I摘要本文提出基于單片機(jī)技術(shù)、指紋識(shí)別技術(shù)設(shè)計(jì)的基于指紋識(shí)別的高效、安全密碼鎖系統(tǒng)方案。以單片機(jī)核心芯片STM32F103ZET6芯片為控制中樞，通過(guò)指紋采集模塊實(shí)時(shí)采集用戶指紋，并將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，通過(guò)單片機(jī)完成數(shù)字信號(hào)的模式識(shí)別和圖像處理，并與先前儲(chǔ)存的指紋信號(hào)進(jìn)行比對(duì)，根據(jù)比對(duì)結(jié)果控制繼電器的通斷，進(jìn)而完成門(mén)鎖開(kāi)鎖，并通過(guò)TFT2.4寸彩屏顯示當(dāng)前操作狀態(tài)和比對(duì)結(jié)果等信息，給出直觀的反饋結(jié)果。同時(shí)為了保證系統(tǒng)的靈活可靠工作，設(shè)計(jì)TFT模塊、鍵入模塊作為系統(tǒng)的備用身份檢驗(yàn)?zāi)K。另外，本文設(shè)計(jì)了圖像采集模塊，使用戶可以在房?jī)?nèi)查看門(mén)外情況。本設(shè)計(jì)將單片機(jī)彈性可控制的智能操作系統(tǒng)、指紋識(shí)別安全與多模塊實(shí)用性有機(jī)結(jié)合在一起，設(shè)計(jì)一種全新的門(mén)禁控制設(shè)計(jì)方案，非常具有實(shí)際應(yīng)用及推廣意義，為人們的生活、工作提供非常大的便利。關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)、指紋識(shí)別、NFC識(shí)別、TFT彩屏顯示、圖像采集

AbstractThesystemusedasthecorecontrollerisbasedontheSTM32F103ZET6chip.Itconvertsthefingerprintoftheregistrantintoadigitalsignalthroughafingerprintacquisitionmodule.Thenthemicro-controllercomparestheinputsignalwiththepre-storedfingerprinttemplates,controlstherelaytoopenorclosethedoorlock,andgivestheuseraninstantaneousandintuitiveresponse.Inaddition,thesystemhasanimage-capturingfunctionthatenablestheownertoseeoutsidethroughthedoor,thusenhancingsecurity.ThesystemalsoincludesNFCandkey-inputassecondarymeansofverification.Itisexpectedthattheproductwillbewidelyusedinsmarthomes,smartofficesandotherfields,bringingconvenienceandsecuritytothelivesandworkofpeople.Thisproductiscleverlycombinedwiththeflexiblecontrolabilityofthemicrocontroller,thehighsecurityoffingerprintrecognition,andthepracticalfunctionsofmultiplemodules,andbuiltintoahigh-valueaccesscontrolsolutionwithbroadapplicationprospects.Keywords:singlechipmicrocontroller,fingerprintrecognition,NFCrecognition,TFTcolorscreendisplay,imageacquisition

目錄摘要 IAbstract II第1章緒論 11.1開(kāi)發(fā)背景 11.1.1國(guó)內(nèi)研究特點(diǎn) 11.1.2國(guó)外研究特點(diǎn) 11.2開(kāi)發(fā)意義 21.3研究?jī)?nèi)容 2第2章相關(guān)理論基礎(chǔ) 42.1單片機(jī)技術(shù)概述 42.2指紋識(shí)別技術(shù)原理 42.2.1指紋圖像采集 42.2.2指紋圖像預(yù)處理 52.2.3指紋特征提取與匹配 62.3NFC技術(shù)原理 62.4相關(guān)算法與協(xié)議介紹 62.4.1USART協(xié)議 62.4.2SPI協(xié)議 72.4.3SCCB協(xié)議 72.4.4I2C協(xié)議 7第3章系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 93.1系統(tǒng)總體架構(gòu) 93.2模塊劃分與功能描述 93.2.1STM32F103ZET6主控 93.2.2指紋采集模塊 93.2.3NFC模塊 103.2.4顯示與按鍵模塊 103.2.5電子鎖執(zhí)行模塊 103.2.6圖像采集模塊 