《基于單片機和指紋識別技術的物聯(lián)網(wǎng)智能門禁的設計》10000字【論文】

基于單片機和指紋識別技術的物聯(lián)網(wǎng)智能門禁的設計目錄TOC\t"1st,1,2nd,2,3rd,3"\h2609摘要 I242911.緒論 1312881.1門禁系統(tǒng)的概述 114361.2門禁系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀 2199641.3課題的主要研究內(nèi)容 3279402.系統(tǒng)的總體設計 4161302.1指紋識別技術原理簡介 4130112.2指紋圖像的預處理 5299062.3指紋圖像特征點的提取 724202.4指紋圖像特征匹配 7253093.硬件部分的設計 8233323.1系統(tǒng)硬件設計方案 8177893.2指紋錄入模塊 955093.3STM32單片機模塊 11281613.4顯示電路模塊 119623.5報警電路模塊 1295523.6串口電路模塊 1358634.系統(tǒng)軟件設計 148494.1指紋識別部分的主程序設計 14283414.2藍牙控制系統(tǒng)的設計 15322755.設計實物的測試 17289386.總結與展望 1813277參考文獻 19緒論1.1門禁系統(tǒng)的概述門禁系統(tǒng)是實現(xiàn)未來建筑的智能化設計的必要部分。這里介紹的門禁系統(tǒng)并不是指傳統(tǒng)意義上的門，它更廣泛地拓展為一種通道，不僅限制人也用于限制車輛等。門禁控制器是一個完整門禁系統(tǒng)中最重要的部分，系統(tǒng)中輸入信息、輸出信息數(shù)據(jù)的處理、存儲以及狀態(tài)控制都由它負責；門禁前端通過各類讀卡器和生物識別儀器作為識別設備，同時也承擔對用戶身份信息進行采集的工作。門禁的具體執(zhí)行要靠鎖具來實現(xiàn)，通常選擇是要考慮到自身需求和應用場所。最能體現(xiàn)門禁智能化的地方就是管理軟件，通過一臺電腦進行集中化管理和監(jiān)控，可以自主定義識別方式，將出入信息存檔管理，開拓其他功能。還有一些其它的相關設備，包括出門按鈕，卡片，電源，交換器HUB等[[]楊晶晶.基于STM32的智能門禁系統(tǒng)的設計[D].華北理工大學,2019.[]楊晶晶.基于STM32的智能門禁系統(tǒng)的設計[D].華北理工大學,2019.當前，按照我國門禁系統(tǒng)廣泛采用的三種識別方式和技術原理進行分類，門禁系統(tǒng)可以粗略分為以下三類：（1）密碼式門禁系統(tǒng)：這類門禁系統(tǒng)只需要通過使用者設置獨特的一串數(shù)字，通過判斷輸入的數(shù)字密碼與初始設置數(shù)字密碼是否相同來控制門鎖上的開關。密碼門禁系統(tǒng)安裝成本低，操作非常方便，對使用場合、操作流程要求低。但是其安全性較低，密碼設置過于簡單會導致密碼泄露，密碼設置過于繁瑣則容易忘記。（2）刷卡門禁系統(tǒng)：這類門禁所使用的卡片大致被分為接觸式刷卡和非接觸式刷卡兩種。其中接觸式卡片現(xiàn)仍廣泛應用于高校圖書館，宿舍門禁等場合。接觸卡式門禁卡片與傳統(tǒng)鑰匙一樣容易丟失，而且更容易損壞，由于此類卡片所帶信息太多，丟失后造成不良后果的可能性較大。非接觸式門禁IC卡系統(tǒng)克服掉了其他接觸式卡系統(tǒng)容易出現(xiàn)磨損失效和密碼丟失問題的等種種技術缺點,同時還具有體積小、讀取速度快和卡片信息不會被盜取從而將其安全性大大提高等多種優(yōu)勢，逐漸成為當前智能卡門禁系統(tǒng)的主流。