張團(tuán)龍 付磊★ 王鵬

（1.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)理學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051；2.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)招生就業(yè)處，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051）

0 引言

近幾年，人們的生活質(zhì)量日漸提高，安全意識(shí)也在逐步地提高[1]，人們對(duì)門鎖的要求越來越高，傳統(tǒng)的門鎖已經(jīng)無法滿足人們的需求，各種智能門鎖如雨后春筍一般涌現(xiàn)出來，得益于指紋匹配算法性能的提高，指紋門鎖在智能鎖中的應(yīng)用變得更加廣泛。研究表明指紋在我們的一生中都是一樣的，隨著年齡的增長(zhǎng)，即使手指變大或者變小，但指紋永遠(yuǎn)不會(huì)發(fā)生任何變化，因此指紋的唯一性滿足了人們?cè)诎卜佬阅芊矫娴囊蟆?/p>

王瑞琦[2]等人采用ARM架構(gòu)STM32芯片微處理器進(jìn)行控制，利用密碼識(shí)別與指紋識(shí)別雙重保險(xiǎn)進(jìn)行指紋鎖的設(shè)計(jì)。徐廣宇[3]等人采用STC系列芯片作為指紋鎖的主控，這種指紋鎖相較于ARM為控制芯片的指紋鎖系統(tǒng)成本更低，更適合大規(guī)模生產(chǎn)。目前市場(chǎng)上的指紋鎖主要應(yīng)用在高端的場(chǎng)所中，中低端的應(yīng)用產(chǎn)品較少，然而中低端的市場(chǎng)是巨大的，因此非常有必要開發(fā)一款性價(jià)比高的指紋門鎖。本文提出一種集成度較高，并且通過手機(jī)APP管理的指紋鎖系統(tǒng)，兼顧密碼與指紋雙重識(shí)別，設(shè)置分級(jí)管理機(jī)制，提高指紋鎖的安全性。黃慧靈[4]等人提出一款基于STC89C52單片機(jī)的指紋鎖系統(tǒng)，硬件主要搭載識(shí)別電路、鍵盤矩陣電路、顯示電路、報(bào)警電路。陳新芬[5]等人不僅僅設(shè)計(jì)了嵌入式的指紋密碼鎖，并且運(yùn)用Proteus對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了仿真，測(cè)試了系統(tǒng)的安全性和可靠性。陳鈺聞[6]等人針對(duì)傳統(tǒng)機(jī)械鎖、卡片鑰匙式電子密碼鎖等存在的問題，提出基于單片機(jī)的以指紋和密碼鎖共同控制的指紋鎖，使系統(tǒng)更加安全、便捷和智能化。黃楚[7]等人將光伏發(fā)電與指紋鎖相結(jié)合，然后制作了樣品并且進(jìn)行了仿真測(cè)試，結(jié)果表明：這類具有光伏發(fā)電功能與指紋識(shí)別功能的密碼鎖的穩(wěn)定性良好，在移動(dòng)設(shè)備或在可接受太陽(yáng)光直射的場(chǎng)合使用，能夠減少對(duì)供電設(shè)備的需求，使用更加便捷。王煉紅等人為了解決指紋鎖具有高性能卻無法低功耗的矛盾，提出一種新的架構(gòu)，基于雙核的嵌入式系統(tǒng)，相對(duì)比現(xiàn)有設(shè)計(jì)方案來說, 具備更低的功耗以及更高的性能。

1 設(shè)計(jì)方案

首先對(duì)指紋鎖系統(tǒng)進(jìn)行電路的設(shè)計(jì)，然后我們使用AltiumDesigner設(shè)計(jì)了電路原理圖并繪制出PCB圖紙，使用KeiluVision4進(jìn)行程序的開發(fā)，然后使用Proteus7.0進(jìn)行電路的仿真，并且設(shè)計(jì)手機(jī)APP，通過手機(jī)APP與藍(lán)牙模塊進(jìn)行通信，控制整個(gè)系統(tǒng)的指紋錄入與刪除。當(dāng)開門的人輸入指紋時(shí)，嵌入式系統(tǒng)開始工作，STC8A單片機(jī)對(duì)預(yù)存的模塊信息進(jìn)行同步的處理。

