基于DSP指紋識(shí)別的智能共享物品柜的設(shè)計(jì)

袁方琳珂 阮文韜 冉煦 陳浩松 李紅火

摘要：本文介紹了一款能夠?qū)崿F(xiàn)共享小物品存取及使用人信息記錄的指紋識(shí)別自動(dòng)柜。本設(shè)計(jì)以STM32、DSP作為數(shù)據(jù)處理核心，并結(jié)合了GSM短信收發(fā)模塊及液晶顯示屏模塊。該自動(dòng)柜具有成本低、功能強(qiáng)、可應(yīng)用范圍廣、可拓展功能性等特點(diǎn)，具有廣闊的市場前景。

Abstract： This paper introduces an automatic fingerprint identification cabinet which can realize the access of shared small items and the record of user information. This design takes STM32，DSP as the data processing core， and combines the GSM short message receiving and receiving module and the liquid crystal display module. The automatic cabinet has the characteristics of low cost， strong function， wide application range and expandable function. It has a broad market prospect.

關(guān)鍵詞：共享;指紋識(shí)別;集控系統(tǒng)

Key words： sharing;fingerprint identification;centralized control system

中圖分類號(hào)：TP391.4? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006-4311（2019）17-0171-03

0? 引言

早在15年前，自動(dòng)販賣機(jī)就已經(jīng)是日本便利生活的重要組成部分了，形成了日本特色代表性文化，這種對(duì)空間高效率和有利的利用的文化，使其養(yǎng)成良好習(xí)慣，讓我們深受啟發(fā)?，F(xiàn)在許多小區(qū)、學(xué)校都擁有取拿快遞的快遞站;超市有存放物品的儲(chǔ)物柜;也有針對(duì)單一物品進(jìn)行共享的柜體，例如充電寶共享盒，但是這些具有儲(chǔ)物功能的柜體只適合指定物品的暫時(shí)存取或單一物品的共享，且不便管理。

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一種新型方案，解決了共享物品柜現(xiàn)在所存在的問題，實(shí)現(xiàn)了對(duì)柜體的實(shí)時(shí)監(jiān)控，并根據(jù)數(shù)據(jù)分析結(jié)果協(xié)助管理員更好的管理物品。

1? 智能共享物品柜系統(tǒng)介紹

智能共享物品柜系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)小范圍內(nèi)物品借還情況及借還時(shí)間統(tǒng)計(jì)，借還信息通過手機(jī)短信方式發(fā)送給管理員。

智能共享物品系統(tǒng)包括：中央控制器模塊、指紋識(shí)別模塊，液晶顯示模塊、基于GSM/GPRS的人機(jī)交互模塊，以及由多個(gè)伺服電機(jī)和絲桿構(gòu)成的物品移動(dòng)機(jī)構(gòu)。這些模塊通過中央控制器連接，實(shí)現(xiàn)多品種、小范圍的物品共享，操作簡單且方便。其系統(tǒng)框圖如圖1所示。

柜體還設(shè)置有儲(chǔ)物格、取物窗口和還物窗口，儲(chǔ)物格與取物窗口之間設(shè)置有斜坡結(jié)構(gòu)，物品移動(dòng)機(jī)構(gòu)能夠?qū)?chǔ)物格中的物品推至斜坡，物品移動(dòng)機(jī)構(gòu)還能將還物窗口的物品移動(dòng)至儲(chǔ)物格中。如圖2所示。

2? 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 硬件平臺(tái)介紹

該系統(tǒng)選用以STM32處理器為核心的控制中心為硬件平臺(tái)并配合絲桿等運(yùn)動(dòng)控制平臺(tái)實(shí)現(xiàn)柜體中物體的存取。

該自動(dòng)柜硬件部分主要包括人機(jī)交互界面、ARM主控制板、DSP指紋識(shí)別模塊、SIM800C GSM GPRS短信電話開發(fā)板模塊和電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、電機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。整個(gè)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖 3 所示。

2.2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

硬件系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)思路是以STM32為核心控制器，并且結(jié)合GSM/GPRS短信收發(fā)裝置，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)之間的無線傳輸與實(shí)時(shí)監(jiān)控。

通過物聯(lián)網(wǎng)對(duì)系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，及穩(wěn)定性進(jìn)行監(jiān)測，在系統(tǒng)CPU內(nèi)處理，并且在移動(dòng)后臺(tái)終端（手機(jī)）中顯示出借取信息、歸還信息、耗材信息、異常信息和維護(hù)保障信息等數(shù)據(jù);實(shí)現(xiàn)共享物品自動(dòng)柜的實(shí)時(shí)監(jiān)控、異常報(bào)警和維保提醒等功能。

3? 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

智能共享物品柜監(jiān)控所使用的軟件是STM32編程軟件，該軟件可以隨時(shí)記錄并且讀取信息數(shù)據(jù)，并將借物者的信息、物品借還等情況建立成數(shù)據(jù)日志，同時(shí)，在物品借還時(shí)還能通過數(shù)據(jù)終端將借物著信息及物品借還情況發(fā)送給管理員。軟件完成了物品借取的運(yùn)動(dòng)功能、指紋識(shí)別功能及短信電話功能。