（3）生物識別門禁系統(tǒng)：這類門禁利用人本身所擁有的身體特征獨特之處來建立生物信息數(shù)據(jù)，通過這些數(shù)據(jù)反過來確立身份?，F(xiàn)如今，應用于日常生活中比較常見的生物特征有指紋，面部和虹膜等等。面部與虹膜用到的技術對各方面要求都比較嚴格，面部易于通過裝飾改變而造成識別混亂。指紋利用每個人手指紋路形狀走向不同來區(qū)分身份，不隨年齡和身體形態(tài)改變。這種門禁系統(tǒng)的識別介質來自使用者自身，無需特地攜帶和記憶，安全性非常高，非人為故意偽造情況下的重復幾率非常低。1.2門禁系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀我國在90年代初期開始使用指紋技術實現(xiàn)識別功能。從2000年開始供求關系發(fā)生巨大的變化，隨之而來的相關技術、工具器件和處理方法等一系列相關共性技術成果以及衍生產(chǎn)品得以發(fā)展壯大，這項技術獲得突破的同時也日益蓬勃，發(fā)展道路逐漸產(chǎn)業(yè)化。盡管如此，產(chǎn)品種類依然比較單一，應用場合不夠廣泛。從2004年以后，隨著手機、電腦和儲存設備的迅猛發(fā)展，指紋識別技術才開始進入綜合發(fā)展的階段[[]王瑩.基于指紋識別技術的智能門禁系統(tǒng)的設計[D].天津科技大學,2014.[]王瑩.基于指紋識別技術的智能門禁系統(tǒng)的設計[D].天津科技大學,2014.隨著物聯(lián)網(wǎng)技術和各類識別技術以及大眾對門禁的安全性和智能性的要求的提高，市場中現(xiàn)有的門禁系統(tǒng)種類已經(jīng)非常豐富了。其中常見的生物識別特征技術有人臉、指紋、掌形、掌紋、虹膜以及語言識別等等。應用場合也從公共圖書館，安全性要求高的研究所，電力變電站等場合應用到普通住戶家中。生物特征識別技術可通過以下幾個特點來評判[[][]劉倩穎,劉季.生物特征識別技術在身份驗證領域發(fā)展趨勢[J].電子世界,2020(05):23-24.廣泛性，該生物特征是否可以應用于大眾場合。獨特性，該生物特征與其他個體相似程度。持久性，該生物特征是否隨年齡改變。采集性，該生物特征所需采集技術與場所是否易于實現(xiàn)。性能，該生物特征的精度等性能。接受性，該生物特征作為工具被使用時，大眾接納的接納程度。防偽性，該生物特征是否易于偽造。表1-1為五種市面常見的身份鑒定方式在上文中列舉的幾點參數(shù)方面的比較。表1-1：生物特征參數(shù)比較對上文中的生物識別特征技術的優(yōu)劣性進行比較，得到結論：人臉識別的獨特性與性能較低，虹膜識別的接受性低，語音識別的獨特性、持久性以及防偽性低，掌紋識別和指紋識別這兩種識別方式的持久性、獨特性、采集性、接受性、防偽性均沒有大的弊端和缺點，同時也沒有大的亮點。對于需要應用在大多數(shù)場合，被大多數(shù)人使用的系統(tǒng)，采用指紋識別更易于實現(xiàn)。采用指紋技術也有一些弊端，由于手指摩擦指紋磨損，沾上污染物無法識別指紋或手指受傷等情況時均無法通過指紋識別打開門禁。這時通過物聯(lián)網(wǎng)技術，附加手機APP控制門禁系統(tǒng)，采用高性能的無線收發(fā)傳輸系統(tǒng)HC-06藍牙模塊，實現(xiàn)對手機終端發(fā)送信息的采集[[]徐富強,盧聞州,熊化亮,孫英倫,楊歡,屈笑.基于物聯(lián)網(wǎng)技術的新型智能門鎖設計與實現(xiàn)[J].物聯(lián)網(wǎng)技術,2017,7(08):65-68+71.[]徐富強,盧聞州,熊化亮,孫英倫,楊歡,屈笑.基于物聯(lián)網(wǎng)技術的新型智能門鎖設計與實現(xiàn)[J].