基于STM32的超市指紋識(shí)別儲(chǔ)物柜系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張 樂，張寶寧，楊 紅，劉禧冬，陳玉成

（沈陽大學(xué)，遼寧 沈陽 110044）

0 引 言

超市是消費(fèi)者的重要購(gòu)物場(chǎng)所之一，超市放置儲(chǔ)物柜為消費(fèi)者提供寄存物品服務(wù)，以保障顧客的財(cái)產(chǎn)安全。目前，多數(shù)超市仍使用傳統(tǒng)條形碼儲(chǔ)物柜，這種儲(chǔ)物柜通過打印和掃描條形碼打印紙實(shí)現(xiàn)存取功能。條形碼儲(chǔ)物柜技術(shù)成熟且應(yīng)用廣泛，但仍存在一些不足：打印紙屬于一次性耗材，浪費(fèi)資源；條形碼易遺失、破損或失效，存在財(cái)產(chǎn)安全隱患問題；掃描槍、打印機(jī)設(shè)備成本較高。指紋是獨(dú)一無二的人體特征，具有安全性和穩(wěn)定性。超市儲(chǔ)物柜使用指紋識(shí)別技術(shù)代替條形碼識(shí)別，可以減少環(huán)境污染、避免紙張資源浪費(fèi)，指紋的安全性也為顧客財(cái)產(chǎn)安全提供保障。為此，本文設(shè)計(jì)了一種基于STM32的指紋識(shí)別儲(chǔ)物柜。系統(tǒng)使用AS608指紋識(shí)別模塊，采集和識(shí)別顧客指紋信息，存儲(chǔ)指紋信息后驅(qū)動(dòng)門禁電路完成開關(guān)柜工作；通過ESP8266WiFi模塊，將儲(chǔ)物柜存儲(chǔ)信息上傳到管理中心。指紋識(shí)別儲(chǔ)物柜與傳統(tǒng)儲(chǔ)物柜相比，具有可靠性高、識(shí)別速度快、成本低、維護(hù)方便等特點(diǎn)。本系統(tǒng)應(yīng)用在超市等場(chǎng)所，能夠滿足顧客安全便捷的寄存需要。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

指紋儲(chǔ)物柜系統(tǒng)由控制中心、采集識(shí)別、數(shù)據(jù)傳輸、人機(jī)交互和門禁驅(qū)動(dòng)五部分組成。本設(shè)計(jì)使用STM32F103C8T6單片機(jī)作為主控芯片，采用AS608指紋識(shí)別模塊采集和識(shí)別用戶指紋信息，利用OLED液晶顯示屏和矩陣鍵盤供用戶查看信息和操作，通過門禁驅(qū)動(dòng)電路控制柜門的開關(guān)。整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。單片機(jī)與指紋識(shí)別模塊通過串口進(jìn)行通信，發(fā)送指令驅(qū)動(dòng)模塊完成指紋錄入、指紋識(shí)別、指紋刪除等操作，并通過WiFi模塊將儲(chǔ)物柜存儲(chǔ)信息上傳。用戶能夠通過OLED液晶顯示屏查看當(dāng)前儲(chǔ)物柜空柜數(shù)量和分配柜號(hào)，并通過按鍵鍵盤輸入存入和取出指令。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)在空柜狀態(tài)下，當(dāng)接收到存入指令后，用戶將手指放置在指紋識(shí)別模塊上，等待錄入指紋；錄入指紋成功后，系統(tǒng)為用戶分配當(dāng)前空柜柜號(hào)，同時(shí)打開對(duì)應(yīng)門禁，等待用戶存放物品后關(guān)閉柜門。當(dāng)系統(tǒng)接收到取出指令，用戶放置手指后，在指紋存儲(chǔ)庫(kù)中識(shí)別并匹配用戶指紋信息，打開指紋對(duì)應(yīng)柜號(hào)的柜門，等待用戶取出物品；在用戶關(guān)閉柜門后，刪除當(dāng)前用戶指紋信息并刷新儲(chǔ)物柜空柜數(shù)量。系統(tǒng)在滿柜狀態(tài)下，禁止用戶使用存放功能，等待用戶完成取出操作時(shí)，恢復(fù)存放功能。當(dāng)出現(xiàn)用戶誤操作或緊急情況時(shí)，按下管理員按鍵，系統(tǒng)通過WiFi將通知上報(bào)到管理中心。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 單片機(jī)的選擇

