通过采用单片机和指纹识别模块实现电子机械锁的设计

出处:电子产品世界 发布于:2020-02-27 14:10:02

  引言
随着生活水平的提高,人们对物质生活的要求越来越高,尤为注重住宅安全问题。随着生物特征识别技术的发展,指纹识别技术逐渐进入人们的生活领域,指纹锁进入了人们的家庭。常见的指纹锁,需要管理员指纹或者管理员密码,才能进行指纹和密码的添加和删除操作。本文设计的电子机械锁,具有上述功能,还可以用正确钥匙管理指纹和密码。
常见的指纹锁配备的机械锁,可使用普通的正确钥匙打开,安全级别较低,很容易被专业人员破解。本文设计的基于PIC16F72的机械锁,配套的钥匙内置编码芯片,能够设置正确钥匙以及发送钥匙编码信息,只有用正确钥匙才能打开,不能被铁丝或其他非法钥匙打开,安全性大大提高。在非法开门的情况下,机械锁发送报警信息。
1 、系统设计方案
电子机械锁,分为电子锁和机械锁这两个部分。电子锁以单片机ATmega162为核心,通过指纹识别模块,完成了对指纹管理的操作;通过键盘,完成密码管理的操作;通过超外差接收模块,能够接收来自机械锁的钥匙编码信息,完成与机械锁的通信。
机械锁以PIC单片机PIC16F72为核心,获取钥匙编码信息,经超外差发送模块发送。超外差发送和接收模块的工作频率在433 MHz,PCB布线时注意超外差模块,远离其他器件,不然会影响系统的工作状态。另外,该系统要求体积小,供电方便,整个系统的功耗要尽量低。
1.1 电子锁框图

电子锁主体为AVR单片机ATmega162、指纹识别模块、超外差接收模块、12 V电子锁驱动、门锁、键盘、按键和指示灯等,如图1所示。指纹识别模块型号为:TFS-M12,采用TI的DSP芯片TMS320VC5501,指纹算法采用TFS-9。稳定快速的芯片以及优良的指纹算法,不仅提高了整个系统的识别率以及缩短了识别时间,而且大大缩短了整个系统的研发时间。

电子锁在不使用的时候,处于睡眠状态。用户打开指纹识别模块上的金属防尘罩时,产生唤醒信号,电子锁进入正常工作状态。
正常工作状态下,电子锁支持两种开门方式:指纹开门和输入密码开门。指纹采集头上输入指纹,指纹识别模块将当前指纹与已存指纹进行比较,单片机ATmega162接收到比较结果,若正确产生开门信号,经12 V电子锁驱动,打开门锁。键盘输入密码,单片机ATmega162将当前输入密码和用户设置的正确密码进行比较,若正确产生开门信号,经12 V电子锁驱动,打开门锁。输入指纹和密码的机会共3次,若3次都错误,系统进入睡眠状态。
1.2 机械锁框图
机械锁主体为PIC单片机PIC16F72、超外差发送模块、设置键、指示灯等,如图2所示。设置正确钥匙步骤:按下设置键,指示灯常亮,插入需要设置的钥匙,等待指示灯有规律的闪烁3下,设置成功;设置完成后用正确钥匙开门1次,恢复正常使用状态。当插入错误钥匙或者是铁丝等非法钥匙时,指示灯会快速闪烁,并通过超外差发送模块发送报警信息。
通过采用单片机和指纹识别模块实现电子机械锁的设计为了降低整个系统的功耗,机械锁在不使用时,处于不工作状态。在安装机械锁的时候,会在机械锁的锁芯安装一个金属转接口,该金属转接口连接了电子锁的防尘罩,转动金属转接口,不仅给机械锁供电使之进入正常工作状态,还唤醒电子锁,让电子锁进入正常工作状态。转动金属转接口,还使得电子锁中的单片机ATmega162第4口的第5位(即P4.5)变成高电平,电子锁只处理来自机械锁发出的信息。
机械锁正常工作状态时,插入钥匙,单片机PIC16F72会识别钥匙的编码,若正确,则打开锁芯上的阀,可以转动钥匙开门,若错误则发送错误钥匙信息,锁芯的阀依旧关闭,不能开门,从而保证了,用户的安全。
1.3 电子锁和机械锁的通信

电子锁和机械锁之间的通信是通过超外差发送和接收模块完成。机械锁发送如图3所示的信息,每位数据宽度为1 ms。由于噪声的影响,单片机ATmega162只能通过查询方式接收。

前导码是由23位数据组成。数据码由FAH码、地址码以及KEY码组成,每个数据码有10位,分别由8位数据、起始位(1)和结束位(0)组成。
地址码就是机械锁的识别码,识别码是惟一的,每次读取KEY码,都会将当前地址码和存储的地址码进行比较,若相同才能读取KEY码,因此不会接收来自其他用户的锁发出的信息。
KEY码就是钥匙的编码,每个钥匙的编码是惟一的,因此可以记录用户家庭成员的开门信息,方便用户查询。电子机械锁应用在办公场合时,若发生偷窃情况,可以查询最近的开门信息,来确定怀疑对象;也可以查询特殊钥匙开门情况,比如保姆工作的具体时间。若发生非法开门时,KEY码为0x00,接收到该KEY码时,产生报警信号。
2、 指纹识别算法原理
2.1 指纹识别算法

