基于指纹识别技术的防盗系统设计

机 电 一 体 化 系 统 课 程 大作 业基于指纹识别技术的防盗系统设计专 业 _ _班 级 _ _姓 名 _ _指导教师 _ _ _提交日期 _年_月_日基于指纹识别技术的防盗系统设计【摘 要】 本文介绍了指纹防盗系统的开发背景和意义，简单介绍了一些国内外常见的指纹识别装置和指纹识别密码锁，并指出了当前指纹识别控制系统存在的问题。本设计以 STM-32 为开发平台进行了系统的总体结构设计，阐述了系统的软、硬件组成，并重点探讨了指纹识别模块、键盘模块、LCD 液晶显示模块和报警模块等几个主要功能模块的设计与实现。系统的集成与调试是本次设计的关键，在调试过程中对于指纹模块指纹的采集与识别指令的学习与应用，TFT 彩屏显示各种状态。系统先要初始化，然后在密码正确的情况下，实现指纹的录入，修改，等等功能，防盗系统可以在密码下解锁，也可以在指纹识别通过下解锁。整个系统经过调试，指纹识别、TFT 屏显示和报警等功能可以基本达到设计要求关键词 指纹识别；STM32 单片机；指纹密码锁；彩屏显示前 言人类手指的前端有凹凸不平的皮肤，这些皮肤相互交织形成纹路，这便是指纹。人的指纹各不相同，形状各异，主要是由于纹路上的断点和交叉点的不同。现在有科学的依据可以证明，指纹的重复率非常非常的低，因此指纹就具备了识别不同人的功能了。科学的大发展，也带动了指纹识别技术爆炸式的大发展，指纹门锁，保险柜，指纹打卡，登记，这样的应用越来越多，也与我们的生活越来越联系紧密。中国的制造业在向高端转型，现在制造技术使得我们能够生产各种各样的传感器。指纹与传感器的结合就诞生了指纹模块。指纹的复杂程度保证了它与现在信息技术结合后的安全性，信息的安全对我们来说特别重要，现在在网上不乏因为信息的泄露而造成重大财产损失的报告，因此指纹密码防盗系统的研究就具有了重大的的现实意义。1 指纹识别的原理与现状指纹识别技术其实是属于模式识别的范畴它通过我们的数学知识进行算法设计，然后给出判定，确定两枚指纹特征的相似度。主要通过指纹特征分析和匹配两个过程进行实现。其中指纹特征分析是对指纹采集之后的图像的整体特征和细节特征进行提取和鉴别，主要对细化图端点和交叉点进行处理。匹配分为局部和整体两个部分的匹配，局部的匹配重要的是关注指纹的细节处的一些特殊状况，具体表示的状态，这些状态我们可以用坐标，纹线的曲率，还有方向度和梯度等等，对整体的匹配主要还是在全局的关注上，指纹的整体是有一个形状的，有的指纹是椭圆形的圈，有的指纹是一个箕线形的，指纹的大小，指纹线的疏密等等，都是一些重要的特征，都是不同指纹相互区别的依据，也有一些匹配是根据拓扑关系进行比对和匹配。其中特征点的匹配现在采有线长度的匹配、三角形边长匹配以及点类型匹配。2 系统设计总体要求指纹防盗系统的毕业设计是以 STM32 开发板为开发平台，配合 FM-180 指纹识别模块和开发板上的 2.8 寸 TFT 彩色 LCD 液晶显示屏幕，利用 keil4.0 开发软件环件开发，通过软硬件模块的整合和控制模拟实现控制指纹密码锁，熟悉数据的读写功能实现。指纹识别采用专用的指纹识别模块，同时结合键盘自主设置密码，系统可以实现密码重置、按键解锁、指纹解锁、LCD 屛状态显示、语音提示以及控制报警等功能。用户可以将按键密码锁和指纹锁结合起来使用或将指纹锁单独使用，实现住宅门禁和汽车等需要防盗的设施或设备的防盗系统设计。一、设计的具体功能要求如下：1、通过按键输入密码，比对设置的密码，若输入正确，在按键 1 可以解锁，若此时按复位键可以清除密码，然后重新输入密码 2、密码正确后按键 2 控制指纹录入模式，这时可以录入指纹； 3、录入模式下继续检测到指纹模块上有指纹信息能够继续录入指纹，并对每次 录入的指纹进行编号；4、密码正确按 3 可进去指纹识别，若在识别模式下，检测到指纹模块下指纹与录入的指纹相同则显示屏显示识别成功，并自动解锁；若是识别不成功，则显示识别失败，不解锁，此时内部程序记录一次失败；5、蜂鸣器针对成功或失败不同结果下发出不同间隔和次数的蜂鸣，若失败三次发出长时间的蜂鸣；6、在 LCD 上显示录入的状态和系统工作的状态，比如录入，识别，开锁，识别正确等等；LCD 显示不同的模式以及录入和识别成功或失败不同结果进行显示。二、开发工具这次的毕业设计的主控核心用的是 STM32，自己有一块开发板，所以所有的设计都是在这个开发板上实现的，开发板自带一个 TFT的彩屏显示模块，我就直接借用了，指纹模块我通过查阅资料决定选用 FM-180 指纹模块，这个模块的 DSP 核心处理很先进，能给工作带来便利，语音模块用一个简单的蜂鸣器，通过分蜂鸣器发出不同频率的声音来报警。一个好的编译环境是很重要的，能够检测出编译上的错误，提高编译的准确性，这次我选的编译环境是最主流的 kiel4.0,串口调试和系统仿真在 Jlink 上实现。