物聯(lián)網(wǎng)技術,2017,7(08):65-68+71.1.3課題的主要研究內(nèi)容本課題采用生物識別系統(tǒng)中應用較為廣泛，實現(xiàn)較為簡單的指紋識別，同時考慮到指紋識別無法使用的常見情況，結合物聯(lián)網(wǎng)技術，實現(xiàn)雙重保障。本論文分為六個部分來闡述設計，將各章節(jié)核心內(nèi)容簡要概括如下：第一章（緒論）:主要介紹課題研究背景及意義,概括傳統(tǒng)門禁的弊端,闡述生物識別技術為門禁系統(tǒng)帶來的便利，提出物聯(lián)網(wǎng)技術的加入對指紋門禁的完善與提高，并列舉了本文所做的工作。第二章（系統(tǒng)的總體設計）：通過介紹指紋識別技術的原理，闡述指紋信息的提取、處理和比對方法。第三章（硬件部分的設計）：本章介紹了該系統(tǒng)的硬件部分，內(nèi)容包括STM32單片機模塊，指紋錄入識別模塊，LCD1602顯示模塊，晶振電路報警模塊以及藍牙串口模塊。第四章（軟件部分的設計）：大致分為指紋識別與藍牙控制兩個部分。第五章（設計實物的調(diào)試）：對實物電路板的個功能進行測試觀察，總結系統(tǒng)的功能。第六章（總結與展望）：對整個設計系統(tǒng)的設計思路進行總結，逐條展示各部分功能的實現(xiàn)，最后根據(jù)現(xiàn)有技術反思本設計的不足，列舉提高點。系統(tǒng)的總體設計本設計中的門禁系統(tǒng)主要實現(xiàn)途徑是通過指紋特征識別技術，附加藍牙功能實現(xiàn)手機控制手段。指紋識別技術的途徑，所使用采集的指紋采集工具以及指紋處理算法和流程都影響門禁系統(tǒng)的可靠性和使用性能。下文就將通過分析指紋識別技術的基本原理、指紋圖像的處理流程、指紋的匹配原則來介紹本系統(tǒng)的實現(xiàn)過程。2.1指紋識別技術原理簡介人類的皮膚紋路在形狀、走向和結構具有或大或小的差異，其中指紋就表現(xiàn)為獨特的和終生不變這兩個關鍵的特點，將一個人的身份信息唯一確定且長久有效，一份指紋信息代表一個人的身份證據(jù)，將采集的指紋信息與留存的信息比對，用來鑒別身份。廣泛應用于警察部門對各類犯罪違法嫌疑人身份的精確鎖定,智能手機開機，門禁系統(tǒng)身份的認證等等[[]李穎.基于半監(jiān)督學習的指紋識別方法研究[D].山東大學,2013.[]李穎.基于半監(jiān)督學習的指紋識別方法研究[D].山東大學,2013.采用指紋識別控制門禁系統(tǒng)是眾多生物特征識別技術門禁系統(tǒng)中應用得最廣泛、價格也相對最低廉的、操作起來也很簡便的一種門禁類型。指紋鎖識別指紋主要通過指紋圖像獲取、預處理獲取的圖像、提取紋線信息、標記并提取細節(jié)特征、保存提取數(shù)據(jù)并算法比對[[]田師思.指紋鎖的發(fā)展研究[J].科學技術創(chuàng)新,2020(12):81-82.[]田師思.指紋鎖的發(fā)展研究[J].科學技術創(chuàng)新,2020(12):81-82.圖2-1.指紋識別過程2.2指紋圖像的預處理指紋圖像預處理是為了幫助加強圖像清晰度，得到滿足后續(xù)提取和匹配工作所需要的標準快速準確識別指紋信息。由于采集指紋會受到外界靜電干擾導致圖像明暗度不符合要求，或手指沾有汗?jié)n灰塵使得指紋模糊不清，又或手指接觸傳感器不均壓力過小出現(xiàn)紋路斷裂不完整的情況。這個過程就是要處理噪音污染產(chǎn)生的影響、圖案殘缺獲取不完整、甚至無法識別等問題。此環(huán)節(jié)通常包含對圖像進行去噪處理、增強可識別性、增強清晰度等部分，對于應用場景的差異，對指紋圖像有高低不同的質量要求，考慮到處理過程的經(jīng)濟高效不同情況下的預處理過程可適當改變。