基于指紋圖像識(shí)別的電子鎖設(shè)計(jì)

許本渝，余粟

（上海工程技術(shù)大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，上海，201620）

0 引言

在生活中常見的解鎖領(lǐng)域，身份證、銀行卡、IC 卡等間接開鎖方式最為常見，這些方式存在單一性和易遺失性等缺陷，從而使解鎖的精確度和安全性降低?，F(xiàn)在，解鎖領(lǐng)域的新技術(shù)指紋識(shí)別技術(shù)迅速發(fā)展，它是基于生物特征的一種高級(jí)手段[1]。由于指紋是人體先天的特征，并且每個(gè)人的指紋都是不相同的[2]，可以利用這一特性創(chuàng)造出一種新的解鎖方式[3]。

早在唐朝時(shí)期，指紋[4][5]技術(shù)就傳入了日本、印度、阿拉伯等國家，再幾經(jīng)流傳，西方國家也引進(jìn)了指紋技術(shù)，這奠定近代指紋學(xué)誕生的基礎(chǔ)[6]。國外有很多專門從事指紋識(shí)別技術(shù)的研究機(jī)構(gòu)與公司，美國的技術(shù)水平處于領(lǐng)先地位，如Identix Design Co、East Shore、Digital Persona、Veridicom 公司等，大半導(dǎo)體公司正朝著研發(fā)指紋識(shí)別芯片的目的進(jìn)行研究，Amtd 公司由客戶方提供識(shí)別算法，開發(fā)出包含算法的指紋芯片，很方便地嵌入式應(yīng)用在指紋識(shí)別系統(tǒng)中。隨著市場(chǎng)的推動(dòng)和技術(shù)的提高，電子信息技術(shù)飛速發(fā)展，與之相關(guān)的方方面面都受之影響，指紋識(shí)別技術(shù)也在其進(jìn)步的行列之中[7]。

為了順應(yīng)時(shí)代發(fā)展的潮流，研究并開發(fā)出一款基于指紋識(shí)別的電子鎖十分必要[8]。設(shè)計(jì)利用STM32f103C8T6、AS608 指紋模塊、LCD12864 液晶顯示屏、電磁鎖、制作一個(gè)簡(jiǎn)易的指紋鎖。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

本系統(tǒng)采用 ST 公司的 STM32F1 系列的微處理器作為主控制器，完成以下設(shè)計(jì)功能：

(1)增加指紋、按鍵輸入密碼開鎖、刪除指紋；

(2)能夠?qū)崟r(shí)顯示用戶指紋解鎖的信息；

(3)通過指紋的比對(duì)，正確的指紋信息可以將電磁鎖打開。

■1.1 主控芯片論證與選擇

在主控芯片的選擇上提出了三種方案，第一種采用51系列單片機(jī)STC98C51RC，第二種采用FPGA 的Cyclone IV EP4CE6F17C8N 芯片，第三種采用 STM32F1 系列單片機(jī)STM32F103C8T6。各類芯片參數(shù)如表1 所示。

表1 各芯片參數(shù)對(duì)比表

通過對(duì)各種芯片的功耗、存儲(chǔ)容量等要求的綜合分析，其他單片機(jī)相比，STM32F 單片機(jī)的數(shù)據(jù)總線更寬，存儲(chǔ)容量更大，串口數(shù)更多，綜合比較穩(wěn)定性更強(qiáng)。因此，本設(shè)計(jì)的開發(fā)采用STM32F103C8T6 作為主控芯片。

■1.2 指紋模塊論證與選擇

在指紋模塊的選擇上提出了三種方案：第一種方案為光學(xué)式，第二種方案為電容式，第三種方案為超聲波式。各類指紋模塊的參數(shù)如表2 所示。

表2 指紋模塊的性能比較

通過對(duì)各類指紋模塊的性價(jià)比、功耗、耐磨損等需求程度進(jìn)行綜合分析發(fā)現(xiàn)，AS608 光學(xué)式指紋模塊相對(duì)于其他兩種指紋模塊，有較快的指紋識(shí)別速度以及良好的使用壽命，即耐磨性較高。兼顧成本與性能，因此本設(shè)計(jì)的開發(fā)采用AS608 光學(xué)式指紋模塊。

■1.3 顯示模塊論證與選擇

在對(duì)市場(chǎng)上的顯示模塊進(jìn)行了解后，提出了四種方案，分別為普通數(shù)碼管顯示、點(diǎn)陣式、LCD1602 液晶、LCD12864 液晶。各類顯示模塊的優(yōu)缺點(diǎn)比較如表3 所示。