3.1 借取運(yùn)動(dòng)功能

本系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的智能共享物品柜的借取運(yùn)動(dòng)功能由三軸定位平臺(tái)實(shí)現(xiàn)。存取物品時(shí)的運(yùn)動(dòng)主要包括三個(gè)方向上的機(jī)械運(yùn)動(dòng)，即X軸、Y軸與Z軸。

整個(gè)三軸定位平臺(tái)的核心部分是平臺(tái)主體。該平臺(tái)主要包括支架、導(dǎo)軌、固定桿、聯(lián)軸器、限位開關(guān)、推桿、滑塊等，是一種橋式的結(jié)構(gòu)。三個(gè)軸（X軸、Y軸、Z軸）的導(dǎo)軌正交，Z軸通過聯(lián)軸器與左右兩個(gè)導(dǎo)軌固定，X軸位于Z軸導(dǎo)軌之上， Y軸導(dǎo)軌固定在底板上，X與Y軸上的滑塊用于放置物品并固定推桿。在本文設(shè)計(jì)的三軸定位平臺(tái)中，由限位開關(guān)來實(shí)現(xiàn)限位開關(guān)信號(hào)和零點(diǎn)信號(hào)。根據(jù)檢測方式，限位開關(guān)可以分為接觸式和非接觸式，接觸式限位開關(guān)即是行程開關(guān)，非接觸式的限位開關(guān)即是接近開關(guān)。本系統(tǒng)均采用接近開關(guān)。平臺(tái)在運(yùn)行過程中，當(dāng)某個(gè)軸靠近接近開關(guān)時(shí)將產(chǎn)生一個(gè)輸出信號(hào)，該信號(hào)傳送到ARM控制器上，控制器接收信號(hào)并對(duì)信號(hào)做出處理，經(jīng)過處理的信號(hào)送入驅(qū)動(dòng)器，并通過驅(qū)動(dòng)器控制電機(jī)停轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)限位開關(guān)信號(hào)和零點(diǎn)信號(hào)。[4]

借取物品時(shí)，需先從人機(jī)交互界面采集需要借取物品所在儲(chǔ)物格的位置信息，再獲取驅(qū)動(dòng)推桿運(yùn)動(dòng)，將借取物品放置運(yùn)動(dòng)軸上，確認(rèn)無誤后，通過電機(jī)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)X軸、Y軸、Z軸定位到取還物窗口，通過推桿運(yùn)動(dòng)將所借取物品放置到取還物窗口，從而實(shí)現(xiàn)取物功能。

歸還物品時(shí)，工作平臺(tái)先從人機(jī)交互界面采集需要?dú)w還物品所在儲(chǔ)物格的定位信息，再通過電機(jī)系統(tǒng)來驅(qū)動(dòng)X軸、Y軸、Z軸，先定位到對(duì)應(yīng)儲(chǔ)物格，再確認(rèn)位置是否正確，若準(zhǔn)確無誤最后通過推桿運(yùn)動(dòng)，將歸還物品放置儲(chǔ)物格內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)還物功能。

針對(duì)三軸定位平臺(tái)的特點(diǎn)，并結(jié)合實(shí)際的應(yīng)用背景，該系統(tǒng)選用永磁式步進(jìn)電機(jī)。通過永磁式步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)。三軸定位平臺(tái)不會(huì)產(chǎn)生較大的噪聲和振動(dòng)，具有精準(zhǔn)、平穩(wěn)、快速的特點(diǎn)。

3.2 指紋識(shí)別功能

指紋識(shí)別算法包括細(xì)節(jié)特征提取算法和細(xì)節(jié)匹配算法兩部分。

在原始圖像之前還擁有最重要的一步——那就是圖像的采集，圖像采集模塊是本系統(tǒng)中最為重要的組成部分之一，并且高質(zhì)量的指紋圖像能使指紋識(shí)別算法簡單化，并且可以提高整體性能。指紋圖像采集設(shè)備各種各樣，在其優(yōu)缺點(diǎn)上也存在很大的不同，一般取象設(shè)備最常用的有超聲波傳感器、光學(xué)、半導(dǎo)體傳感器三類。

細(xì)節(jié)特征提取算法包括四個(gè)步驟，分別為濾波增強(qiáng)、二值化、細(xì)化、提取細(xì)節(jié)點(diǎn)，如圖4所示。在指紋圖像的采集中，采集的圖像會(huì)受到各種因素的影響干擾，從而改變輸入指紋結(jié)構(gòu)。實(shí)際的指紋圖像需要通過濾波增強(qiáng)的步驟來改善圖像質(zhì)量，將圖像轉(zhuǎn)化為灰度圖。把灰度圖像經(jīng)過二值化處理，轉(zhuǎn)變成二值圖像。再通過細(xì)化算法進(jìn)行圖像的細(xì)化處理，把二值圖像變成細(xì)化圖像。經(jīng)過細(xì)化后的圖像細(xì)節(jié)特征明顯，容易被提取出細(xì)節(jié)點(diǎn)特征。[2]