103.3系統(tǒng)工作流程介紹 11第4章硬件設(shè)計(jì) 124.1單片機(jī)選型與電路設(shè)計(jì) 124.2指紋識(shí)別模塊 134.3NFC模塊 144.4顯示與按鍵模塊電路設(shè)計(jì) 154.5電子鎖模塊選型與接口設(shè)計(jì) 164.6圖像采集模塊選型與接口設(shè)計(jì) 17第5章軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 195.1單片機(jī)程序設(shè)計(jì)框架 195.2指紋識(shí)別設(shè)計(jì) 205.3NFC識(shí)別設(shè)計(jì) 215.4顯示與按鍵控制設(shè)計(jì) 225.5攝像頭采集圖像設(shè)計(jì) 235.6電子鎖開(kāi)關(guān)鎖設(shè)計(jì) 24第6章系統(tǒng)測(cè)試與評(píng)估 256.1軟件調(diào)試與優(yōu)化 256.2硬件調(diào)試與優(yōu)化 266.3指紋識(shí)別準(zhǔn)確率測(cè)試 266.4密碼注冊(cè)與開(kāi)鎖測(cè)試 276.5NFC模塊測(cè)試 276.6圖像采集模塊測(cè)試 286.7測(cè)試結(jié)果分析與評(píng)估 29結(jié)語(yǔ) 30參考文獻(xiàn) 31致謝 33

緒論1.1開(kāi)發(fā)背景1.1.1國(guó)內(nèi)研究特點(diǎn)國(guó)內(nèi)基于單片機(jī)的指紋識(shí)別密碼鎖的設(shè)計(jì)主要是利用單片機(jī)和指紋識(shí)別技術(shù)相結(jié)合，提高密碼鎖的安全性與便捷性。國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)大多采用模塊化設(shè)計(jì)的思路，將系統(tǒng)劃分為多個(gè)模塊，如指紋采集模塊、信號(hào)處理模塊、密碼校驗(yàn)、顯示交互等模塊，各個(gè)模塊承擔(dān)不同的任務(wù)，相互配合，高效運(yùn)作[1]。為了提高系統(tǒng)安全性，在硬件設(shè)計(jì)上，設(shè)計(jì)了防撬、防干擾設(shè)計(jì)；在軟件設(shè)計(jì)上，運(yùn)用加密算法和特殊密碼算法防止信息泄露與非法入侵等。硬件與軟件的雙重保護(hù)使密碼鎖更加安全。此外，軟件層面增加遠(yuǎn)程開(kāi)關(guān)鎖功能。藍(lán)牙或者無(wú)線通訊模塊，可以通過(guò)手機(jī)APP對(duì)用戶開(kāi)啟遠(yuǎn)程開(kāi)關(guān)鎖，既順應(yīng)了時(shí)代智能化生活的要求，又為人們使用密碼鎖提供了便利。其中成本方面在節(jié)約成本方面，一般都會(huì)選擇性能較強(qiáng)的單片機(jī)和外設(shè)模塊，節(jié)約企業(yè)硬件成本，提升企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力，這也在一定程度上發(fā)展了在單片機(jī)的指紋識(shí)別密碼鎖，進(jìn)一步滿足了人們?cè)谌粘Ｉ钪械男枨??？傊畬?duì)于基于單片機(jī)的指紋識(shí)別密碼鎖，國(guó)內(nèi)除了在技術(shù)上有所創(chuàng)新與應(yīng)用外，還在成本的節(jié)約與市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)力上進(jìn)行著不懈的研究與探索。1.1.2國(guó)外研究特點(diǎn)對(duì)于指紋識(shí)別技術(shù)的研究國(guó)外早有涉及，國(guó)外對(duì)于指紋識(shí)別有一定的經(jīng)驗(yàn)以及相應(yīng)的成品，對(duì)于基于單片機(jī)的指紋識(shí)別密碼鎖來(lái)說(shuō)國(guó)外也有著屬于他們的創(chuàng)新和應(yīng)用特點(diǎn)，對(duì)于以單片機(jī)為核心的指紋識(shí)別密碼鎖的設(shè)計(jì)國(guó)外也有著他們的特點(diǎn)，其設(shè)計(jì)重點(diǎn)就在于對(duì)于系統(tǒng)性能的提高，對(duì)于系統(tǒng)進(jìn)行低功耗的設(shè)計(jì)從硬件以及軟件上降低對(duì)于整個(gè)設(shè)計(jì)的功耗、用TEA加密算法來(lái)保證數(shù)據(jù)的安全以及系統(tǒng)的正常高效的運(yùn)行。國(guó)外基于指紋識(shí)別的密碼鎖不僅只應(yīng)用于房門(mén)或保險(xiǎn)柜，具體行業(yè)中可以結(jié)合射頻識(shí)別用于控制安全系數(shù)較高領(lǐng)域的門(mén)禁，以滿足各個(gè)行業(yè)領(lǐng)域系統(tǒng)的安全性和多元化。國(guó)外設(shè)計(jì)中甚至考慮將指紋識(shí)別密碼鎖和面部識(shí)別、虹膜識(shí)別等生物識(shí)別門(mén)禁一起考慮，以提供更安全的保護(hù)?