基于指紋圖像識別的電子鎖設計

許本渝，余粟

（上海工程技術大學 機械與汽車工程學院，上海，201620）

0 引言

在生活中常見的解鎖領域，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。現在，解鎖領域的新技術指紋識別技術迅速發展，它是基于生物特征的一種高級手段[1]。由于指紋是人體先天的特征，并且每個人的指紋都是不相同的[2]，可以利用這一特性創造出一種新的解鎖方式[3]。

早在唐朝時期，指紋[4][5]技術就傳入了日本、印度、阿拉伯等國家，再幾經流傳，西方國家也引進了指紋技術，這奠定近代指紋學誕生的基礎[6]。國外有很多專門從事指紋識別技術的研究機構與公司，美國的技術水平處于領先地位，如Identix Design Co、East Shore、Digital Persona、Veridicom 公司等，大半導體公司正朝著研發指紋識別芯片的目的進行研究，Amtd 公司由客戶方提供識別算法，開發出包含算法的指紋芯片，很方便地嵌入式應用在指紋識別系統中。隨著市場的推動和技術的提高，電子信息技術飛速發展，與之相關的方方面面都受之影響，指紋識別技術也在其進步的行列之中[7]。

為了順應時代發展的潮流，研究并開發出一款基于指紋識別的電子鎖十分必要[8]。設計利用STM32f103C8T6、AS608 指紋模塊、LCD12864 液晶顯示屏、電磁鎖、制作一個簡易的指紋鎖。

1 系統設計方案

本系統采用 ST 公司的 STM32F1 系列的微處理器作為主控制器，完成以下設計功能：

(1)增加指紋、按鍵輸入密碼開鎖、刪除指紋；

(2)能夠實時顯示用戶指紋解鎖的信息；

(3)通過指紋的比對，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STC98C51RC，第二種采用FPGA 的Cyclone IV EP4CE6F17C8N 芯片，第三種采用 STM32F1 系列單片機STM32F103C8T6。各類芯片參數如表1 所示。

表1 各芯片參數對比表

通過對各種芯片的功耗、存儲容量等要求的綜合分析，其他單片機相比，STM32F 單片機的數據總線更寬，存儲容量更大，串口數更多，綜合比較穩定性更強。因此，本設計的開發采用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如表2 所示。

表2 指紋模塊的性能比較

通過對各類指紋模塊的性價比、功耗、耐磨損等需求程度進行綜合分析發現，AS608 光學式指紋模塊相對于其他兩種指紋模塊，有較快的指紋識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，因此本設計的開發采用AS608 光學式指紋模塊。

■1.3 顯示模塊論證與選擇

在對市場上的顯示模塊進行了解后，提出了四種方案，分別為普通數碼管顯示、點陣式、LCD1602 液晶、LCD12864 液晶。各類顯示模塊的優缺點比較如表3 所示。

表3 顯示模塊的優缺點比較

通過對顯示模塊的優缺點分析，LCD12864 液晶顯示屏在規格上有體積小、功耗低等特點，在顯示水平上有顯示信息量大且可漢字和圖形的優勢，適合本設計使用。因此本設計的開發采用LCD12864 液晶顯示屏。

2 硬件電路設計

本設計以STM32 單片機為核心，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。系統設計框圖如圖1 所示。

圖1 系統框圖

■2.1 指紋模塊部分

本設計選擇的是AS608 光學式指紋模塊，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，生成對應模板，如圖3 所示。如果手指兩次輸入指紋，系統會自動生成用戶的指紋，然后傳輸到系統數據庫。當輸入新的指紋信息，系統自動進行處理，與數據庫中的指紋特征進行比對，給出匹配結果。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數據庫中。

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，線，面的圖像。LCD12864 體積小，能耗低，操作簡單。液晶顯示屏主要是幫助系統的數據顯示，運行過程前要對系統進行初始化，否則系統是無法正常使用的。顯示模塊在進行數據指令之前，一定確保單片機沒有其他功能模塊的運行，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