2 結(jié)構(gòu)與功能

2.1 功能描述

系統(tǒng)共有兩種工作模式：（1）用戶訪問模式；（2）管理員模式。在用戶訪問模式下，用戶通過APP將自己的指紋進(jìn)行采集和錄入，錄入指紋后可以通過APP進(jìn)行指紋的重命名，同時(shí)還可以通過APP進(jìn)行密碼開鎖，當(dāng)指紋匹配或者密碼成功，LED指示燈亮起，舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，拉動(dòng)門閂；相反，未經(jīng)過授權(quán)的用戶，輸入指紋，無法匹配成功，蜂鳴器響起。在管理員的模式下，可以通過手機(jī)APP進(jìn)行指紋的錄入、刪除，同時(shí)還可以修改管理員登陸密碼，手機(jī)APP的使用讓指紋鎖的體積減小，提高了指紋鎖的安全性，使指紋鎖更加人性化。

2.2 系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

3 硬件設(shè)計(jì)

3.1 主控芯片

本指紋鎖系統(tǒng)使STC8A8K64S4A12芯片作為主控芯片（圖1），該系列單片機(jī)工作電壓為2.0～5.5V，相比STC15系列增加了I2C接口，并且ADC增加3個(gè)引腳（AVcc、Agnd、AVref）提高采集精度，擁有四路串口，9個(gè)定時(shí)器，12路PWM，1路II2C串行總線，具有內(nèi)部晶振。我們使用Altium Designer設(shè)計(jì)了電路原理圖并繪制出PCB圖紙，如圖2所示。

圖2 芯片原理圖

3.2 指紋模塊

傳感器使用了乙木F1020SC電容半導(dǎo)體指紋模塊，F(xiàn)1020SC模塊通過串口與主控進(jìn)行通信。

對(duì)于電容式指紋傳感器，運(yùn)用的原理是平板電容器的電容公式：

在傳感器上有無數(shù)面積S相同的小的電容器極板，當(dāng)手指貼上傳感器，皮膚表面與傳感器上的電容器極板一一匹配，每個(gè)平板電容器的電容值都不同，量級(jí)在幾百pF。而這個(gè)電容值僅僅取決于傳感器上的極板到指紋表面的距離d。貼在指紋嵴上的電容距離小而電容大，貼在溝上的電容器距離大而電容小。此時(shí)，傳感器將給所有的電容充電，所有的電容都達(dá)到預(yù)先設(shè)計(jì)好的電壓值，然后開始用標(biāo)準(zhǔn)放電電流進(jìn)行放電。指紋脊和谷下電容放電的速度不同，脊對(duì)應(yīng)電容放電速度快，谷對(duì)應(yīng)電容放電速度慢，利用采樣電路對(duì)放電率進(jìn)行檢測(cè)，然后輸出一個(gè)8位信號(hào)，由于脊和谷具有較高的敏感性，原始指紋圖像形成效果良好（圖3）。

圖3 指紋采集原理

3.3 藍(lán)牙模塊

JDY10M（圖4紅色區(qū)域）的工作頻段為2.4GHz范圍，調(diào)制方式為GFSK，最大發(fā)射功率為8dB,最大發(fā)射距離為50m，具有功耗低、尺寸小、信號(hào)強(qiáng)、數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定的特性，可以通過串口（SPI、IIC）和MCU控制設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。本系統(tǒng)采用了其中的串口作為MCU和用戶手機(jī)APP之間的通信方式，較之于SPI、IIC通信，所依賴的引腳數(shù)量更少、消耗MCU的資源更少，進(jìn)而有利于將MCU算力分配給系統(tǒng)控制上。