；趩纹瑱C(jī)的指紋識(shí)別密碼鎖在國(guó)內(nèi)外受到了很大的關(guān)注和研究，無(wú)論是在技術(shù)發(fā)展方面，還是應(yīng)用開(kāi)發(fā)方面以及政策、標(biāo)準(zhǔn)上都產(chǎn)生了大量相關(guān)研究。隨著技術(shù)進(jìn)步以及消費(fèi)者需求變化，指紋識(shí)別密碼鎖將會(huì)保持快速發(fā)展趨勢(shì)，在未來(lái)還會(huì)有很大的發(fā)展空間。1.2開(kāi)發(fā)意義傳統(tǒng)機(jī)械鎖存在較大的安全隱患，傳統(tǒng)鎖安全性較低，容易被撬開(kāi)或復(fù)制鑰匙。基于單片機(jī)的指紋識(shí)別密碼鎖采用了先進(jìn)的指紋識(shí)別技術(shù)，由于指紋具有唯一性，不會(huì)有兩個(gè)一模一樣的指紋，由此便提高了門(mén)鎖的安全性，保護(hù)了人們的個(gè)人財(cái)產(chǎn)與隱私安全。在使用密碼鎖時(shí)，人們無(wú)需記住復(fù)雜的密碼，也不用隨身攜帶鑰匙，當(dāng)把手指貼到指紋識(shí)別傳感器上時(shí)，系統(tǒng)即可快速準(zhǔn)確完成個(gè)人身份驗(yàn)證，根據(jù)驗(yàn)證結(jié)果來(lái)決定是否要開(kāi)鎖。這種便捷性的設(shè)計(jì)提高了人們的開(kāi)鎖體驗(yàn)，還減少了因忘記密碼或丟失鑰匙帶來(lái)的煩惱，企業(yè)使用這種指紋識(shí)別密碼鎖時(shí)也無(wú)需為每位員工都配備每一把鑰匙，只需在系統(tǒng)中錄入員工的個(gè)人指紋信息即可?；趩纹瑱C(jī)的指紋識(shí)別密碼鎖涉及到諸多領(lǐng)域的知識(shí)，單片機(jī)、指紋識(shí)別、傳感器、通信技術(shù)等，基于指紋識(shí)別的密碼鎖成為了智能安防系統(tǒng)的一部分，為智能家居、智能辦公等提供安全防護(hù)。該鎖可以與家中其他智能家居進(jìn)行聯(lián)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)更加智能化的安全防控。密碼鎖能與攝像頭、報(bào)警裝置等配合使用，一旦出現(xiàn)問(wèn)題便會(huì)在第一時(shí)間通知使用者采取應(yīng)對(duì)措施。綜合的系統(tǒng)方案，在更安全的同時(shí)，也讓人們的生活更加智能，給生活以更多便利。1.3研究?jī)?nèi)容本研究的目標(biāo)是開(kāi)發(fā)一種基于單片機(jī)的指紋識(shí)別密碼鎖系統(tǒng)，該系統(tǒng)結(jié)合了單片機(jī)的控制功能和指紋識(shí)別技術(shù)具有的安全性功能。本設(shè)計(jì)以使用STM32F103C8T6單片機(jī)作為主控，配合指紋采集模塊、NFC模塊、液晶顯示模塊、密碼輸入模塊、攝像頭模塊和執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制模塊等多個(gè)外設(shè)模塊進(jìn)行運(yùn)作[2]。指紋采集模塊采集精度要高，并且能夠快速識(shí)別，獲取人們的指紋信息，將得到的的指紋模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，單片機(jī)接收數(shù)字信號(hào)，將數(shù)字信號(hào)與預(yù)先存儲(chǔ)的指紋模板進(jìn)行對(duì)比，來(lái)驗(yàn)證用戶身份是否合法[3]。在指紋采集模塊出現(xiàn)故障時(shí)，以NFC模塊和密碼輸入模塊作為備用身份認(rèn)證方式[5]，完成人們開(kāi)鎖。液晶顯示模塊將當(dāng)前的用戶狀態(tài)以及指紋比對(duì)結(jié)果進(jìn)行顯示，單片機(jī)根據(jù)比對(duì)結(jié)果通過(guò)控制信號(hào)給執(zhí)行機(jī)構(gòu)模塊完成開(kāi)關(guān)門(mén)。在功能方面，本設(shè)計(jì)著重于對(duì)指紋識(shí)別、NFC對(duì)比、密碼輸入驗(yàn)證這三種方式進(jìn)行身份驗(yàn)證，在保證安全的情況下，確保只有提前保存過(guò)指紋模板的合法用戶才能開(kāi)鎖，安全系數(shù)極高。顯示模塊的TFT彩屏可以實(shí)時(shí)顯示操作狀態(tài)、對(duì)比結(jié)果等，便于人們直觀地進(jìn)行操作。在進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)試評(píng)價(jià)中，測(cè)試系統(tǒng)，在測(cè)試中，測(cè)試系統(tǒng)指紋識(shí)別率，響應(yīng)時(shí)間、密碼驗(yàn)證可靠性，測(cè)試系統(tǒng)安全性，測(cè)試數(shù)據(jù)傳輸是否加密，系統(tǒng)是否杜絕非法的侵入、信息的泄漏。

