖6所示.在整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中,最難最耗時(shí)的就是調(diào)試,顯示屏有幾次不能及時(shí)準(zhǔn)確地顯示出結(jié)果,參照它的資料手冊(cè)修改了幾次程序得以解決.在采集完指紋圖像存儲(chǔ)時(shí),本來(lái)是使用EEPROM進(jìn)行存儲(chǔ),但是發(fā)現(xiàn)上傳/下載圖像過(guò)慢,經(jīng)翻閱資料得知,指紋模塊的RAM內(nèi)設(shè)有一個(gè)72K bytes的圖像緩沖區(qū)和兩個(gè)512K bytes的特征文件區(qū),可以通過(guò)指令讀寫(xiě)任意一個(gè)區(qū),使圖像緩沖區(qū)上傳/下載的速度更快一些.

圖6 電路原理圖Fig.6 The diagram of circuit schematic

在各電路互相連接好并能正常運(yùn)行后驗(yàn)證指紋識(shí)別的成功率.AS608指紋模塊的指紋存儲(chǔ)量為300枚,在常溫環(huán)境下,采集指紋30人×10手指×2樣本=600枚,分2組進(jìn)行,其中每個(gè)手指采集的2枚指紋分別為手指中間部分和邊緣部分的指紋,以方便使用者觸摸到指紋傳感器模塊就能識(shí)別成功.在確保這些手指沒(méi)有潮濕、劃破等異常情況時(shí),以正確方式將第一組的300枚指紋預(yù)先錄入到指紋模塊中,然后再分別觸摸解鎖[11].測(cè)試完成刪除全部指紋,以同樣方式再錄入第二組的300枚指紋.觀(guān)察到的結(jié)果是,600枚指紋中有599枚指紋能識(shí)別成功,僅有一枚指紋識(shí)別失敗,成功率達(dá)到了99.83%,失敗率為0.17%,遠(yuǎn)低于A(yíng)S608指紋模塊的拒真率1%.指紋經(jīng)過(guò)處理并識(shí)別成功之后,液晶顯示屏?xí)@示圖7所示的字樣.識(shí)別失敗時(shí)顯示屏如圖8所示.指紋模塊經(jīng)過(guò)小于0.1 s的初始化后,處理圖像只需要不超過(guò)0.4 s的時(shí)間,再經(jīng)過(guò)STM32單片機(jī)處理反饋出結(jié)果,總時(shí)長(zhǎng)在0.4 s左右.

圖7 指紋識(shí)別成功圖Fig.7 The diagram of successful fingerprint identification

圖8 指紋識(shí)別失敗圖

4 結(jié) 論

本系統(tǒng)通過(guò)AS608模塊采集并處理指紋之后,通過(guò)STM32F103單片機(jī)將信息發(fā)送給LCD12864,然后呈現(xiàn)給用戶(hù).配合完成指紋識(shí)別功能的硬件還有按鍵、繼電器及指示燈.按鍵可以操作管理員模式下的任何操作指示,通過(guò)繼電器加之小燈的閃爍可以準(zhǔn)確方便地觀(guān)察到錄入及識(shí)別指紋是否成功.為了起到雙重保護(hù)的作用,管理員也可以手動(dòng)輸入密碼開(kāi)鎖,在管理員模式下也能夠刪除、增加指紋信息,或者修改密碼.