系統(tǒng)采用STM32F103C8T6單片機(jī)作為主控芯片，STM32F103C8T6是基于Cortex-M3內(nèi)核的32位高性能控制器；與傳統(tǒng)8位的51系列單片機(jī)相比，具有功耗低、處理速度快和硬件資源豐富等優(yōu)點(diǎn)。系統(tǒng)使用了STM32的串口1與指紋模塊進(jìn)行通信，與OLED液晶顯示屏之間采用IC通信方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。單片機(jī)采用3.3 V電壓供電，主頻高達(dá)72 MHz，擁有64 KB的FLASH和37個(gè)GPIO，完全滿足儲(chǔ)物柜系統(tǒng)低功耗、處理能力快的設(shè)計(jì)需求。

2.2 指紋識(shí)別模塊設(shè)計(jì)

AS608光學(xué)指紋傳感器的工作原理是通過內(nèi)置光源照射，用棱鏡將指紋投射在電荷耦合器件上，形成可被算法處理的多灰度指紋圖像。指紋識(shí)別模塊采用高性能的AS608指紋識(shí)別芯片，內(nèi)置DSP運(yùn)算單元，集成了指紋識(shí)別算法，可以高效準(zhǔn)確采集和識(shí)別指紋信息，處理指紋圖像時(shí)間小于0.4 s。模塊配有串行通信接口，接收單片機(jī)下發(fā)控制指令完成指紋識(shí)別操作。AS608指紋識(shí)別模塊自帶指紋存儲(chǔ)功能，可容納300枚指紋。指紋識(shí)別模塊錄入指紋過程如下：首先，通過模塊內(nèi)置手指檢測(cè)電路，判斷有無手指放置；待手指放置后，發(fā)送讀取圖像指令讀取指紋圖像并生成特征指令，成功后發(fā)送存儲(chǔ)模板及ID指令，否則重新發(fā)送讀取圖像指令；最后錄入指紋結(jié)束。指紋識(shí)別模塊采用典型值3.3 V供電，與單片機(jī)使用串口進(jìn)行通信，模塊的TX數(shù)據(jù)發(fā)送引腳與STM32單片機(jī)的USART1_RX連接；RX數(shù)據(jù)接收引腳與STM32單片機(jī)的USART1_TX連接。指紋識(shí)別模塊電路原理如圖2所示。

圖2 指紋識(shí)別模塊電路原理

2.3 ESP8266WiFi模塊

系統(tǒng)使用ESP8266WiFi模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，模塊集成了32位Tensilica內(nèi)核處理器，支持三種WiFi工作模式，支持標(biāo)準(zhǔn)的IEEE802.11b/g/n協(xié)議和完整的TCP/IP協(xié)議棧。單片機(jī)通過串口與模塊傳輸數(shù)據(jù)，WiFi模塊再將數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)上傳至管理中心。ESP8266模塊工作性能穩(wěn)定并且具有省電模式，適用于低功耗場(chǎng)景。

2.4 顯示模塊

本設(shè)計(jì)使用OLED液晶顯示屏作為儲(chǔ)物柜顯示界面，分辨率為128×64。OLED液晶顯示屏具有對(duì)比度高、反應(yīng)速度快等特點(diǎn)，性能優(yōu)于傳統(tǒng)LCD屏幕，功耗低于TFT顯示屏，廣泛應(yīng)用于數(shù)碼家電、儀器儀表等方面。單片機(jī)與OLED之間采用IC接口進(jìn)行通信，這種通信方式簡(jiǎn)單高效，兩線式接口節(jié)省硬件引腳資源。