圖4 藍(lán)牙模塊

3.4 舵機(jī)模塊

舵機(jī)負(fù)責(zé)拉住門鎖，收到由單片機(jī)接收到的信號(hào)，機(jī)臂拉伸打開門，舵機(jī)控制如圖5所示。本文中所使用舵機(jī)型號(hào)為SG90，力矩為1.5kg/cm，工作電壓為4.2～6V。舵機(jī)控制信號(hào)周期是20ms脈沖寬度調(diào)制信號(hào)（PWM），脈沖寬度范圍是0.5～25ms，對(duì)應(yīng)的舵盤位置是0～180度，表示線性變化。也就是說，當(dāng)向舵機(jī)施加一定的脈沖寬度時(shí)，輸出軸保持一定的角度。不管外部扭矩如何變化，在供給其他脈沖信號(hào)之前，輸出角度不會(huì)變化到新的對(duì)應(yīng)位置。舵機(jī)內(nèi)有用于生成周期20ms、寬1.5ms的脈沖信號(hào)的基準(zhǔn)電路和用于比較外部信號(hào)和基準(zhǔn)信號(hào)來評(píng)估產(chǎn)生舵機(jī)旋轉(zhuǎn)信號(hào)的大小和方向的比較器。單片機(jī)通過程序控制PWM信號(hào)的輸出，降低了整個(gè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，提高了程序的可維護(hù)性。不僅便于后續(xù)產(chǎn)品的重復(fù)更新，同時(shí)PWM輸出相對(duì)穩(wěn)定，舵機(jī)可以在各種復(fù)雜條件下控制門的開關(guān)。

圖5 舵機(jī)模塊

3.5 報(bào)警模塊

蜂鳴器報(bào)警模塊主要部分：蜂鳴器、三極管、限流電阻三個(gè)部分。本文所采用的蜂鳴器為無源式蜂鳴器(圖6)，相比于有源蜂鳴器，無源蜂鳴器由于其是由電位控制從而避免了因PWM波不穩(wěn)定導(dǎo)致的發(fā)聲頻率紊亂。當(dāng)J7端有一個(gè)高電平進(jìn)入時(shí)，PNP三極管TP1截止，蜂鳴器不通電；當(dāng)J7端進(jìn)入一個(gè)低電平時(shí)，PNP三極管TP1導(dǎo)通，蜂鳴器通電，并發(fā)出聲音。圖中通過電阻R2和PNP三極管TP1進(jìn)行電流放大，從而驅(qū)動(dòng)蜂鳴器。電阻R1是一個(gè)上拉電阻，阻止蜂鳴器誤發(fā)聲；當(dāng)BEEP引腳輸出低電平時(shí)，PNP三極管導(dǎo)通，蜂鳴器發(fā)聲；反之當(dāng)BEEP引腳輸出高電平時(shí)，PNP三極管截止，蜂鳴器不發(fā)聲。

圖6 蜂鳴器原理圖

4 軟件設(shè)計(jì)

圖7為利用App Inventor開發(fā)平臺(tái)進(jìn)行APP制作的成果。Google App Inventor用戶能夠通過該工具軟件使用谷歌Android系列軟件自行研發(fā)適合手機(jī)使用的任意應(yīng)用程序。本上位機(jī)程序主要是基于APP Inventor的第一版本的配置文件，其底層文件主要是適配于安卓6.0以上的安卓手機(jī)，而目前安卓用戶的安卓版本大多數(shù)在6.0之上，因此依托該平臺(tái)開發(fā)的APP具有良好的普適性。在開發(fā)結(jié)構(gòu)上，本APP采用模塊化設(shè)計(jì)：將整個(gè)APP拆解成藍(lán)牙通信部分、人機(jī)交互界面、底層文件三個(gè)部分。通過我們?cè)O(shè)計(jì)的手機(jī)APP，與指紋鎖的藍(lán)牙模塊進(jìn)行連接，完成硬件部分與軟件部分的通信，方便進(jìn)行人機(jī)交互，可以進(jìn)行新用戶指紋注冊(cè)、指紋鎖名稱修改、管理員密碼修改以及直接開鎖等操作。

圖7 APP 功能

5 結(jié)論

基于本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的指紋鎖實(shí)現(xiàn)了在APP上進(jìn)行指紋的采集、錄用、刪除、密碼開鎖和非法用戶使用報(bào)警等功能。相較于其他門鎖有集成度高、體積小、操作簡(jiǎn)單和可拓展性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。我們對(duì)本系統(tǒng)進(jìn)行了綜合性的測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示該指紋鎖識(shí)別效率高且系統(tǒng)相對(duì)穩(wěn)定。在研究指紋鎖系統(tǒng)的過程中，發(fā)現(xiàn)市場(chǎng)上的指紋鎖有很多的問題：指紋的識(shí)別精度低，核心技術(shù)無法獨(dú)立，整體技術(shù)水平低下。因此在未來可以作為物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品，可以通過WIFI模塊與手機(jī)APP進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)指紋鎖的遠(yuǎn)程管理，具有較強(qiáng)的實(shí)用性。