Jlink 是一款很强大的仿真软件，应对 STM32 的仿真能够得心应手。2.2 硬件总体结构设计本系统的硬件由以下几个部分组成（如图 2.1）：图 2.1 系统硬件结构图指纹FM-180 指纹识别模块主控器键盘模块LCD 液晶显示模块 报警模块本系统的硬件如上图所示，主要的程序在 STM32 单片机中，单片机会按照程序按照编写的程序发送不同的指令，相应的指令发给指纹模块，显示模块和报警模块，显示模块收到主控指令显示相应的字，指纹模块收到 4*4 的键盘模块的输入值执行相应的动作，TFT 彩屏显示器显示各种相应的状态，蜂鸣报警器发出声音报警， 指纹通过 FM-180 指纹识别模块采集处理；并将处理后的指纹特征值等以数据包的形式发给主控模块；主控模块发送指令包对 FM-180指纹识别模块进行控制以及对键盘模块、报警模块、LCD 液晶显示模块进行控制。在 LCD 液晶显示屏上显示录入和识别成功的指纹号码。报警模块中以开发板自带的蜂鸣器为主，在不同的状态和结果下进行不同间隔和次数的蜂鸣。键盘模块可以输入密码，初步设置4 位数的密码，密码可以用来解锁，在密码输入正确的状态下，然后按照输入不同数对应调取不同的程序，实现不同的功能。2.3 软件总体结构设计本系统的软件由以下几个部分组成（如图 2.2）：图 2.2 系统软件结构图由系统软件机构图可以看出，以 STM32 单片机作为系统的核心，通过编写好的程序对其他模块进行相应的控制，实现数据的发送，接收还有存储。按键模块实现的是密码数字的输入，以及指纹识别主要接收主控制器的指令并发送数据给主控制器并且对输入指纹进行采集处理。显示屏显示各个状态特别是录入的指纹号和识别的指纹号，还有对相应的状态进行显示。按键主要实现密码输入、重置，功能切换，指纹录入、清除三个功能。报警程序以蜂鸣器为主，通过驱动程序实现不同状态下不同次数和间隔的蜂鸣。3.1 指纹识别模块设计与实现指纹识别模块选用 FM-180 指纹识别设备实现，FM-180 采用光学指纹传感器，由高性能 DSP 处理器和 flash 等芯片构成。供电电压 3.6-6.0V，供电电流小于 120mA，匹配方式有比对方式（1：1）和搜索方式（1：N）指纹识别模块与 STM32 的 CPU 进行串行通讯时，通过外部引脚与 STM32 开发板相连接。指纹识别模块的引脚定义如表 3.1 所示：表 3.1 指纹识别模块引脚定义表引脚号码名称 类型 功能描述1 Vin 输入 电源正输入端2 TD 输出 串行数据输出。TTL 逻辑电平。3 RD 输入 串行数据输入。TTL 逻辑电平。4 GND 信号地。内部与电源地连接。从上面的表可以知道该指纹模块只有四个接口，数据的通讯方式是串行通讯，本次设计的开发板板载的 USB 串口和STM32F103ZET6 的串口是通过单片机的 P6 口连接起来的。通过PA9 和 PA10 接口与外部设备连接就能实现和外部设备的串行通信。串口 1 选择接口原理图如图 3.2 所示：图 3.2 STM32 的 USB 串口/串口 1 选择接口图RXD 接口与开发板的 PA9 口连接，TXD 与开发板的 PA10 口连接。这样连接就可以实现 FM-180 与 STM32 进行数据串口通信。这样 STM32 的 CPU 就能通过串口 1 的 PA10 口对指纹识别模块发送规定格式的命令包，就能实现对外部的指纹识别设备的控制操作，让外部指纹识别设备完成指纹的采集、存储、识别等功能。该指纹模块中的 flash 是一个具有 512 字节的存储区域，能够存储采集中同一个指纹的两个特征值的合并之和。CPU 通过读或者写外部指纹设备寄存器来调取或者存储不同的配置状态以及指纹图像特征值。外部指纹识别设备也能够通过串口 1 的 PA9 口对接收到的指令发出应答，并以数据包的形式发送给 STM32 的 CPU，完成指令应答。通过串口 1 的数据通信，就能实现 STM32 的 CPU 与外部指纹识别设备数据交互，实现控制与反馈，也就是可以完成指纹的录入和识别。3.2 LCD 液晶显示模块设计与实现LCD 显示模块选用与战舰 STM32 配套的 2.8 寸 TFT 液晶显示屏实现，与主板的 TFTLCD 模块接口相接。 FTLCD 模块接口如图 3.4所示:图 3.3 2.8 寸 TFTLCD 模块接口图从上图我们可以清晰的看出，TFTLCD 彩屏显示模块的数据是 16 位的，对外通讯方式是 16 位并行数据发送，并行通讯，数据传输快，数据一次通讯传输的多，这同样也是 TFT 显示屏的优点。其中 CS 接片选信号，当片选信号是高电平，则表明该块 TFT 屏被选中，可以正常工作，反之为低电平时，则不工作。WR 写入数据端口，但是该端口是个低电平端口，当外接低电平时，允许 DB 数据端口并行写入数据。RD 是读取数据端口，它和 WR 端口刚好不同，是一个高电平有效的端口