第2章相關(guān)理論基礎(chǔ)2.1單片機(jī)技術(shù)概述在電子行業(yè)，有一個(gè)重要的器件，它就是我們所熟知的單片機(jī)微控制器(MCU)，MCU為微型計(jì)算機(jī)的一個(gè)高度集成，是微型計(jì)算機(jī)的處理器核心、存儲(chǔ)器、I/O接口等多個(gè)關(guān)鍵器件被整合在了一塊芯片中，MCU包括存儲(chǔ)單元即程序存儲(chǔ)器ROM(Flash)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、中斷系統(tǒng)、串口(UART、SPI、I2C)以及數(shù)模/模數(shù)(A/D、D/A)轉(zhuǎn)換器等模擬數(shù)字外設(shè)接口等，是功能十分完善的微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，具有體積小，成本低，控制能力強(qiáng)等諸多優(yōu)勢(shì)，廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。當(dāng)單片機(jī)處于工作狀態(tài)的時(shí)候，其處理器內(nèi)核就會(huì)從存儲(chǔ)器里面讀取事先已經(jīng)存儲(chǔ)好的指令代碼。然后，這些指令代碼會(huì)經(jīng)過(guò)譯碼，按照一定的順序依次去執(zhí)行編寫(xiě)的代碼，在單片機(jī)執(zhí)行的過(guò)程中，會(huì)依據(jù)程序控制各種外設(shè)，執(zhí)行相應(yīng)的輸入輸出。2.2指紋識(shí)別技術(shù)原理2.2.1指紋圖像采集指紋是人類(lèi)手指上的條狀紋路，指紋識(shí)別技術(shù)就是將一個(gè)具體的人同他的紋路聯(lián)系起來(lái)，通過(guò)獲取他的指紋與預(yù)先存儲(chǔ)起來(lái)的指紋進(jìn)行比對(duì)，就可以驗(yàn)明此人的身份，從醫(yī)學(xué)角度來(lái)講，每個(gè)人的指紋都是獨(dú)一無(wú)二的，世界上不存在兩個(gè)一模一樣的指紋，因此使用指紋識(shí)別可以保證安全性。目前來(lái)講，指紋識(shí)別的技術(shù)主要有三種，第一種為打卡機(jī)以及現(xiàn)在一些支持屏下指紋識(shí)別的手機(jī)所采用的光學(xué)式指紋識(shí)別，該技術(shù)是通過(guò)光線照射到人類(lèi)的指紋上，由于人類(lèi)指紋本身的紋路即是凹凸不平，光線反射到指紋接收器上就可以得到人類(lèi)指紋的紋路，如圖1-1所示，圖2-1光線反射圖上圖即為打卡機(jī)上光學(xué)式指紋識(shí)別的結(jié)構(gòu)，手機(jī)上的屏下指紋識(shí)別目前都是基于OLED屏幕，將接收反射光的指紋識(shí)別模塊置于OLED屏幕下方，通過(guò)OLED屏幕像素點(diǎn)的光線照射，反射到指紋識(shí)別模塊上面，識(shí)別出人類(lèi)的指紋REF_Ref21905\r\h[6]；第二種為電容式指紋識(shí)別，電容式指紋識(shí)別為下方有陣列排布的電容極板，由于人類(lèi)手指的指紋帶有凹凸不平的特性，在人類(lèi)進(jìn)行指紋識(shí)別時(shí)，凸起的指紋和凹陷的位置由于距離電極板的距離不同，導(dǎo)致各個(gè)電容極板的電容容量具有差異，電容容量大的位置為凸起的紋線，電容容量小的地方為凹陷的位置，即通過(guò)比較電容容量來(lái)識(shí)別出指紋的紋路REF_Ref21905\r\h[6]；第三種為日常使用的一些手機(jī)所采用的超聲波指紋識(shí)別，這種方式與熟知的蝙蝠、船舶所用的聲吶系統(tǒng)類(lèi)似，發(fā)射出超聲波隨即接收反射回的聲波，通過(guò)這種方式，就可以收集到人類(lèi)的指紋信息。本系統(tǒng)采用的是為電容式指紋識(shí)別。2.2.2指紋圖像預(yù)處理當(dāng)指紋識(shí)別系統(tǒng)識(shí)別出人類(lèi)的指紋之后就得到了類(lèi)似于圖1-2的指紋，圖2-2指紋圖像由于外部環(huán)境的不確定性，得到的指紋紋路不太容易識(shí)別，此時(shí)就需要對(duì)圖像進(jìn)行預(yù)處理，來(lái)提高圖像質(zhì)量，提高后續(xù)特征值的準(zhǔn)確性。預(yù)處理包括灰度化、二值化、噪聲去除、圖像增強(qiáng)。灰度化即將彩色圖像轉(zhuǎn)化為灰度圖像，以此來(lái)減少數(shù)據(jù)量和計(jì)算復(fù)雜度；二值化即將灰度圖像轉(zhuǎn)換為黑白圖像，以便于更清晰地顯示出紋路的紋線和谷線；噪聲去除即使用濾波等技術(shù)去除圖像中的噪聲，如灰塵、劃痕等；圖像增強(qiáng)即通過(guò)對(duì)比調(diào)整、銳化等操作來(lái)增強(qiáng)指紋紋線的清晰度REF_Ref22349\r\h[7]。圖像經(jīng)過(guò)處理后就得到了圖1-3。圖2-3經(jīng)處理后的指紋圖像2.2.3指紋特征提取與匹配指紋圖像中包含指紋的紋線特征與奇異點(diǎn)特征，指紋的紋線特征即指紋紋路的方向、頻率、曲率，表征指紋的整體形態(tài)與指紋細(xì)節(jié)點(diǎn)變化；指紋的奇異點(diǎn)特征即指核心點(diǎn)與三角點(diǎn)這兩種特殊點(diǎn)，具有確定的唯一位置與方向特征，相當(dāng)于指紋的“地標(biāo)”，指紋的奇異點(diǎn)是確定其身份的重要依據(jù)。