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)使用Keil5開發(fā)工具完成，采用C語言編寫單片機(jī)程序。系統(tǒng)主程序包括指紋識(shí)別子程序、OLED顯示屏驅(qū)動(dòng)程序、按鍵子程序和門禁驅(qū)動(dòng)子程序。指紋識(shí)別儲(chǔ)物柜系統(tǒng)操作流程包括存柜、取柜和管理員三種模式。存柜流程如圖3所示，用戶在存柜時(shí)，按下存柜鍵，系統(tǒng)進(jìn)入存柜模式，讀取當(dāng)前儲(chǔ)物柜是否已裝滿。若所有柜門已裝滿，則顯示屏提示用戶此儲(chǔ)物柜已裝滿；若有柜門未裝滿，則顯示屏提示用戶“請(qǐng)按手指”，待采集用戶指紋信息后，存入指紋信息庫(kù)中并為用戶分配空柜柜號(hào)。取柜流程如圖4所示，用戶在取柜時(shí)，按下取柜鍵，系統(tǒng)進(jìn)入取柜模式，此時(shí)顯示屏提示用戶“請(qǐng)按手指”，待采集用戶指紋信息后，與指紋信息庫(kù)中指紋進(jìn)行匹配，指紋相似度大于80%，認(rèn)定指紋匹配成功，讀取當(dāng)前指紋對(duì)應(yīng)柜號(hào)并打開柜門，若指紋相似度小于80%，認(rèn)定指紋匹配失敗，顯示屏提示用戶請(qǐng)重試或聯(lián)系管理員。按下管理員鍵，系統(tǒng)通過WiFi發(fā)送管理員請(qǐng)求，管理員可在上位機(jī)中進(jìn)行緊急開柜和刪除指紋等操作。

圖3 存柜流程

圖4 取柜流程

指紋識(shí)別子程序?qū)崿F(xiàn)錄指紋、刷指紋、刪除指紋等指紋識(shí)別功能，單片機(jī)通過串口讀取指紋識(shí)別結(jié)果后再做相應(yīng)處理。單片機(jī)接收到錄指紋指令后，指紋模塊獲取指紋信息并生成特征圖像，此時(shí)用戶再次放置手指獲取指紋，指紋模塊生成第二次特征圖像，將兩次指紋特征進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比成功則生成指紋模板并儲(chǔ)存指紋，失敗則重新錄入指紋。

4 系統(tǒng)測(cè)試及結(jié)果分析

為測(cè)試本系統(tǒng)中指紋識(shí)別的速度以及準(zhǔn)確性，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了多次測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見表1所列。

表1 系統(tǒng)測(cè)試記錄

從測(cè)試結(jié)果可以看出，指紋錄入時(shí)間平均，指紋識(shí)別時(shí)間短，指紋匹配結(jié)果均成功，表明系統(tǒng)響應(yīng)速度靈敏，具有一定的可靠性。

5 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)了一款基于指紋識(shí)別技術(shù)的智能超市儲(chǔ)物柜，通過STM32單片機(jī)結(jié)合AS608指紋識(shí)別模塊實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)物柜智能控制。與傳統(tǒng)條形碼儲(chǔ)物柜相比，指紋的唯一性提高了儲(chǔ)物柜的安全性；使用指紋代替條形碼，避免了紙張資源的浪費(fèi)。指紋識(shí)別儲(chǔ)物柜可被廣泛應(yīng)用在超市、大型商場(chǎng)、展覽館等公共場(chǎng)所，具有較大的市場(chǎng)潛力。

除此之外，對(duì)于零工經(jīng)濟(jì)的法律監(jiān)管也較為混亂?，F(xiàn)有法律并沒有明確規(guī)定企業(yè)平臺(tái)所需承擔(dān)的責(zé)任和義務(wù)，也沒有對(duì)于勞動(dòng)服務(wù)供給者的資質(zhì)提出明確要求。由于監(jiān)管政策不夠明確，導(dǎo)致相關(guān)行業(yè)亂象重生，甚至出現(xiàn)了嚴(yán)重的刑事案件，例如鄭州空姐遇害事件、溫州樂清女大學(xué)生遇害事件。