表3 顯示模塊的優(yōu)缺點(diǎn)比較

通過對(duì)顯示模塊的優(yōu)缺點(diǎn)分析，LCD12864 液晶顯示屏在規(guī)格上有體積小、功耗低等特點(diǎn)，在顯示水平上有顯示信息量大且可漢字和圖形的優(yōu)勢(shì)，適合本設(shè)計(jì)使用。因此本設(shè)計(jì)的開發(fā)采用LCD12864 液晶顯示屏。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)以STM32 單片機(jī)為核心，搭載四大主要部分：指紋模塊、矩陣按鍵模塊、繼電器、顯示模塊。系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

■2.1 指紋模塊部分

本設(shè)計(jì)選擇的是AS608 光學(xué)式指紋模塊，圖2 是其接口圖。

圖2 接口圖

指紋模塊主要由控制器組成，控制器外接CMOS 芯片，接收指紋圖像信息，生成對(duì)應(yīng)模板，如圖3 所示。如果手指兩次輸入指紋，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)生成用戶的指紋，然后傳輸?shù)较到y(tǒng)數(shù)據(jù)庫。當(dāng)輸入新的指紋信息，系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行處理，與數(shù)據(jù)庫中的指紋特征進(jìn)行比對(duì)，給出匹配結(jié)果。指紋模塊的具體過程：首先掃描指紋，生成指紋特征，然后合成模板存入系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中。

圖3 指紋模板

■2.2 顯示模塊部分

液晶顯示主要是利用電流刺激的原理，讓液晶顯示屏形成了點(diǎn)，線，面的圖像。LCD12864 體積小，能耗低，操作簡(jiǎn)單。液晶顯示屏主要是幫助系統(tǒng)的數(shù)據(jù)顯示，運(yùn)行過程前要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，否則系統(tǒng)是無法正常使用的。顯示模塊在進(jìn)行數(shù)據(jù)指令之前，一定確保單片機(jī)沒有其他功能模塊的運(yùn)行，然后再依照具體的傳輸指令顯示到液晶屏幕上[7]。圖4 為顯示屏與單片機(jī)的接口連接圖。

圖4 顯示屏引腳連接圖

■2.3 按鍵部分

本次設(shè)計(jì)所采用的按鍵是4×4 矩陣鍵盤。通過數(shù)字按鍵輸入密碼，使其進(jìn)入設(shè)置頁面。設(shè)置頁面可以選擇的操作：指紋信息的添加、指紋信息的刪除、選擇手動(dòng)開鎖、選擇更改密碼。

■2.4 電源部分

本設(shè)計(jì)的電源選擇用到USВ 接口給STM32 和電磁鎖供電。給STM32 供電方案有兩種其工作電壓為5V，一是通過電源插口直接連接到芯片，二是通過按鍵開關(guān)來選擇是否給芯片通電。給電磁鎖通電的工作電壓為12V，區(qū)別于芯片工作電壓。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

程序檢查過程：初始化各個(gè)模塊，對(duì)按鍵的狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，判斷是否被按下，同時(shí)對(duì)其進(jìn)行相關(guān)子程序的調(diào)用。

主程序設(shè)計(jì)流程如圖5 所示。

圖5 主程序流程

■3.1 按鍵模塊

電路上電，隨即來到主屏幕歡迎界面。按下任意按鍵，發(fā)送一個(gè)低電平信號(hào)給單片機(jī)，作為按鍵電路的檢測(cè)信號(hào)。當(dāng)檢測(cè)到按鍵信號(hào)時(shí)，輸入管理員密碼后，則進(jìn)入管理員模式，選擇相應(yīng)的指令操作，即增加指紋、手動(dòng)開始、刪除密碼、更改密碼。在本次設(shè)計(jì)，將＊定義為刪除，當(dāng)輸入密碼錯(cuò)誤時(shí)可以一位刪除密碼；將#定義為確定，當(dāng)輸入密碼后點(diǎn)擊確定打開密碼鎖。C、D 兩個(gè)按鍵定義為返回，可以返回上層頁面。A 按鍵定義為進(jìn)入設(shè)置界面，В 按鍵未定義。

■3.2 指紋模塊

指紋模塊通過芯片的串口發(fā)送與接收命令完成，通過串口發(fā)送命令，等待模塊傳回?cái)?shù)據(jù)，由單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理。掃描指紋后隨即進(jìn)行錄入，模塊將生成指紋圖像特征、合成指紋模板，并將合成的指紋圖像模板存儲(chǔ)在AS608 的數(shù)據(jù)庫中。在將要進(jìn)行開鎖時(shí)，即進(jìn)行指紋識(shí)別功能，將用戶的指紋圖像進(jìn)行特征值生成，并在數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行搜索比對(duì)，成功匹配到對(duì)應(yīng)的特征值圖像后，即完成了識(shí)別功能，驅(qū)動(dòng)電磁鎖的彈片打開。