對(duì)這些指紋圖像進(jìn)行特征提取，將復(fù)雜的指紋圖像轉(zhuǎn)化為一組特征向量，這樣的處理縮小了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)大小，反應(yīng)指紋本質(zhì)的特性，方便后續(xù)進(jìn)行比對(duì)的判斷，特征提取的好壞會(huì)影響指紋識(shí)別的效率和可靠性，因此，本設(shè)計(jì)著重設(shè)計(jì)提取特性好的指紋識(shí)別模塊。提取出指紋特征后，將指紋特征與數(shù)據(jù)庫(kù)中保存的指紋模板進(jìn)行比對(duì)，比對(duì)的方式有兩種：一種是特征點(diǎn)匹配比較，是針對(duì)指紋特征點(diǎn)位置、方向而言的，判斷是否是同一點(diǎn)，強(qiáng)調(diào)的是細(xì)節(jié)的完美吻合，適合于安全級(jí)別要求較高的應(yīng)用；一種是相關(guān)分析的方法，它從全局出發(fā)，計(jì)算兩個(gè)指紋圖像之間的相關(guān)系數(shù)，從而判斷兩枚指紋的相似程度，適合粗篩選，可以在較短的時(shí)間內(nèi)得到一個(gè)粗略的匹配結(jié)果。不管哪種方法設(shè)計(jì)，最終都會(huì)得到一個(gè)匹配分?jǐn)?shù)，如果分?jǐn)?shù)大于所設(shè)定的閾值，則認(rèn)為指紋識(shí)別成功，用戶可以開(kāi)鎖；如果分?jǐn)?shù)小于所設(shè)定的閾值，則認(rèn)為指紋識(shí)別失敗，用戶不能開(kāi)鎖。2.3NFC技術(shù)原理NFC技術(shù)也稱為近場(chǎng)通信技術(shù)，是一種短距離、高頻的無(wú)線通信技術(shù)，兩個(gè)設(shè)備在小距離內(nèi)就可以實(shí)現(xiàn)無(wú)接觸、無(wú)連接通信。NFC技術(shù)以13.56MHz為射頻識(shí)別的通信方式，通信的方式更為簡(jiǎn)單、安全，兩個(gè)設(shè)備之間的通信距離通常在10cm以內(nèi)，兩機(jī)靠近就可以發(fā)生通信，數(shù)據(jù)交換的方式有：讀卡器模式（設(shè)備可作為讀卡器）、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)模式（設(shè)備間互相交換）、卡模擬模式（模擬NFC卡通信）。兩個(gè)設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換依靠電磁場(chǎng)的變化，兩個(gè)設(shè)備靠近就形成一個(gè)短暫的通信通道，NFC技術(shù)擁有很高的頻率，將通信時(shí)間極大地縮短，在通信中以無(wú)線電波的形式進(jìn)行信息的傳輸，讓系統(tǒng)更加安全。2.4相關(guān)算法與協(xié)議介紹2.4.1USART協(xié)議在利用微控制器來(lái)完成與外設(shè)之間的通信過(guò)程中，常用的串行通信協(xié)議為：USART。該協(xié)議能夠完成同步以及異步通信，協(xié)議構(gòu)成包括：RX、TX、CLK，可以實(shí)現(xiàn)半雙工通信。異步模式下起始位是低電壓、數(shù)據(jù)位是傳輸數(shù)據(jù)、可設(shè)置傳輸校驗(yàn)位來(lái)校驗(yàn)數(shù)據(jù)傳輸、停止位是高電壓、傳輸數(shù)據(jù)，異步模式下時(shí)鐘不同步，傳輸數(shù)據(jù)即可，此模式適用于大部分簡(jiǎn)單的使用場(chǎng)景。同步模式需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)借助外部時(shí)鐘的傳輸進(jìn)行同步，發(fā)射器和接受器傳輸一個(gè)時(shí)鐘對(duì)應(yīng)一個(gè)數(shù)據(jù)，傳輸模式適合數(shù)據(jù)傳輸時(shí)序性強(qiáng)的需求。2.4.2SPI協(xié)議由于需求不同，STM32與外部設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議十分豐富，SPI具有高速、全雙工的特性。這種同步串行協(xié)議采用4條信號(hào)線來(lái)完成單片機(jī)與外界的通信，其中MOSI代表主輸出從輸入，MISO代表主輸入從輸出，一根時(shí)鐘信號(hào)線SCK，一根片選信號(hào)線SS，使用時(shí)鐘來(lái)傳輸數(shù)據(jù)，每個(gè)時(shí)鐘傳輸一個(gè)數(shù)值，從時(shí)鐘的上升沿或下降沿采樣出0或1。SPI協(xié)議中定義了SPI0、SPI1、SPI2、SPI3四種通信模式，由時(shí)鐘極性(CPOL)和時(shí)鐘相位(CPHA)的不同組合定義，決定數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟蓸訒r(shí)序和模式。主機(jī)通過(guò)對(duì)時(shí)鐘信號(hào)的高低頻段和極性進(jìn)行配置，控制傳輸速度、通信方向，能夠很好的適應(yīng)多種情況。