基于單片機的圖書館閱覽指紋識別系統設計

張慧楨，王晉美，王紹汀，焦悅恒，晉翔宇

（黃河交通學院機電工程學院 河南 焦作 454150）

0 引言

不管是在學校還是在社會上，圖書館都是一個人流量較大的場所，對于圖書館管理人員的進出、入館人員的實名登記以及圖書借閱信息的數據整理與記錄就成了不可忽視的問題。為了更加方便地管理圖書，并且記錄圖書館的人員進出，圖書管理系統便應運而生[1]。

通過觀察目前國內外廣泛使用的圖書管理系統，例如國內的XCLXT系統，和國外的INNOPAC系統以及Horizon系統，發現對于這些系統的入館人員在借閱圖書時多采用圖書借閱卡的形式。此方法存在丟失借閱卡、信息泄露等的風險，基于此我們考慮了與個人生物信息結合的方式——指紋識別技術。

采用指紋識別技術，可以實現與個人借閱信息的結合[2]。通過該方式為用戶提供更為方便的圖書借閱服務，同時也為圖書管理者提供更加便捷的圖書信息管理服務。

1 設計方案選擇和論證

1.1 圖書館指紋識別系統綜述

在設計時，要模擬IC卡的刷卡和指紋的處理，同時在硬件上設有單獨的按鈕，以便模擬時進行操作。每完成相應的操作蜂鳴器的提示音不同[2]。相應的數據會傳輸到電腦上進行顯示。上位機中會顯示借書的周期，以天為單位，逾期的時間就會扣除相應的罰金；用上位機還可以進行增加圖書、刪除圖書、修改圖書、查詢圖書，并且可以實現對用戶信息的注冊和注銷，設計總框圖如圖1所示。

圖1 設計總框圖

1.2 組成模塊基本方案

1.2.1 主芯片模塊

圖書管理系統在進行主控芯片選擇時要考慮到操作難易度，以及性價比等問題。STM32芯片能夠使用的資源很豐富；但是STM32的程序編寫比較麻煩，成本相對來說略大。STC89C52芯片的優點是功率消耗低。代碼編寫對新手比較友好，性價比相對來說也是處于上游。所以選用STC89C52芯片[3]。

1.2.2 指紋模塊

光學指紋識別模塊通過光的折射與反射，由于手指上條紋的凹凸不平會導致產生不同亮度的折射光，之后依據光學元件進行成像提取指紋信息。

射頻指紋識別模塊是利用生物的射頻指紋識別技術，由傳感裝置來發射出一些少量的信號，從而提取指紋信息[4]。

由于指紋模塊的選擇更注重其小巧便捷的程度、信息掃描的清晰程度，以及模塊反應的靈敏程度，所以在本設計中選擇了ATK-AS608指紋光學識別模塊。

1.2.3 數據庫模塊

對于智能圖書系統，用SQL作為數據庫會有較高的使用難度，但管理和程序的設計更為靈活性，適合于大規模的資料存儲。而用ACCESS的資料庫可以更容易做一些簡單資料的處理。因此選用ACCESS的資料庫更為方便快捷[5]。

1.2.4 射頻模塊

智能圖書系統以射頻模塊進行身份信息識別時做了兩種方案。第一種是用RC522射頻模塊。在進行信息提取時較快，成本較低，但是在信息提取的間隙上有一定的要求。第二種是用MD810R射頻模塊，該模塊內部的資源較多，并且可以簡便的連接電腦，但是成本相對來說略高。

在智能圖書管理系統中，制作系統的成本不宜過高，同時對于信息的讀取要求穩定一點，所以選用RC522射頻模塊。

2 硬件設計部分

2.1 硬件設計總框架

本設計采用STC89C52主控芯片。首先用信息輸入模塊進行信息的采集，之后送到主控制器。主控制器會將信息進行處理，用液晶顯示模塊來顯示,通過按鍵模塊上可以進行操作；當信息是已注冊的時會傳輸到電腦上進行存儲；電源模塊保證了系統的供電[7]。主控芯片同時也會給報警模塊發送信息。各個模塊相互配合工作而形成一個完整的系統。電路總框架圖如圖2所示。