通過對原圖像進行均衡化、分割、平滑、增強、二值化、細化等算法處理，盡量還原指紋最完整的形態(tài)，獲取盡可能多的有效識別信息，提高識別結果的效率和準確率[[]楊磊.基于STM32的指紋識別系統(tǒng)設計[D].杭州電子科技大學,2012[]楊磊.基于STM32的指紋識別系統(tǒng)設計[D].杭州電子科技大學,2012.1)均衡化在一幅指紋圖像中，不同的像素點擁有不同的灰度級，而且擁有不同的灰度級點的像素數(shù)量灰度分布都不十分均勻。均衡化個數(shù)通常用一個直方圖來表示，根據(jù)這個直方圖所得函數(shù)關系并結合有關概率論知識，將初始數(shù)據(jù)中所得像素值多的灰度級擴充，相應的如果灰度個數(shù)少，灰度級將變窄。經(jīng)過均衡化處理后形成的指紋圖像,灰度值隨概率變化分布而變得更為均勻,同時使圖像灰度級次的可取值的范圍又得到較大擴展,原始圖像中的谷線和脊線對比度增強，從而圖像的清晰度得以增強。2）分割處理采集過程中諸多因素的影響，圖像出現(xiàn)部分區(qū)域清晰而部分區(qū)域模糊的差別，將這兩種差異稱為前景區(qū)和背景區(qū)。其中前景區(qū)即圖像清晰區(qū)，具有較深的顏色和較低的灰度值，呈現(xiàn)的是指紋的紋線信息，比如顯示指紋的斷續(xù)、形狀、反應指紋的結構。背景區(qū)即圖像模糊區(qū)，其顏色較淡，但是灰度值較高，是一些無關的數(shù)字信息，對后續(xù)的信息處理有不利影響?；谥讣y的梯度和灰度特性，可以通過分別確定一個灰度閾值和一個梯度閾值來分隔區(qū)域?；叶确指糸撝档拇_定:將指紋圖像的相關數(shù)據(jù)用直方圖來表示，可以直觀地看出前景和背景呈現(xiàn)出峰值與谷值，兩個峰值分別表示前景與背景的中心灰度值，觀察發(fā)現(xiàn)存在一個低谷處在倆峰值間，該低谷處即為前景和背景圖像的分界點[[][]楊磊,張文超,秦會斌.基于STM32的指紋識別系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[J].機電工程,2011,28(12):1531-1535.3）平滑處理圖像平滑處理的目的是為了消除由于采集中灰塵、污漬粘附于手指和采集儀器表面給圖像帶來的噪聲干擾。通常采用領域平均法，通過對大量像素點的灰度值求平均值來消去噪聲。進行平均計算的圖像面積越大，選取的像素點越多，得到的像素值越多，去噪聲的效果也就越好，但是不能只為了滿足去噪效果而盲目增大面積，面積的增大會導致清晰度不足，所以需要充分考慮清晰的和去噪效果再確定面積，才能達到一個去噪與清晰的結果。4）濾波增強圖像增強是預處理過程中不可缺少的環(huán)節(jié)之一，能夠加強圖像的可識別性，消除指紋采集設備本身和用戶操作產(chǎn)生的噪聲干擾，同時對前期圖像處理操作中無法解決和新產(chǎn)生的影響進行處理。通過濾波增強的指紋圖像能夠提高黑白對比度，即呈現(xiàn)白色的谷線更白，呈現(xiàn)黑色的脊線變得更黑。另一方面，圖像中指紋斷裂處和紋線模糊松散處也得到彌補和收斂增強。通過小波函數(shù)可在該位置方向場上對圖像進行增強,以實現(xiàn)及時的彌補指紋圖像中紋線之間發(fā)生的斷裂情況,在垂直方向上,函數(shù)正好符合指紋紋線相間的特點,對紋線進行振蕩增強[[]樊相奎.指紋識別在智能門禁系統(tǒng)的研究與應用[D].四川師范大學,2010.[]樊相奎.指紋識別在智能門禁系統(tǒng)的研究與應用[D].四川師范大學,2010.5)二值化二值化即將圖像中像素點的灰度值轉化成兩個值0和255,這樣可以使得指紋圖像中本來顯現(xiàn)為黑色的脊線區(qū)域更黑,顯示為白色的谷線區(qū)域更白。