指纹识别分为以下4个步骤如图4所示。

通过采用单片机和指纹识别模块实现电子机械锁的设计指纹图像预处理是最重要的一步,关系到后面提取的特征点的正确与否。

由于指纹采集设备的不完善性,对于干、湿、脏、老化、磨损的指纹,往往难以采集到清晰的图像,因此需要图像增强,是指纹图像预处理中重要的一步,采用Gabor滤波完成。根据指纹图像局部区域的纹线分布具有较稳定的方向和频率,设计相应的Gabor带通滤波器,能有效地在局部区域对指纹进行修正和滤噪。Gabor函数是惟一能达到时频测不准关系下界的函数,二维表达式为:

通过采用单片机和指纹识别模块实现电子机械锁的设计Gabor函数是二维高斯函数在空间频率域的平移函数,σx,σy为对应于x方向和y方向的角频率平移参数。二维Gabor函数的实部和虚部可各自表示为一个函数,分别称为偶Gahor和奇Gabor函数。偶Gahor函数适于增强目标物体,而奇Gabor函数适于增强物体边缘。

Gabor滤波器系数分量为:

通过采用单片机和指纹识别模块实现电子机械锁的设计式中:x=mcosφ+nsinφ;y=-msinφ+ncosφ;(i,j)为当前点的坐标,φ为当前点(块)的方向,f为当前块(整体)的正弦平面波的频率;(m,n)取值范围与指纹图像的坐标(i,j)取值范围相同。σx,σy增大,对噪声的适应能力增强,但有可能会产生伪纹线;减小,消除噪声的作用减弱。

对于每一点,根据其方向、频率,求出Gabor滤波器系数,然后根据式(3)计算当前点滤波后的值:

从图5可很明显地看出,经过Gabor滤波处理后,图像对比增强,纹理清晰,特征明显,提高了后续提取指纹特征点的正确率。

2.2 指纹识别模块的通信协议
指纹识别模块作为从设备,通过串口,由主芯片ATmega162发送相关命令对其进行控制。
命令接口:19200b/s 1起始位1停止位(无校验位)。
主芯片发送的命令及指纹模块的应答数据长度为8 B,数据格式如下:
通过采用单片机和指纹识别模块实现电子机械锁的设计CMD:命令/应答类型;P1.P2,P3:命令参数;Q1,Q2,Q3:应答参数;CHK:校验和,为第2字节到第6字节的异或值;Q3用于返回操作的有效性信息,表示操作是否成功,数据是否存在,采集指纹超时等。
3 、程序设计
系统从睡眠状态启动时,首先进行系统初始化,然后进入正常工作状态,如图6所示。
通过采用单片机和指纹识别模块实现电子机械锁的设计转动机械锁上的金属转接口会改变单片机ATmega162的P4.5的状态。开启金属转接口,单片机ATmega162处理来自机械锁发送的信息;关闭金属转接口,单片机ATmega162处理来自电子锁上指纹识别模块或键盘的信息。
系统还开启了两个中断:设置中断和匹配中断。匹配中断就是电子锁和指定的机械锁进行匹配,只接收来自指定的机械锁发出的信息;设置中断就是指纹和密码的管理。
3.1 匹配中断
匹配中断是链接多特征电子机械锁两个部分的前提,初次安装电子机械锁必须进行匹配中断。在开启该中断前,必须没置好正确钥匙。匹配中断为外部中断,通过按下控制系统模块上的匹配键,进入匹配中断如图7所示。
通过采用单片机和指纹识别模块实现电子机械锁的设计3.2 设置中断
设置中断分为两种模式:普通模式和特殊模式。特殊模式就是利用正确钥匙管理指纹和密码,如图8所示。
通过采用单片机和指纹识别模块实现电子机械锁的设计多特征电子机械锁添加了钥匙管理指纹和密码的功能,目前的指纹锁并不具备该功能。当没有管理员指纹,而密码忘记的情况下,该锁可以用正确钥匙进行指纹和密码的添加和删除,给用户带来了方便。
4、 实验结果与分析
超外差发送和接收模块之间的通信,由于外界噪声和系统本身的影响,不是每次都能接收到如图3的信息,可能会出现通信错误的情况,为此进行可靠性测试实验。
用示波器精确测量超外差接收模块上的波形的时序,调整代码,使侦测点落在高电平的中间;仔细计算延时函数,确保时间的准确性。在实际调试过程中,进行了5组的实验,每组的测试条件都不同,如温度、环境噪声等,每组测试100次,共计500次的测试,只出现了2次没有正确识别钥匙的情况,可靠性达到99.6%,具有实际应用价值。
5 、结语
本文设计的电子机械锁,巧妙利用超外差发送和接收模块,把两个相对独立的部分链接起来。整个系统以单片机ATmega162为核心,直接控制指纹识别模块和键盘,并通过超外差发送和接收模块,间接控制机械锁部分。多特征电子机械锁不仅可以用管理员指纹和密码管理用户信息,还可以使用正确钥匙管理用户信息,目前市场上还没有具备该功能的锁出现。该锁功能强大,给用户带来了方便和快捷的同时,安全性也得到大大提高。

关键词:单片机指纹识别

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