基于STM32的指紋識別系統設計

張 樂, 王 悅

(沈陽大學 信息工程學院, 遼寧 沈陽 110044)

當今社會,信息安全成為人們越來越關心的話題,而生物特征因其具有很強的唯一性以及獨特性,從而引領著生物識別技術的發展,像指紋識別、虹膜識別、面部識別等更多地被應用到各種不同的領域,代替了部分安全性較低的識別技術.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,但是就目前的市場來說虹膜識別的應用還不是很廣泛[1].據統計,2017年我國安防市場總產值約5 900億元;前瞻預計,到2023年,門禁系統市場規模將有望達到294億元[2].

傳統的門禁多采用刷卡或輸入密碼等方式采集并處理信息,這就需要用戶隨身攜帶門禁卡片,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[3].基于這些因素加上指紋具有較強的唯一性和穩定性,且指紋相對于其他生物特征來說采集信息較方便,本文將指紋識別技術應用到門禁系統上并實現快速識別.不同于其他指紋識別系統的是,本設計采用STM32單片機,它可以同時處理32位的數據,較51單片機來說傳輸速率更快,在識別速度上有很大的優勢,集成度高、內部資源豐富也是其優勢所在[4].選用AS608指紋模塊,因為它采集指紋的效率非常高,而且模塊內部能自動識別并處理相關信息,無需再研究復雜的算法[5].指紋信息處理完成之后,單片機會將結果發送給LCD12864顯示屏,然后以文字的方式呈現給用戶.

1 整體方案設計

本文以STM32F103單片機作為主控芯片,采用AS608光學指紋模塊來采集處理指紋信息,并用LCD12864顯示屏呈現最終結果,單片機與它們進行串行數據傳輸.最主要的是要不斷調試以提高識別的速度.主要實現以下功能:如果用戶輸入的指紋與之前預留的指紋信息一致,就會被識別成功,繼電器產生動作,同時二極管點亮,顯示屏顯示“門已開”;當輸入指紋錯誤時,顯示屏會提示“未搜索到指紋”.有異常情況出現時,管理員也可以通過輸入密碼的方式手動開鎖,實現雙重保護功能,從而提高了門禁系統的安全性.本系統的優點在于系統硬件占用體積很小、對指紋的識別用時非常短,也便于在家庭中使用.

該系統結構共分為5個模塊:主控芯片(STM32單片機)、指紋模塊(AS608)、顯示模塊(LCD12864)、按鍵部分以及存儲模塊(24C02存儲器).系統總體結構框圖如圖1所示.

(1) 主控芯片.根據控制需求,選擇STM32F103單片機處理器作為控制芯片.該芯片具有串行調試(SWD)和JTAG接口2種調試模式,方便與該系統中的其他外圍電路進行串行傳輸數據[6].51個多功能雙向I/O口,且集成度高、易開發、函數庫編程方式也相對簡單,內部資源和外設資源也非常豐富,最關鍵的是該芯片處理數據的速度快,符合本指紋識別技術快速性的要求,而且低能耗,價格也相對較低.

圖1系統總體框圖
Fig.1Overallframeworkdiagramofthesystem

(2) 指紋模塊.采用AS608指紋模塊進行指紋的采集與處理,因為該模塊內部的DSP單元集成了指紋識別算法,提高了采集圖像和識別指紋特征的效率,處理一個指紋圖像只需要不到0.4 s的時間.且該模塊的拒真率低于1%,認假率低于0.001%,識別率非常好,完全符合本設計的要求[7].另外,該模塊內置一個手指檢測電路,根據WAK引腳的狀態判斷手指是否按下.

(3) 顯示模塊.顯示部分采用LCD12864,因為該模塊界面靈活、操作指令簡單,并且可以形成人機交互圖形界面.通過改變V0引腳上滑動變阻器接入的阻值可以改變LCD12864液晶顯示屏的亮度[8].且通過串口與單片機進行數據的傳送以達到信息的實時顯示.

(4) 按鍵部分.因為本系統共有16個按鍵,采用矩陣式鍵盤設計.有按鍵按下時,與之相連的兩根線的電平狀態發生變化,所以就能判斷被按下按鍵的具體位置,實現不同的功能.

(5) 存儲模塊.本系統采用24C02存儲器來存儲管理員密碼.其中WP引腳為寫保護引腳,可以防止誤改存儲區域內部數據,即當該引腳為高時,整個寄存器區域受到保護,因此只能讀取24C02.在接收到第一數據字節之后不發送應答信號,以避免存儲區域被重寫.