設(shè)計(jì)所采用串口通信方式，其數(shù)據(jù)發(fā)送和接收的流程圖如圖6 所示。

圖6 數(shù)據(jù)收發(fā)流程圖

■3.3 顯示模塊

顯示模塊主要是為了完成系統(tǒng)的數(shù)據(jù)顯示，電路上電后，LCD12864 立即進(jìn)行初始化，并顯示初始界面即歡迎界面。在系統(tǒng)接收到相關(guān)指令后就可以將接收到的信息顯示在液晶屏幕上。

4 數(shù)據(jù)測(cè)試

本設(shè)計(jì)的主要實(shí)現(xiàn)的功能可以完成對(duì)指紋的錄入，可存儲(chǔ)大約300 個(gè)指紋數(shù)據(jù)，針對(duì)指紋鎖來說，可以方便用戶錄入多個(gè)手指的指紋以防個(gè)別指紋識(shí)別的失敗。通過按鍵實(shí)現(xiàn)增加指紋、鍵盤開鎖、刪除指紋、更改密碼的功能。LCD會(huì)顯示相應(yīng)的結(jié)果，如圖7 所示。

圖7 實(shí)物圖

針對(duì)指紋鎖的識(shí)別精度測(cè)試，選擇了三個(gè)不同用戶及其不同手指指紋進(jìn)行對(duì)識(shí)別精度以及開鎖成功率的性能測(cè)試。分別測(cè)試了用戶一、用戶二、用戶三的拇指、食指、中指指紋共9 個(gè)不同指紋，每個(gè)指紋30 進(jìn)行次解鎖，共270 次的數(shù)據(jù)測(cè)試。具體測(cè)試數(shù)據(jù)如表4 所示。

表4 識(shí)別成功率（識(shí)別精度）數(shù)據(jù)測(cè)試表

在進(jìn)行數(shù)據(jù)分析時(shí)，將成功未開鎖的情況也視為識(shí)別失敗，其原因是臨時(shí)斷電的原因?qū)е聼o法解鎖，該部分的結(jié)果可以用于調(diào)試在電源部分的需要。

指紋鎖識(shí)別成功率（識(shí)別精度）的計(jì)算是比對(duì)成功次數(shù)比上總識(shí)別次數(shù)。由數(shù)據(jù)測(cè)試結(jié)果可知，指紋鎖的識(shí)別精度能達(dá)到97%左右。在使用時(shí)間較短的時(shí)間內(nèi)，解鎖的成功率是非常高的。但由于指紋模塊存在耐磨性和環(huán)境因素的指標(biāo)考量，隨著使用壽命的增加，指紋鎖的識(shí)別精度也會(huì)隨之降低。綜上所述，本設(shè)計(jì)的指紋鎖在使用壽命內(nèi)的日常使用和研究，還是很可觀的。

5 結(jié)束語

本文主要針對(duì)防盜系統(tǒng)的安全性和便利性設(shè)計(jì)了一款基于指紋圖像識(shí)別的電子鎖，由于現(xiàn)代人愈來愈注重安全系統(tǒng)的保障，加上技術(shù)的齒輪不斷向前轉(zhuǎn)動(dòng)，設(shè)計(jì)這款電子鎖為現(xiàn)實(shí)所需。經(jīng)過測(cè)試該設(shè)計(jì)能夠正常地采集開鎖指紋和完成指紋比對(duì)，可以準(zhǔn)確地識(shí)別指紋開鎖，并完成刪除指紋、更改密碼等功能。指紋鎖的體積小、使用方便、安全可靠，適合各種情況的使用。通過對(duì)指紋鎖設(shè)計(jì)，對(duì)指紋識(shí)別這個(gè)技術(shù)有了更新的認(rèn)識(shí)，相信以后指紋鎖越來越被人們所接受，在生活中也將會(huì)越來越普及，能夠更加地保障人民的財(cái)產(chǎn)安全。雖然本設(shè)計(jì)的功能基本到達(dá)，但關(guān)于指紋模塊的開發(fā)尚未結(jié)束，很多東西尚待開發(fā)，在未來的設(shè)計(jì)中會(huì)進(jìn)一步得到創(chuàng)新和完善。