通過(guò)采用單片機(jī)和指紋識(shí)別模塊實(shí)現(xiàn)電子機(jī)械鎖的設(shè)計(jì)

引言

隨著生活水平的提高，人們對(duì)物質(zhì)生活的要求越來(lái)越高，尤為注重住宅安全問(wèn)題。隨著生物特征識(shí)別技術(shù)的發(fā)展，指紋識(shí)別技術(shù)逐漸進(jìn)入人們的生活領(lǐng)域，指紋鎖進(jìn)入了人們的家庭。常見(jiàn)的指紋鎖，需要管理員指紋或者管理員密碼，才能進(jìn)行指紋和密碼的添加和刪除操作。本文設(shè)計(jì)的電子機(jī)械鎖，具有上述功能，還可以用正確鑰匙管理指紋和密碼。

常見(jiàn)的指紋鎖配備的機(jī)械鎖，可使用普通的正確鑰匙打開(kāi)，安全級(jí)別較低，很容易被專(zhuān)業(yè)人員破解。本文設(shè)計(jì)的基于PIC16F72的機(jī)械鎖，配套的鑰匙內(nèi)置編碼芯片，能夠設(shè)置正確鑰匙以及發(fā)送鑰匙編碼信息，只有用正確鑰匙才能打開(kāi)，不能被鐵絲或其他非法鑰匙打開(kāi)，安全性大大提高。在非法開(kāi)門(mén)的情況下，機(jī)械鎖發(fā)送報(bào)警信息。

1 、系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

電子機(jī)械鎖，分為電子鎖和機(jī)械鎖這兩個(gè)部分。電子鎖以單片機(jī)ATmega162為核心，通過(guò)指紋識(shí)別模塊，完成了對(duì)指紋管理的操作；通過(guò)鍵盤(pán)，完成密碼管理的操作；通過(guò)超外差接收模塊，能夠接收來(lái)自機(jī)械鎖的鑰匙編碼信息，完成與機(jī)械鎖的通信。

機(jī)械鎖以PIC單片機(jī)PIC16F72為核心，獲取鑰匙編碼信息，經(jīng)超外差發(fā)送模塊發(fā)送。超外差發(fā)送和接收模塊的工作頻率在433 MHz，PCB布線(xiàn)時(shí)注意超外差模塊，遠(yuǎn)離其他器件，不然會(huì)影響系統(tǒng)的工作狀態(tài)。另外，該系統(tǒng)要求體積小，供電方便，整個(gè)系統(tǒng)的功耗要盡量低。

1．1 電子鎖框圖

電子鎖主體為AVR單片機(jī)ATmega162、指紋識(shí)別模塊、超外差接收模塊、12 V電子鎖驅(qū)動(dòng)、門(mén)鎖、鍵盤(pán)、按鍵和指示燈等，如圖1所示。指紋識(shí)別模塊型號(hào)為：TFS-M12，采用TI的DSP芯片TMS320VC5501，指紋算法采用TFS-9。穩(wěn)定快速的芯片以及優(yōu)良的指紋算法，不僅提高了整個(gè)系統(tǒng)的識(shí)別率以及縮短了識(shí)別時(shí)間，而且大大縮短了整個(gè)系統(tǒng)的研發(fā)時(shí)間。

電子鎖在不使用的時(shí)候，處于睡眠狀態(tài)。用戶(hù)打開(kāi)指紋識(shí)別模塊上的金屬防塵罩時(shí)，產(chǎn)生喚醒信號(hào)，電子鎖進(jìn)入正常工作狀態(tài)。