2.4.3SCCB協(xié)議在SCCB協(xié)議中因使用SCCB協(xié)議同步串行傳輸模式，故發(fā)送、接收數(shù)據(jù)時(shí)均采用時(shí)鐘信息（SCLK），發(fā)送、接收數(shù)據(jù)幀均以命令幀和數(shù)據(jù)幀組成，命令幀由命令碼和數(shù)據(jù)幀組成，用于對(duì)攝像頭參數(shù)進(jìn)行設(shè)置和發(fā)送攝像頭操作指令，數(shù)據(jù)幀為發(fā)送攝像頭采集的圖像數(shù)據(jù)。SCCB協(xié)議實(shí)現(xiàn)初始化，命令發(fā)送，命令接收，數(shù)據(jù)發(fā)送，錯(cuò)誤處理等。初始化主設(shè)備初始化SCCB的接口參數(shù)，如：時(shí)鐘頻率，數(shù)據(jù)幀。發(fā)送命令主設(shè)備通過(guò)SCCB接口發(fā)送命令，其中命令為命令碼，加上一個(gè)附加數(shù)據(jù)。接收數(shù)據(jù)主設(shè)備啟動(dòng)圖像采集，攝像頭模塊通過(guò)SCCB接口接收?qǐng)D像。失敗錯(cuò)誤主設(shè)備失敗錯(cuò)誤等通信錯(cuò)誤，處理發(fā)送失敗發(fā)送指令失敗。發(fā)送指令完畢主設(shè)備發(fā)送結(jié)束或者時(shí)鐘發(fā)送指令停止，攝像頭模塊通過(guò)SCCB接口發(fā)送指令。2.4.4I2C協(xié)議I2C（Inter－IntegratedCircuit）協(xié)議，是在微控制器與外圍設(shè)備之間常用的同步串行協(xié)議。I2C總線是使用兩根總線：SDA（數(shù)據(jù)線）／SCL（時(shí)鐘線）。這兩條總線構(gòu)成總線的多點(diǎn)通信。I2C協(xié)議主從通信，總線時(shí)鐘由主設(shè)備控制通信，I2C總線上的每個(gè)設(shè)備都有自己的設(shè)備地址，主設(shè)備將通信的設(shè)備地址發(fā)送給通信的從設(shè)備，以此來(lái)判別從設(shè)備有沒(méi)有接收到主設(shè)備的通信，一次發(fā)送一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，每發(fā)完一個(gè)字節(jié)之后會(huì)有一個(gè)ACK/NACK來(lái)判斷收到的數(shù)據(jù)有沒(méi)有正確收到，I2C協(xié)議有幾種傳輸速率，標(biāo)準(zhǔn)速率(100kbps)、快速速率(400kbps)、高速速率(3.4Mbps)等。

第3章系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)3.1系統(tǒng)總體架構(gòu)指紋識(shí)別電子鎖系統(tǒng)產(chǎn)品主要由指紋采集模塊、密碼輸入模塊、液晶顯示模塊、執(zhí)行機(jī)構(gòu)模塊、視頻采集模塊和磁吸開(kāi)關(guān)模塊構(gòu)成，系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖3-1所示。圖3-1系統(tǒng)總體架構(gòu)圖3.2模塊劃分與功能描述3.2.1STM32F103ZET6主控STM32F103ZET6主控的功能是接收來(lái)自指紋采集模塊的數(shù)字信號(hào)，通過(guò)算法提取指紋特征并與數(shù)據(jù)庫(kù)特征進(jìn)行對(duì)比。同時(shí)單片機(jī)還要與其他模塊進(jìn)行信息交換，比如接收按鍵輸入的密碼信息、控制顯示模塊的信息輸出和控制繼電器進(jìn)行開(kāi)關(guān)鎖等工作。單片機(jī)控制模塊通過(guò)代碼執(zhí)行控制邏輯，使各種外設(shè)相互配合，確保實(shí)現(xiàn)要求的功能。3.2.2指紋采集模塊指紋采集模塊功能為采集用戶的指紋信息。該模塊通常采用高精度的光學(xué)指紋傳感器。用戶把手指放在傳感器上時(shí)，傳感器采集指紋的細(xì)節(jié)特征，將該特征信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并將該信號(hào)傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)主控芯片，芯片接收到信號(hào)后進(jìn)行后續(xù)識(shí)別判斷并控制門(mén)鎖開(kāi)關(guān)REF_Ref17062\r\h[3]。指紋采集模塊的性能決定系統(tǒng)能否快速、準(zhǔn)確地識(shí)別用戶指紋。該模塊需要具有高分辨率的特點(diǎn)，才能采集到更多指紋的細(xì)節(jié)，由于提取到的指紋圖像為模擬信號(hào)，容易受到外部信號(hào)的干擾，因此指紋采集模塊要具備低噪聲的功能，來(lái)確保采集到的信號(hào)準(zhǔn)確性。為提高用戶的使用體驗(yàn)，模塊具備指紋信息識(shí)別快速響應(yīng)的特點(diǎn)，降低了用戶的等待時(shí)間，提高用戶的使用體驗(yàn)。在實(shí)際使用中，需要考慮手指上是否帶有水漬或者灰塵等因素，該因素會(huì)影響指紋采集的效果，設(shè)計(jì)提高魯棒性來(lái)應(yīng)對(duì)各種不同的情況。3.2.3NFC模塊NFC模塊通過(guò)NFC卡的唯一身份標(biāo)識(shí)讀取人員身份，模塊內(nèi)部包含NFC讀卡器，能夠讀取靠近NFC卡上的信息。