各灰度值需要確立一個值，以此為閾值由此將原本灰色的指紋圖像徹底變成黑白兩色圖。這個灰度固定的閾值可通過先將指紋圖像中的所有灰度像素點數(shù)值取的平均值來得到,再逐一將其中每一個灰度像素點位的灰度值與該灰度固定的閾值來逐一比對。若灰度值小于閾值,則可以直接用灰度0值來表示,認為該灰度點即為紋線部分;若灰度值大于閾值，則用255表示，認為該點為非紋線部分。6)細化采集的指紋圖像中通常存在偽特征點，主要是毛刺、短棒、斷線和小孔等，這些偽特征點作為冗余信息，為后續(xù)工作帶來很大的干擾。通過細化處理，多像素寬紋線變?yōu)閱嗡貙捈y線，由于經(jīng)過細化操作處理的圖像能夠保持原本指紋紋線的連續(xù)性不變，保持紋線的位置不變還能保持紋線的結構特征，所以在滿足提高信息處理速度的同時還能保證信息的準確性。2.3指紋圖像特征點的提取指紋的匹配工作建立在足夠多的特征點相同證明確為同一幅指紋，指紋特征由紋路的起始位置、交叉分裂點以及匯聚點等組成，其中指紋的中心點和三角點相比較更容易獲得。由于技術的局限性以及操作的不規(guī)范等一些難以避免的客觀或主觀原因，采集到的指紋數(shù)據(jù)往往與指紋本身存在或大或小的差異。除了采集過程中的問題，圖像處理操作過程中，產(chǎn)生一些新增的數(shù)值偏差，為達到匹配條件，需要對偽特征值進行一系列的篩選和刪除操作，保證獲得的特征點達到識別數(shù)量且有效判別。2.4指紋圖像特征匹配指紋識別流程的最后關鍵一步就是特征匹配。經(jīng)過特征提取操作后，用獲得的指紋特征與特征模板相比較，若匹配度高于設定的閾值，則認為指紋識別成功[[]袁進.智能門鎖指紋識別方法設計[J].電子世界,2021(21):148-149.]。需要進行匹配的特征點有紋路大概粗略走向，還有指紋包括形態(tài)、端點和交叉點在內(nèi)的各種細節(jié)特征具體流程如圖2[]袁進.智能門鎖指紋識別方法設計[J].電子世界,2021(21):148-149.圖2-2.指紋匹配具體流程硬件部分的設計本文從滿足門禁系統(tǒng)最基本的安全的基礎上，將門禁系統(tǒng)智能化發(fā)展作為主要目標。結合物聯(lián)網(wǎng)技術和指紋識別技術兩大熱門的自動識別技術，利用指紋識別模塊和藍牙串口通信模塊對門禁系統(tǒng)的整體設計提出如下設計構思：指紋作為鑰匙，指紋匹配正確與否控制門的開關；手機作為鑰匙，在手機界面操作直接控制門的開關。3.1系統(tǒng)硬件設計方案本系統(tǒng)采用STM32單片機、光學指紋識別模塊、藍牙模塊、按鍵模塊、鎖模塊以及蜂鳴器模塊來實現(xiàn)門禁的雙重控制?；緦崿F(xiàn)框圖如圖3-1所示：圖3-1.系統(tǒng)模塊基本框圖3.2指紋錄入模塊3.2.1指紋傳感器種類最初，通過將手指蘸取油墨，有色墨水使得不同的手指紋路顯現(xiàn)出來，從而起到手機指紋的作用，但是展現(xiàn)在紙張上的指紋圖案既受紙張材料的影響也難以保存，肉眼更是難以辨別。隨著電子計算機技術的出現(xiàn)，新型指紋采集設備得到了迅猛的發(fā)展，傳統(tǒng)的采集方法被替代，存在的問題也相繼解決。指紋的采集是整個指紋識別系統(tǒng)的關鍵，選擇合適的傳感器決定了指紋的圖像的質量。采集指紋所用傳感器主要分為三種：（1）光學傳感器光學傳感器是根據(jù)光的全反射原理設計而得，光線照射時產(chǎn)生反射，由于人手指上指紋的脊谷時凹凸不平的，在脊線處無法發(fā)生反射，而在谷線處發(fā)生全反射，利用人手指指紋的唯一性，在光學傳感器上得到不同的反射結果。