正常工作狀態(tài)下，電子鎖支持兩種開(kāi)門(mén)方式：指紋開(kāi)門(mén)和輸入密碼開(kāi)門(mén)。指紋采集頭上輸入指紋，指紋識(shí)別模塊將當(dāng)前指紋與已存指紋進(jìn)行比較，單片機(jī)ATmega162接收到比較結(jié)果，若正確產(chǎn)生開(kāi)門(mén)信號(hào)，經(jīng)12 V電子鎖驅(qū)動(dòng)，打開(kāi)門(mén)鎖。鍵盤(pán)輸入密碼，單片機(jī)ATmega162將當(dāng)前輸入密碼和用戶(hù)設(shè)置的正確密碼進(jìn)行比較，若正確產(chǎn)生開(kāi)門(mén)信號(hào)，經(jīng)12 V電子鎖驅(qū)動(dòng)，打開(kāi)門(mén)鎖。輸入指紋和密碼的機(jī)會(huì)共3次，若3次都錯(cuò)誤，系統(tǒng)進(jìn)入睡眠狀態(tài)。

1．2 機(jī)械鎖框圖

機(jī)械鎖主體為PIC單片機(jī)PIC16F72、超外差發(fā)送模塊、設(shè)置鍵、指示燈等，如圖2所示。設(shè)置正確鑰匙步驟：按下設(shè)置鍵，指示燈常亮，插入需要設(shè)置的鑰匙，等待指示燈有規(guī)律的閃爍3下，設(shè)置成功；設(shè)置完成后用正確鑰匙開(kāi)門(mén)1次，恢復(fù)正常使用狀態(tài)。當(dāng)插入錯(cuò)誤鑰匙或者是鐵絲等非法鑰匙時(shí)，指示燈會(huì)快速閃爍，并通過(guò)超外差發(fā)送模塊發(fā)送報(bào)警信息。

為了降低整個(gè)系統(tǒng)的功耗，機(jī)械鎖在不使用時(shí)，處于不工作狀態(tài)。在安裝機(jī)械鎖的時(shí)候，會(huì)在機(jī)械鎖的鎖芯安裝一個(gè)金屬轉(zhuǎn)接口，該金屬轉(zhuǎn)接口連接了電子鎖的防塵罩，轉(zhuǎn)動(dòng)金屬轉(zhuǎn)接口，不僅給機(jī)械鎖供電使之進(jìn)入正常工作狀態(tài)，還喚醒電子鎖，讓電子鎖進(jìn)入正常工作狀態(tài)。轉(zhuǎn)動(dòng)金屬轉(zhuǎn)接口，還使得電子鎖中的單片機(jī)ATmega162第4口的第5位（即P4．5）變成高電平，電子鎖只處理來(lái)自機(jī)械鎖發(fā)出的信息。

機(jī)械鎖正常工作狀態(tài)時(shí)，插入鑰匙，單片機(jī)PIC16F72會(huì)識(shí)別鑰匙的編碼，若正確，則打開(kāi)鎖芯上的閥，可以轉(zhuǎn)動(dòng)鑰匙開(kāi)門(mén)，若錯(cuò)誤則發(fā)送錯(cuò)誤鑰匙信息，鎖芯的閥依舊關(guān)閉，不能開(kāi)門(mén)，從而保證了，用戶(hù)的安全。

1．3 電子鎖和機(jī)械鎖的通信

電子鎖和機(jī)械鎖之間的通信是通過(guò)超外差發(fā)送和接收模塊完成。機(jī)械鎖發(fā)送如圖3所示的信息，每位數(shù)據(jù)寬度為1 ms。由于噪聲的影響，單片機(jī)ATmega162只能通過(guò)查詢(xún)方式接收。

前導(dǎo)碼是由23位數(shù)據(jù)組成。數(shù)據(jù)碼由FAH碼、地址碼以及KEY碼組成，每個(gè)數(shù)據(jù)碼有10位，分別由8位數(shù)據(jù)、起始位（1）和結(jié)束位（0）組成。

地址碼就是機(jī)械鎖的識(shí)別碼，識(shí)別碼是惟一的，每次讀取KEY碼，都會(huì)將當(dāng)前地址碼和存儲(chǔ)的地址碼進(jìn)行比較，若相同才能讀取KEY碼，因此不會(huì)接收來(lái)自其他用戶(hù)的鎖發(fā)出的信息。