用戶將NFC卡靠近讀卡器，讀卡器讀取卡片上的信息，將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字后由模塊內(nèi)部傳輸給STM32F103ZET6，芯片接收信息后與數(shù)據(jù)庫(kù)中合法的NFC卡信息比對(duì)，核對(duì)持卡人身份，身份認(rèn)證成功后發(fā)送指令至門(mén)禁控制模塊，由門(mén)禁控制模塊控制門(mén)鎖開(kāi)啟，供用戶出入。NFC模塊設(shè)計(jì)考慮，在安全可靠的前提下進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)谋Ｃ苷J(rèn)證，杜絕數(shù)據(jù)未授權(quán)讀取，防止數(shù)據(jù)泄露。模塊支持NFC卡標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)接不同種類(lèi)用戶需求，對(duì)接現(xiàn)有系統(tǒng)。NFC模塊與用戶模塊交互，提供操作提示信息，狀態(tài)提示，驗(yàn)證成功或不成功，不正常異常行為，讀卡不正常，卡損情況，提示相應(yīng)信息。3.2.4顯示與按鍵模塊顯示模塊用于顯示當(dāng)前的指紋采集狀態(tài)、比對(duì)結(jié)果、密碼輸入提示、門(mén)外圖像等信息，為用戶提供簡(jiǎn)潔明晰的系統(tǒng)操作狀態(tài)，按鍵模塊采用矩陣鍵盤(pán)設(shè)計(jì)，用戶可以輸入密碼來(lái)進(jìn)行身份驗(yàn)證。該驗(yàn)證方式保證了系統(tǒng)的靈活性，提高了用戶的使用體驗(yàn)。3.2.5電子鎖執(zhí)行模塊電子鎖執(zhí)行模塊用于控制門(mén)鎖的開(kāi)關(guān)動(dòng)作，單片機(jī)將采集到的指紋和預(yù)先存儲(chǔ)的指紋進(jìn)行對(duì)比，判斷吻合性是否一致，根據(jù)結(jié)果控制繼電器開(kāi)關(guān)，實(shí)現(xiàn)開(kāi)鎖與關(guān)鎖的動(dòng)作。當(dāng)電子鎖執(zhí)行模塊檢測(cè)到門(mén)鎖長(zhǎng)時(shí)間而為關(guān)閉時(shí)，單片機(jī)會(huì)控制模塊上鎖。該模塊根據(jù)單片機(jī)發(fā)出的指令進(jìn)行快速的相應(yīng)，當(dāng)身份驗(yàn)證成功后快速開(kāi)鎖，在門(mén)閉合時(shí)快速關(guān)鎖，當(dāng)模塊檢測(cè)到電子鎖未開(kāi)而門(mén)被強(qiáng)行打開(kāi)，會(huì)觸發(fā)蜂鳴器報(bào)警。電子鎖執(zhí)行模塊需要具備高可靠性，以確保在各種情況下都能穩(wěn)定運(yùn)行，提高應(yīng)用場(chǎng)景的安全性。3.2.6圖像采集模塊圖像收集模塊用于對(duì)門(mén)外的實(shí)時(shí)圖像進(jìn)行采集并將圖像信息傳遞給圖像顯示模塊對(duì)實(shí)時(shí)圖像進(jìn)行顯示，用于人們通過(guò)顯示在圖像顯示模塊上對(duì)門(mén)外的實(shí)時(shí)圖像進(jìn)行觀察，從而能夠使人們?cè)陂T(mén)內(nèi)對(duì)門(mén)外實(shí)時(shí)觀察，能夠有效避免安全上的隱患，特別是在人們不清楚門(mén)外情況時(shí)，能夠通過(guò)圖像收集模塊對(duì)陌生人提前圖像確認(rèn)，避免不必要的麻煩，當(dāng)陌生人闖門(mén)時(shí)，能夠通過(guò)圖像收集模塊對(duì)陌生人的外貌特征、舉止進(jìn)行判斷進(jìn)而開(kāi)門(mén)，保證安全。3.3系統(tǒng)工作流程介紹當(dāng)用戶將手指貼到指紋采集模塊時(shí)，系統(tǒng)通過(guò)指紋采集模塊收集指紋圖像，并將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)傳輸給單片機(jī)。單片機(jī)控制模塊接收到信號(hào)后，運(yùn)用算法提取和比對(duì)指紋特征等方法進(jìn)行指紋吻合性判斷。若指紋匹配成功，單片機(jī)隨即向電子鎖執(zhí)行模塊發(fā)送信號(hào)，繼電器閉合，控制開(kāi)鎖。顯示模塊顯示當(dāng)前操作狀態(tài)、比對(duì)結(jié)果、門(mén)外圖像。人們還可通過(guò)NFC模塊和按鍵模塊輸入密碼驗(yàn)證身份，作為指紋識(shí)別的備用方案。門(mén)鎖開(kāi)啟后，系統(tǒng)會(huì)在預(yù)設(shè)時(shí)間內(nèi)等待用戶進(jìn)一步操作，如果未檢測(cè)到操作或用戶主動(dòng)關(guān)閉門(mén)鎖，電子鎖執(zhí)行模塊將自動(dòng)執(zhí)行上鎖，來(lái)保障安全。