光線從不同位置不同方向照射到光學器件會形成明暗程度不同的一幅圖像，明暗程度的差異通過灰度值表現(xiàn)出來。但是光學傳感器使用后的鏡片容易出現(xiàn)痕跡殘留的現(xiàn)象，再次使用新的指紋與殘留重疊影響檢測，大大降低了準確性。半導體傳感器此類傳感器根據(jù)半導體分為電容和電感。由于指紋的紋路深淺差異，通過傳感器指紋采集面進行采集時，手指的不同位置與傳感器采集表面上已集成的一些半導體存在距離差異，從而獲得的數(shù)值大小是不同的，將這些數(shù)值表示圖像的灰度值，得到一幅指紋圖像。半導體傳感器有小功耗的特點,較小的規(guī)模也為集成帶來便利,選擇傳感器時比光學傳感器更有優(yōu)勢。但是同樣會存在缺點，靜電干擾，手指汗?jié)n等都會影響采集。超聲波傳感器超聲波傳感器是利用超聲波具有穿透性這一特質，利用其在不同成分制成的物體表面有強度不同的回波?？朔袅艘话愎鈱W傳感器和其它半導體傳感器都無法一一克服掉的干擾問題,同時又能夠真正擁有了高質量高清晰度的指紋圖像。運用超聲波技術完成指紋的采集工作還未被太廣泛使用，仍需要不斷完善才能大量投入使用。3.2.2MBF200指紋傳感器概述傳感器陣列包括256列和300行，由大量的這些小單元構成一個完整的MBF200傳感陣列。傳感器陣列中每一行的數(shù)據(jù)都通過兩個采樣電路獲取。將行工作分為充電與放電兩個時期。充電時期即通過VDD接口讓電容板充電，與此同時，被選中開始工作所在行的電容單元也在內(nèi)部信號的作用下為采樣電路提供電壓保持工作狀態(tài)。對于電容板放電階段，這個階段存在放電快慢之分，由放電寄存器來控制。經(jīng)過充電放電的完整過程，充電電壓與放電電壓之間形成一個電壓差，此電壓差是采樣保持電路測量得來的采樣電容單元的最終電壓值，也就是所需要的有效傳感信號的電壓，最后將這些信號數(shù)字化處理得到最終的采樣結果[[]楊小青.便攜式指紋采集儀圖像獲取與處理的研究[D].重慶大學,2007.][]楊小青.便攜式指紋采集儀圖像獲取與處理的研究[D].重慶大學,2007.圖3-2.傳感器內(nèi)部結構框圖3.2.3MBF200接口模式傳感器支持3種通信方式的接口模式：MCU模式SPI模式USB模式以上3種接口模式都是常用接口模式，用于指紋傳感器與STM32硬件系統(tǒng)中接口的搭載。本文出于要確保對指紋的采集及結果計算的數(shù)據(jù)準確性,考慮后選擇了SPI模式接口。SPI總線系統(tǒng)是一種同步串行外設接口，允許MCU與各種外圍設備以串行方式進行通信、數(shù)據(jù)交換，SPI總線通常由4條線組成，即：串行時鐘線、主機輸出從機輸入線、主機輸入從機輸出線和從機選擇線[[]楊美剛,李小文.SPI接口及其在數(shù)據(jù)交換中的應用[J].通信技術,2007(11).[]楊美剛,李小文.SPI接口及其在數(shù)據(jù)交換中的應用[J].通信技術,2007(11).3.3STM32單片機模塊STM32是作為基于ARMCortex-M處理器內(nèi)核的微處理器，擁有超多外設、多種型號，具有高性能、低功耗、實時性強和使用簡單等諸多特點。內(nèi)核為ARM32位的CortexTM-M3CPU最高能達到72MHZ的工作頻率，在存儲器范圍內(nèi)的0秒等待周期下訪問的帶寬也可達至約為1.25Mips/MHZ。內(nèi)嵌有三個內(nèi)部振蕩器，其中8MHZ的振蕩器出廠時已經(jīng)調(diào)校過，另外兩個分別為40KHZ和32KHZ，均有校準功能，在電路中擔任時鐘信號的產(chǎn)生工作。還擁有一個鎖相環(huán)由模擬信號和數(shù)字信號混合而成，其為CPU提供時鐘脈沖。幾乎所有端口均可容忍5V信號，在設計使用時方便操作。