本次設計所采用的按鍵是4×4 矩陣鍵盤。通過數字按鍵輸入密碼，使其進入設置頁面。設置頁面可以選擇的操作：指紋信息的添加、指紋信息的刪除、選擇手動開鎖、選擇更改密碼。

■2.4 電源部分

本設計的電源選擇用到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，二是通過按鍵開關來選擇是否給芯片通電。給電磁鎖通電的工作電壓為12V，區別于芯片工作電壓。

3 系統軟件設計

程序檢查過程：初始化各個模塊，對按鍵的狀態進行檢測，判斷是否被按下，同時對其進行相關子程序的調用。

主程序設計流程如圖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，發送一個低電平信號給單片機，作為按鍵電路的檢測信號。當檢測到按鍵信號時，輸入管理員密碼后，則進入管理員模式，選擇相應的指令操作，即增加指紋、手動開始、刪除密碼、更改密碼。在本次設計，將＊定義為刪除，當輸入密碼錯誤時可以一位刪除密碼；將#定義為確定，當輸入密碼后點擊確定打開密碼鎖。C、D 兩個按鍵定義為返回，可以返回上層頁面。A 按鍵定義為進入設置界面，В 按鍵未定義。

■3.2 指紋模塊

指紋模塊通過芯片的串口發送與接收命令完成，通過串口發送命令，等待模塊傳回數據，由單片機進行數據的處理。掃描指紋后隨即進行錄入，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在AS608 的數據庫中。在將要進行開鎖時，即進行指紋識別功能，將用戶的指紋圖像進行特征值生成，并在數據庫中進行搜索比對，成功匹配到對應的特征值圖像后，即完成了識別功能，驅動電磁鎖的彈片打開。

設計所采用串口通信方式，其數據發送和接收的流程圖如圖6 所示。

圖6 數據收發流程圖

■3.3 顯示模塊

顯示模塊主要是為了完成系統的數據顯示，電路上電后，LCD12864 立即進行初始化，并顯示初始界面即歡迎界面。在系統接收到相關指令后就可以將接收到的信息顯示在液晶屏幕上。

4 數據測試

本設計的主要實現的功能可以完成對指紋的錄入，可存儲大約300 個指紋數據，針對指紋鎖來說，可以方便用戶錄入多個手指的指紋以防個別指紋識別的失敗。通過按鍵實現增加指紋、鍵盤開鎖、刪除指紋、更改密碼的功能。LCD會顯示相應的結果，如圖7 所示。

圖7 實物圖

針對指紋鎖的識別精度測試，選擇了三個不同用戶及其不同手指指紋進行對識別精度以及開鎖成功率的性能測試。分別測試了用戶一、用戶二、用戶三的拇指、食指、中指指紋共9 個不同指紋，每個指紋30 進行次解鎖，共270 次的數據測試。具體測試數據如表4 所示。

表4 識別成功率（識別精度）數據測試表

在進行數據分析時，將成功未開鎖的情況也視為識別失敗，其原因是臨時斷電的原因導致無法解鎖，該部分的結果可以用于調試在電源部分的需要。

指紋鎖識別成功率（識別精度）的計算是比對成功次數比上總識別次數。由數據測試結果可知，指紋鎖的識別精度能達到97%左右。在使用時間較短的時間內，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境因素的指標考量，隨著使用壽命的增加，指紋鎖的識別精度也會隨之降低。綜上所述，本設計的指紋鎖在使用壽命內的日常使用和研究，還是很可觀的。

5 結束語

本文主要針對防盜系統的安全性和便利性設計了一款基于指紋圖像識別的電子鎖，由于現代人愈來愈注重安全系統的保障，加上技術的齒輪不斷向前轉動，設計這款電子鎖為現實所需。經過測試該設計能夠正常地采集開鎖指紋和完成指紋比對，可以準確地識別指紋開鎖，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。通過對指紋鎖設計，對指紋識別這個技術有了更新的認識，相信以后指紋鎖越來越被人們所接受，在生活中也將會越來越普及，能夠更加地保障人民的財產安全。雖然本設計的功能基本到達，但關于指紋模塊的開發尚未結束，很多東西尚待開發，在未來的設計中會進一步得到創新和完善。