圖2 電路設計總框圖

2.2 單片機主控模塊STC89C52

本設計中的主控芯片為STC89C52，操作時比較方便。芯片由晶振頻率電路和復位電路組成了其最小系統。如圖3所示。

圖3 STC89C52最小系統

2.3 液晶顯示模塊

液晶顯示模塊在本設計中選用LCD12864。LCD12864以點陣屏來進行信息的顯示，顯示畫面時比較清晰。LCD12864液晶顯示電路模塊如圖4所示。

圖4 LCD12864液晶顯示電路

2.4 射頻讀卡器模塊

MF RC522是應用于13.56 MHz非接觸式通信中高集成度的讀寫卡芯片，是NXP公司針對“三表”應用推出的一款低電壓、低成本、體積小的非接觸式讀寫卡芯片，是智能儀表和便攜式手持設備研發的較好選擇。MF RC522利用了先進的調制和解調概念，完全集成了在13.56 MHz下所有類型的被動非接觸式通信方式和協議[8]。MF RC522與MF RC500和MF RC530有不少相似之處，但同時也具備其獨有的特點，同后者相比之下有著不小的差異。它與主機間通信采用SPI模式，有利于減少連線，縮小PCB板體積，降低成本。

2.5 指紋識別模塊

指紋模組使用ATK-AS608型指紋模組。利用光的折射和反射原理,光從底部射向三棱鏡,并經棱鏡射出,射出的光線在手指表面指紋凹凸不平的線紋上發生折射。由于折射的角度不同，反射回去的光線明暗就會不一樣。CMOS或者CCD的光學器件就會收集到不同明暗程度的圖片信息,能夠有效、快捷的獲取和鑒別指紋。同時有檢測功能，可以判定有沒有手指觸碰[9]。指紋識別模塊如圖5所示。

圖5 指紋識別模塊

2.6 蜂鳴器報警器

圖書管理系統中蜂鳴器是用來報警提示，不同的操作報警提示音不同。蜂鳴器的連接電路如圖6所示。

圖6 蜂鳴器電路

2.7 電源模塊

在智能圖書管理系統中，電源模塊的作用是為采集模塊、控制模塊提供電源。電源電路如圖7所示。

圖7 電源電路

3 軟件設計部分

3.1 主程序流程圖

主程序流程圖如圖8所示。

圖8 主程序流程圖

對圖書館管理系統的運行來說，要求對該設備供電后，進行模組的初始化；利用操作按鈕，進行操作。在對個人的信息進行讀取輸入后，經過處理，傳送至液晶顯示屏中顯示，并儲存。用戶可以看到信息的記錄，管理員可以進行修改。如果用戶超過了借閱期限，就會自動扣除金額；如果并未超過規定時間則不會。

3.2 液晶模塊流程圖

在系統通電的過程中，同時對液晶模塊的程序進行了相應的初始化。設置的獨立按鍵能控制液晶顯示的界面欄，不同的操作對應不同的顯示。液晶模塊流程圖如圖9所示。

圖9 液晶屏模塊流程圖

3.3 上位機

3.3.1 主界面

圖書信息管理系統存在上位機。在以管理員的身份進行登錄后，可以進行信息的更改；當上位機和下位機相連時，需要提前預設COM端口號。在進行刷卡登記后，上位機會自動呈現相應信息并儲存。主界面如圖10所示。

圖10 上位機主界面

3.3.2 圖書信息管理

在進行修改圖書信息后，在點擊確定按鈕，可以確保系統將進行修改后的圖書信息進行保存。圖書信息管理界面如圖11所示。

圖11 圖書管理界面

3.3.3 圖書查詢

在主界面中菜單里面有信息查找功能。可以選信息類別來查詢，還可以通過輸入查詢關鍵字查詢。系統會篩選符合查詢的內容進行顯示。圖書查詢界面如圖12所示。

圖12 圖書查詢界面

3.3.4 充值金額

對用戶的賬戶金額進行充值，可以用于抵消借閱超時所產生的費用。充值操作只能由管理員完成。充值界面如圖13所示。

圖13 充值界面

4 總結與展望

本系統采用STC89C52為核心，通過單片機將指紋和射頻模塊所獲取的數據進行數字處理，并通過串口傳送至計算機，以進行相應的數據與硬件設備進行比對；當檢測到的數據滿足條件時，系統就會自動讀取主機的數據。不匹配時也會出現相應的提示。

圖書電子閱覽系統在射頻模塊的基礎上加入了指紋識別模塊可以提升效率，但為了更進一步，還可以加入人臉識別技術。在圖書電子閱覽系統中加入人臉識別技術也是未來的努力方向；同時該技術也是當前圖書電子閱覽系統中較為流行的一項。