擁有的7個定時器都擁有4個使用功能，除此還有1個獨立的看門狗定時器和一個窗口型的看門狗定時器。該處理器還有9個通信接口，其中兩個SPI接口為全雙工通信，可以直接與其他IC通信，兩個12C接口也可以與IC通信，還具有良好的數(shù)據(jù)存取能力，三個USART接口可以直接設置，CAN接口和USB接口共用一個SRAM空間，通常交替使用。單片機主控部分如圖3-3所示。圖3-3.單片機主控部分3.4顯示電路模塊字符型液晶顯示模塊被廣泛作為直接地顯示由中英文字母、符號單獨組成或混合的信息。LCD1602通常采用標準的14引腳接口，由于液晶顯示本身不具有發(fā)光能力，采用標準的16腳接口時,增加了兩個背光源引腳對顯示的視覺效果進行改善。各引腳接口及使用的說明圖如表3-1所示。采用LCD1602液晶顯示模塊，顯示指紋錄入情況，提示整個門禁系統(tǒng)的控制操作步驟。通過STM32系統(tǒng)編程控制I/O連接輸出結果。表3-1LCD1602引腳接口說明3.5報警電路模塊報警電路的主要元器件為蜂鳴器。LCD1602作為一種文字提示界面，那么蜂鳴器就擔任了通過聲音傳遞信息的功能。指紋錄入時，需要通過蜂鳴器發(fā)出聲音提示錄入完畢。當指紋被采集后與初始設定正確指紋匹配失敗后，蜂鳴器發(fā)出響聲以起到報警效果。由于蜂鳴器的工作電流較大，只用一個單片機的接口提供電流無法驅動其工作，所以需要使用三極管構成放大電路從而得到所需的電流驅動蜂鳴器工作。電流三極管作為一個開關使用，三極管處于飽和狀態(tài)時，三極管導通蜂鳴器發(fā)出聲音，此時基極為高電平，反之當基極為低電平時，三極管截止，蜂鳴器不再發(fā)聲。又由于蜂鳴器作為一個工作電流無法被瞬間改變的感性元件，需要設法通過續(xù)流二極管的作用來防止由于無法續(xù)流而導致的蜂鳴器兩端尖峰電壓過高對三極管造成的損壞，不僅如此，甚至會干擾其他電路部分更嚴重破壞整個電路。蜂鳴器的電流相較于其他電路工作所需的電流更大，因此需要添加一個濾波電容來濾除蜂鳴器電流產(chǎn)生的影響防止過大的電流燒壞電路，同時也通過濾波電容改善電源的交流阻抗。一個完整的正常工作的報警電路模塊除了蜂鳴器還需要輔以三極管、續(xù)流二極管和電源濾波電容。3.6串口電路模塊藍牙串口是基于SPP協(xié)議（SerialPortProfile），能在藍牙設備之間創(chuàng)建串口進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊环N設備[[]周瓊.藍牙協(xié)議棧的研究及其在串口通信中的應用[D].武漢理工大學,2009.[]周瓊.藍牙協(xié)議棧的研究及其在串口通信中的應用[D].武漢理工大學,2009.本設計中，通過藍牙串口實現(xiàn)手機控制電磁鎖的無接觸開斷。藍牙串口的主要特征是其可以進行無線收發(fā)且靈敏度高。在外部硬件電路構成后，用戶還需在手機上安裝藍牙APP后才能實現(xiàn)對藍牙開關電路的命令控制。用戶可對藍牙APP內(nèi)的界面及設置進行編輯。手機與HC06嵌入式藍牙串口通信模塊已經(jīng)完成連接時，只需要操作手機上已經(jīng)設置好的APP的功能按鈕，便可以控制現(xiàn)實物體實現(xiàn)開關控制。系統(tǒng)軟件設計系統(tǒng)功能實現(xiàn)的的軟件主程序可分為兩個部分：指紋識別系統(tǒng)部分和藍牙串口部分。分別對兩部分首先進行初始化處理，開鎖驗證部分分為指紋開鎖和藍牙開鎖。系統(tǒng)整體流程框圖如圖4-1所示。圖4-1.