KEY碼就是鑰匙的編碼，每個(gè)鑰匙的編碼是惟一的，因此可以記錄用戶(hù)家庭成員的開(kāi)門(mén)信息，方便用戶(hù)查詢(xún)。電子機(jī)械鎖應(yīng)用在辦公場(chǎng)合時(shí)，若發(fā)生偷竊情況，可以查詢(xún)最近的開(kāi)門(mén)信息，來(lái)確定懷疑對(duì)象；也可以查詢(xún)特殊鑰匙開(kāi)門(mén)情況，比如保姆工作的具體時(shí)間。若發(fā)生非法開(kāi)門(mén)時(shí)，KEY碼為0x00，接收到該KEY碼時(shí)，產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)。

2、 指紋識(shí)別算法原理

2．1 指紋識(shí)別算法

指紋識(shí)別分為以下4個(gè)步驟如圖4所示。

指紋圖像預(yù)處理是最重要的一步，關(guān)系到后面提取的特征點(diǎn)的正確與否。

由于指紋采集設(shè)備的不完善性，對(duì)于干、濕、臟、老化、磨損的指紋，往往難以采集到清晰的圖像，因此需要圖像增強(qiáng)，是指紋圖像預(yù)處理中重要的一步，采用Gabor濾波完成。根據(jù)指紋圖像局部區(qū)域的紋線(xiàn)分布具有較穩(wěn)定的方向和頻率，設(shè)計(jì)相應(yīng)的Gabor帶通濾波器，能有效地在局部區(qū)域?qū)χ讣y進(jìn)行修正和濾噪。Gabor函數(shù)是惟一能達(dá)到時(shí)頻測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系下界的函數(shù)，二維表達(dá)式為：

Gabor函數(shù)是二維高斯函數(shù)在空間頻率域的平移函數(shù)，σx，σy為對(duì)應(yīng)于x方向和y方向的角頻率平移參數(shù)。二維Gabor函數(shù)的實(shí)部和虛部可各自表示為一個(gè)函數(shù)，分別稱(chēng)為偶Gahor和奇Gabor函數(shù)。偶Gahor函數(shù)適于增強(qiáng)目標(biāo)物體，而奇Gabor函數(shù)適于增強(qiáng)物體邊緣。

Gabor濾波器系數(shù)分量為：

式中：x=mcosφ+nsinφ；y=-msinφ+ncosφ；（i，j）為當(dāng)前點(diǎn)的坐標(biāo)，φ為當(dāng)前點(diǎn)（塊）的方向，f為當(dāng)前塊（整體）的正弦平面波的頻率；（m，n）取值范圍與指紋圖像的坐標(biāo)（i，j）取值范圍相同。σx，σy增大，對(duì)噪聲的適應(yīng)能力增強(qiáng)，但有可能會(huì)產(chǎn)生偽紋線(xiàn)；減小，消除噪聲的作用減弱。

對(duì)于每一點(diǎn)，根據(jù)其方向、頻率，求出Gabor濾波器系數(shù)，然后根據(jù)式（3）計(jì)算當(dāng)前點(diǎn)濾波后的值：

從圖5可很明顯地看出，經(jīng)過(guò)Gabor濾波處理后，圖像對(duì)比增強(qiáng)，紋理清晰，特征明顯，提高了后續(xù)提取指紋特征點(diǎn)的正確率。

2．2 指紋識(shí)別模塊的通信協(xié)議

指紋識(shí)別模塊作為從設(shè)備，通過(guò)串口，由主芯片ATmega162發(fā)送相關(guān)命令對(duì)其進(jìn)行控制。

命令接口：19200b／s 1起始位1停止位（無(wú)校驗(yàn)位）。

主芯片發(fā)送的命令及指紋模塊的應(yīng)答數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為8 B，數(shù)據(jù)格式如下：

CMD：命令／應(yīng)答類(lèi)型；P1．P2，P3：命令參數(shù)；Q1，Q2，Q3：應(yīng)答參數(shù)；CHK：校驗(yàn)和，為第2字節(jié)到第6字節(jié)的異或值；Q3用于返回操作的有效性信息，表示操作是否成功，數(shù)據(jù)是否存在，采集指紋超時(shí)等。