該系統(tǒng)通過ATK-AS608指紋識(shí)別模塊實(shí)現(xiàn)。模塊芯片內(nèi)置 DSP 運(yùn)算單元，此DSP芯片還具有如下很多的優(yōu)點(diǎn)：（DSP芯片①在內(nèi)部采用的哈佛結(jié)構(gòu)中，程序和數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)空間相對(duì)獨(dú)立，取指令和取操作數(shù)可同時(shí)進(jìn)行;②多總線結(jié)構(gòu)，在一個(gè)機(jī)器周期內(nèi)多次訪問程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間;③同時(shí)也支持多級(jí)流水操作，還能夠使取指、譯碼和執(zhí)行等操作重疊執(zhí)行;④可以并行執(zhí)行多個(gè)操作;⑤可同時(shí)訪問兩塊芯片;⑥可進(jìn)行硬件I/O支持并進(jìn)行快速的中斷處理;⑦可在單周期內(nèi)對(duì)多個(gè)硬件地址進(jìn)行操作;⑧低開銷或無開銷循環(huán)及跳轉(zhuǎn)的硬件支持;）該芯片還具有以下更大的一個(gè)特點(diǎn)：價(jià)格低廉、外圍就能夠采集、存儲(chǔ)，控制設(shè)備易于集成、低功耗、計(jì)算速度可調(diào)節(jié)，正所謂真正的物美價(jià)廉。ATK-AS608指紋識(shí)別模塊集成了指紋識(shí)別算法，能有效高速的采集圖像，同時(shí)識(shí)別指紋特征。指紋模塊流程圖如圖5（a）所示。

3.3 短信電話功能

本系統(tǒng)通過GSM 模塊實(shí)現(xiàn)短信收發(fā)。GSM 模塊在實(shí)時(shí)性要求不高的測控系統(tǒng)及遠(yuǎn)程監(jiān)控中被廣泛應(yīng)用?，F(xiàn)如今，移動(dòng)通信技術(shù)、無線局域網(wǎng)絡(luò)技術(shù)飛速發(fā)展，給計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)的采集提供了更加豐富、合理的數(shù)據(jù)傳輸手段，并且這些先進(jìn)手段逐漸滲入到各類系統(tǒng)當(dāng)中并形成跨地域、跨視界的無線遠(yuǎn)程采集和控制系統(tǒng)。全球移動(dòng)通信系統(tǒng)（GSM）已經(jīng)發(fā)展的十分成熟和完善，是現(xiàn)代無線遠(yuǎn)程通訊技術(shù)的代表。采用GSM網(wǎng)絡(luò)傳輸信息價(jià)格便宜，技術(shù)可行?；贕SM的無線遠(yuǎn)程采集及控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)的有線控制系統(tǒng)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性能好、通訊范圍廣泛、總體結(jié)構(gòu)簡單、可拓展性功能強(qiáng)。 [5]

在本文設(shè)計(jì)的智能共享物品柜，GSM采用ATK-SIM900A模塊，主要實(shí)現(xiàn)智能共享物品柜借出物品時(shí)，通過STM32控制器以AT命令的形式發(fā)送借取信息、歸還信息、耗材信息、異常信息、維護(hù)保障信息等數(shù)據(jù)到ATK-SIM900A模塊，ATK-SIM900A模塊再將信息以短信方式發(fā)送給管理員。

GSM 模塊短信收發(fā)模塊流程圖如圖5（b）所示。

4? 結(jié)論

基于DSP指紋識(shí)別的智能共享物品柜不僅提升了學(xué)校實(shí)驗(yàn)室鑰匙的工作效率，同時(shí)也給廣大師生帶來了便捷，時(shí)刻可查詢鑰匙借取情況。雖然目前市面上僅有用于超市的根據(jù)條碼的借還物品柜，但價(jià)格較為的昂貴，同時(shí)僅在大型超市。因此，通過設(shè)計(jì)基于移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的指紋識(shí)別智能自動(dòng)柜，用戶可根據(jù)情況定制，可以隨時(shí)隨地實(shí)時(shí)更新自動(dòng)柜共享物品情況，最終實(shí)現(xiàn)以互聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)，以APP為載體，實(shí)現(xiàn)全民共享。未來，隨著智能共享物品柜的不斷建設(shè)一定會(huì)為市民提供更好的個(gè)性化服務(wù)，為共享物品帶來更加新穎、開放、精準(zhǔn)、高效的客戶使用體驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]潘浩，張侃健，魏海坤，方仕雄.用于探針自動(dòng)定位的三軸運(yùn)動(dòng)平臺(tái)設(shè)計(jì)[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2017.

[2][4]張?zhí)幂x，田捷，劉旭.基于DSP指紋識(shí)別核心算法的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2003（06）：25-27.

[3]ATK-AS608指紋模塊用戶手冊.

[5]宋維，崔曉坤.基于STM32的GSM模塊綜合應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2012（06）：4536.

作者簡介：袁方琳珂（1998-），女，四川成都人，成都紡織高等?？茖W(xué)校學(xué)生，研究方向?yàn)殡姎庾詣?dòng)化技術(shù)。