整體流程框圖4.1指紋識別部分的主程序設計指紋識別部分的設計是整個系統(tǒng)的重點，主要需要實現(xiàn)指紋的采集處理工作，包括判斷是否進行采集，采集成功后的預處理程序、將預處理后特征點提取出來與模板特征庫里的指紋特征進行比對，最后將匹配結果通過LCD1602展示出來的。主程序流程框圖如圖4-2所示。圖4-2.主程序流程圖系統(tǒng)工作的第一步是對各模塊進行初始化，初始化完成后開始指紋檢測，手指給予傳感器一個按壓的力，此時主控制器檢測到中斷信號，指紋開始被采集，此過程由指紋采集模塊負責執(zhí)行，主控制器和指紋模塊的同步串口通信進行數(shù)據(jù)讀取，指紋圖像的數(shù)據(jù)由外部SRAM通過數(shù)組矩陣的形式進行儲存，儲存完成后，檢測采集數(shù)據(jù)是否合格，合格才可以做出下一步驟，否則圖像需要重新采集。然后依次是對所采集數(shù)據(jù)進行一系列圖像預處理操作，預處理完成后進行指紋圖像特征提取和匹配。匹配結果通過LCD1602顯示，進行指紋錄入時，錄入成功，顯示器顯示addok,提示指紋錄入工作已經(jīng)完畢，指紋匹配開鎖時，如指紋正確，顯示器顯示findok,同時蜂鳴器發(fā)出聲音，電磁鎖打開。4.2藍牙控制系統(tǒng)的設計藍牙控制的主要內(nèi)容是通過驗證手機的藍牙信號，將驗證信息發(fā)送給控制器控制模塊。主程序循環(huán)任務主要包括藍牙和串口的數(shù)據(jù)分析、執(zhí)行超時任務、串口和藍牙數(shù)據(jù)的發(fā)送，在手機對藍牙設備進行認證的時候，超時任務發(fā)揮作用，其通過評估連接成功后認證無響應的時間決定手機端是否斷開連接，一旦時間超出任務時間，手機立刻主動斷開連接，隨后，藍牙串口也將連接斷開。每隔一段時間，循環(huán)任務檢測串口發(fā)送情況，有數(shù)據(jù)發(fā)送時，先檢測串口標志位是否為1，標志位為1建立連接調(diào)用函數(shù)發(fā)送數(shù)據(jù)[[]周鵬.基于手機藍牙技術的網(wǎng)絡化門禁系統(tǒng)研究[D].南昌航空大學,2017.[]周鵬.基于手機藍牙技術的網(wǎng)絡化門禁系統(tǒng)研究[D].南昌航空大學,2017.圖4-3.手機APP界面設計實物的測試根據(jù)電路模塊規(guī)劃焊接完成后，對設計實物進行調(diào)試。電路控制模塊使用5V電源，電源不可大于5V,大于5V導致電路燒毀；電磁鎖模塊采用12V供電，連接時注意正確進行正負兩極接線。圖5-1為設計實物圖。圖5-1.設計實物圖指紋的信息管理由三個按鍵控制，對電路板進行通電，此時系統(tǒng)處于工作狀態(tài)，手指接觸傳感器，按下ADD按鈕，進行指紋添加操作，指紋添加成功，報警模塊的蜂鳴器發(fā)聲起到提示作用，同時顯示模塊工作，LCD1602顯示addok。為進一步確認指紋是否錄入成功，手指仍然放置在采集傳感器處，觀察顯示器，直到顯示REGOK表示錄入完成。開鎖測試通過FIND按鍵操作，顯示器出現(xiàn)findok同時電磁鎖打開。圖5-2為顯示模塊圖。圖5-2.顯示模塊圖總結與展望本文首先了解現(xiàn)有門禁技術的先進處和問題，分析眾多生物特征系統(tǒng)的各方面特點，對其能力進行比較并結合現(xiàn)有的各類傳感器本身存在的利弊，加入物聯(lián)網(wǎng)技術改善問題。選擇通過指紋作為門禁系統(tǒng)的“鑰匙”，指紋識別被使用的歷史悠久，在科技發(fā)展的同時也逐步發(fā)展，不斷融合新技術，得到廣泛的應用。本文的主要研究內(nèi)容如下：詳細介紹了指紋識別技術。從該項技術的產(chǎn)生、現(xiàn)狀和前景進行研究，文中介紹了指紋識別的具體步驟和過程，對從指紋預處理到指紋匹配都進行了闡述，其中指紋預處理包