3 、程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)從睡眠狀態(tài)啟動(dòng)時(shí)，首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，然后進(jìn)入正常工作狀態(tài)，如圖6所示。

轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械鎖上的金屬轉(zhuǎn)接口會(huì)改變單片機(jī)ATmega162的P4．5的狀態(tài)。開(kāi)啟金屬轉(zhuǎn)接口，單片機(jī)ATmega162處理來(lái)自機(jī)械鎖發(fā)送的信息；關(guān)閉金屬轉(zhuǎn)接口，單片機(jī)ATmega162處理來(lái)自電子鎖上指紋識(shí)別模塊或鍵盤(pán)的信息。

系統(tǒng)還開(kāi)啟了兩個(gè)中斷：設(shè)置中斷和匹配中斷。匹配中斷就是電子鎖和指定的機(jī)械鎖進(jìn)行匹配，只接收來(lái)自指定的機(jī)械鎖發(fā)出的信息；設(shè)置中斷就是指紋和密碼的管理。

3．1 匹配中斷

匹配中斷是鏈接多特征電子機(jī)械鎖兩個(gè)部分的前提，初次安裝電子機(jī)械鎖必須進(jìn)行匹配中斷。在開(kāi)啟該中斷前，必須沒(méi)置好正確鑰匙。匹配中斷為外部中斷，通過(guò)按下控制系統(tǒng)模塊上的匹配鍵，進(jìn)入匹配中斷如圖7所示。

3．2 設(shè)置中斷

設(shè)置中斷分為兩種模式：普通模式和特殊模式。特殊模式就是利用正確鑰匙管理指紋和密碼，如圖8所示。

多特征電子機(jī)械鎖添加了鑰匙管理指紋和密碼的功能，目前的指紋鎖并不具備該功能。當(dāng)沒(méi)有管理員指紋，而密碼忘記的情況下，該鎖可以用正確鑰匙進(jìn)行指紋和密碼的添加和刪除，給用戶(hù)帶來(lái)了方便。

4、 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

超外差發(fā)送和接收模塊之間的通信，由于外界噪聲和系統(tǒng)本身的影響，不是每次都能接收到如圖3的信息，可能會(huì)出現(xiàn)通信錯(cuò)誤的情況，為此進(jìn)行可靠性測(cè)試實(shí)驗(yàn)。

用示波器精確測(cè)量超外差接收模塊上的波形的時(shí)序，調(diào)整代碼，使偵測(cè)點(diǎn)落在高電平的中間；仔細(xì)計(jì)算延時(shí)函數(shù)，確保時(shí)間的準(zhǔn)確性。在實(shí)際調(diào)試過(guò)程中，進(jìn)行了5組的實(shí)驗(yàn)，每組的測(cè)試條件都不同，如溫度、環(huán)境噪聲等，每組測(cè)試100次，共計(jì)500次的測(cè)試，只出現(xiàn)了2次沒(méi)有正確識(shí)別鑰匙的情況，可靠性達(dá)到99．6％，具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

5 、結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的電子機(jī)械鎖，巧妙利用超外差發(fā)送和接收模塊，把兩個(gè)相對(duì)獨(dú)立的部分鏈接起來(lái)。整個(gè)系統(tǒng)以單片機(jī)ATmega162為核心，直接控制指紋識(shí)別模塊和鍵盤(pán)，并通過(guò)超外差發(fā)送和接收模塊，間接控制機(jī)械鎖部分。多特征電子機(jī)械鎖不僅可以用管理員指紋和密碼管理用戶(hù)信息，還可以使用正確鑰匙管理用戶(hù)信息，目前市場(chǎng)上還沒(méi)有具備該功能的鎖出現(xiàn)。該鎖功能強(qiáng)大，給用戶(hù)帶來(lái)了方便和快捷的同時(shí)，安全性也得到大大提高。

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