2 程序設計

2.1 主程序設計

主程序主要包括指紋模塊子程序、LCD子程序、內存子程序和鍵盤子程序.如圖2所示的主程序流程主要有2個部分:一是通過指紋開鎖,二是通過按鍵開鎖.上電之后各模塊先初始化,當指紋模塊上有指紋出現時,其內部的DSP單元會開始處理數據,對比之前指紋庫中已經錄入的指紋,匹配的結果會傳給單片機,然后由單片機發送指令給顯示屏,將識別的結果顯示出來;就是通過手動按按鍵產生的一些動作,首先單片機檢測按鍵,如果有按鍵被按下再具體判斷是哪一個按鍵,同時判斷是否需要調用該按鍵需要的子程序[9].也可以輸入6位數字格式的密碼,進入管理員模式,然后可以采集新的指紋信息或刪除已經錄好的指紋,也可以修改管理員密碼,為保證安全,在更改密碼時需輸入2次確認.

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

2.2 按鍵程序設計

在鍵盤模塊,當有按鍵按下時避免不了會有不同程度的抖動,這時就會先利用延時程序消除抖動再判斷是否真正有按鍵按下.如果有按鍵按下再進行按鍵分析,由于采用矩陣式設計,按鍵較多,而且每個按鍵的功能又不同,所以按鍵分析要通過程序的編寫來達到準確判斷的結果.分析之后,將結果傳給單片機,由單片機給出指令來控制其他外設電路產生一系列動作來完成操作.若判斷出不是按鍵按下而只是有抖動產生,那么就繼續等待,直到有真正的按鍵產生.工作過程如圖3所示.

圖3 按鍵工作流程圖Fig.3 Flow chart of key

2.3 LCD程序設計

顯示模塊就是按照需求將單片機指令執行完成的相關內容呈現在屏幕上.設計程序時,先寫初始化和清屏的程序,接下來再完成接收命令和顯示結果的程序.當系統開始工作,單片機給出顯示屏命令時,它就會按照需求將顯示的結果呈現到屏幕上以便于分析操作的結果[10].過程如圖4所示.

圖4 LCD流程圖Fig.4 Flow chart of LCD

2.4 指紋程序設計

指紋模塊主要是采集指紋數據,再將識別結果發送出去,所以該部分的程序設計也就分為2個部分:數據接收和數據發送.指紋識別模塊與單片機進行串口通信,串口方式下的數據接收需要觀察RI的值,如果RI為0就讀出SBUF的值.而數據發送主要依據TI值,如果TI不為0,那么返回繼續進行串口發送.發送、接收數據的過程如圖5.

圖5 數據接收和發送流程圖Fig.5 Flow chart of data receiving and transmitting

3 系統實現

單片機各引腳與指紋模塊、顯示電路模塊、鍵盤模塊以及其他外圍電路按需求相互連接,在經過不斷調試之后,設計出整體電路圖如圖6所示.在整個設計過程中,最難最耗時的就是調試,顯示屏有幾次不能及時準確地顯示出結果,參照它的資料手冊修改了幾次程序得以解決.在采集完指紋圖像存儲時,本來是使用EEPROM進行存儲,但是發現上傳/下載圖像過慢,經翻閱資料得知,指紋模塊的RAM內設有一個72K bytes的圖像緩沖區和兩個512K bytes的特征文件區,可以通過指令讀寫任意一個區,使圖像緩沖區上傳/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行后驗證指紋識別的成功率.AS608指紋模塊的指紋存儲量為300枚,在常溫環境下,采集指紋30人×10手指×2樣本=600枚,分2組進行,其中每個手指采集的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別成功.在確保這些手指沒有潮濕、劃破等異常情況時,以正確方式將第一組的300枚指紋預先錄入到指紋模塊中,然后再分別觸摸解鎖[11].測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.觀察到的結果是,600枚指紋中有599枚指紋能識別成功,僅有一枚指紋識別失敗,成功率達到了99.83%,失敗率為0.17%,遠低于AS608指紋模塊的拒真率1%.指紋經過處理并識別成功之后,液晶顯示屏會顯示圖7所示的字樣.識別失敗時顯示屏如圖8所示.指紋模塊經過小于0.1 s的初始化后,處理圖像只需要不超過0.4 s的時間,再經過STM32單片機處理反饋出結果,總時長在0.4 s左右.

圖7 指紋識別成功圖Fig.7 The diagram of successful fingerprint identification

圖8 指紋識別失敗圖

4 結 論

本系統通過AS608模塊采集并處理指紋之后,通過STM32F103單片機將信息發送給LCD12864,然后呈現給用戶.配合完成指紋識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,通過繼電器加之小燈的閃爍可以準確方便地觀察到錄入及識別指紋是否成功.為了起到雙重保護的作用,管理員也可以手動輸入密碼開鎖,在管理員模式下也能夠刪除、增加指紋信息,或者修改密碼.