第4章硬件設(shè)計(jì)4.1單片機(jī)選型與電路設(shè)計(jì)單片機(jī)選用STM32F103ZET6為主控芯片，該芯片是一款高性能的32位微控制器，基于ARMCortex-M3內(nèi)核，主頻最高可達(dá)72MHz。其具備512KB的Flash閃存和64KB的SRAM，采用144引腳的LQFP封裝，工作溫度范圍為-40°C至85°C，芯片穩(wěn)定性極高，適用于多種應(yīng)用場(chǎng)景。該芯片最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括電源電路、時(shí)鐘電路、Boot電路、下載/調(diào)試接口和復(fù)位電路。電源電路支持USB供電，最高5V電壓；時(shí)鐘電路支持內(nèi)部和外部多種時(shí)鐘源；Boot電路通過(guò)跳帽設(shè)置，出廠默認(rèn)即可使用；下載/調(diào)試接口支持JTAG/SWD和CH340USB串口調(diào)試；復(fù)位電路配備RST按鍵，框圖如圖4-1所示。圖4-1STM32F103ZET6最小系統(tǒng)框圖開(kāi)發(fā)STM32F103ZET6芯片時(shí)，通常使用C語(yǔ)言編程，結(jié)合多種固件庫(kù)和開(kāi)發(fā)工具。ST提供了StandardPeripheralLibrary(SPL)、STM32Cube（包括HAL和中間件組件）以及LLDrivers等固件庫(kù)，滿足不同開(kāi)發(fā)需求。開(kāi)發(fā)工具包括STM32CubeMX（圖形化配置工具）、KeilMDK-ARM和STM32CubeIDE等，支持代碼生成、編譯和調(diào)試。本系統(tǒng)將STM32F103ZET6開(kāi)發(fā)板連接到PCB排母上，原理圖如圖4-2所示。圖4-2STM32F103ZET6原理圖4.2指紋識(shí)別模塊指紋識(shí)別模塊選用FPM383C模塊，外形如圖4-3所示。圖4-3FPM383C模塊HLK-FPM383C是一款新型面陣式半導(dǎo)體指紋模組，適合應(yīng)用于門(mén)鎖、讀卡器和保險(xiǎn)箱等體積較小、使用電池供電的設(shè)備中。本模組采用電容式指紋傳感器，通過(guò)測(cè)量指紋信號(hào)，可以有效檢測(cè)假手指問(wèn)題。指紋傳感器表面使用高硬度涂層，在日常使用中，可以極大的減少對(duì)指紋傳感器的磨損。另外，HLK-FPM383C能承受15KV的靜電，這在冬天或者北方等靜電比較高地區(qū)使用時(shí)，不容易損壞指紋傳感器。該模組認(rèn)假率FAR低于百萬(wàn)分之一，拒真率低于百分之一點(diǎn)五；接口采用UART，波特率為57600；供電電壓為3.3V，與STM32F103C8T6芯片相同；分辨率為256灰度值，日常使用滿足其工作環(huán)境。本系統(tǒng)將HLK-FPM383C連接到PCB排母上，如圖4-4所示。圖4-4FPM383C模塊原理圖4.3NFC模塊NFC模塊選用PN532，PN532是一個(gè)高度集成的13.56MHz無(wú)接觸通信收發(fā)模塊，基于80C51微控制器核心。它支持六種不同的操作模式，包括ISO/IEC14443A/MIFARE讀寫(xiě)器/寫(xiě)入器、FeliCa讀寫(xiě)器/寫(xiě)入器、ISO/IEC14443B讀寫(xiě)器/寫(xiě)入器、ISO/IEC14443A/MIFARE卡仿真模式（MIFAREClassic1K或4K卡）、FeliCa卡仿真模式以及ISO/IEC18092、ECMA340對(duì)等通信模式。PN532實(shí)現(xiàn)了ISO/IEC14443A/MIFARE兼容卡和應(yīng)答器信號(hào)的解調(diào)器和解碼器，處理完整的ISO/IEC14443A幀和錯(cuò)誤檢測(cè)（奇偶校驗(yàn)和CRC）。它支持MIFAREClassic1K或4K卡仿真模式，并且能夠以高達(dá)424kbit/s的速度進(jìn)行無(wú)接觸通信。PN532還支持FeliCa信號(hào)的解調(diào)和解碼，處理FeliCa幀和錯(cuò)誤檢測(cè)，并且能夠以高達(dá)424kbit/s的速度進(jìn)行無(wú)接觸通信。本系統(tǒng)將NFC模塊連接到PCB排母上，如圖4-5所示。圖4-5NFC模塊原理圖4.4顯示與按鍵模塊電路設(shè)計(jì)TFT2.4寸彩屏是薄膜晶體管液晶顯示屏，具有出色的色彩效果，可以顯示數(shù)百萬(wàn)種顏色。分辨率為240x320像素，在室外也能夠清晰地看到顯示圖像。支持多種接口：SPI、I2C和并行接口，可以與不同主控芯片連接，工作電壓為3.3V，功耗低，可以延長(zhǎng)使用時(shí)間。視角范圍可達(dá)160度以上，在不同角度下也有良好的視覺(jué)效果。本系統(tǒng)中TFT2.4寸彩屏連接到PCB排母上，原理圖如圖4-6所示。圖4-6TFT2.4寸彩屏原理圖矩陣按鍵基于行列掃描技術(shù)。以4×4矩陣鍵盤(pán)為例，由4根行線和4根列線交叉構(gòu)成，按鍵位于交叉點(diǎn)。無(wú)按鍵按下時(shí)，所有輸入端為高電平。行線輸出低電平時(shí)，按鍵會(huì)使輸入線被拉低。通過(guò)讀取輸入線狀態(tài)可檢測(cè)按鍵。矩陣鍵盤(pán)檢測(cè)方法有行列掃描法和線翻轉(zhuǎn)法，本系統(tǒng)采用行列掃描法：將某一列設(shè)為低電平，其余列設(shè)為高電平，檢測(cè)各行線電平狀態(tài)，若某行線為低電平，則對(duì)應(yīng)按鍵被按下。依次對(duì)每一列操作，可確定按鍵位置。按鍵原理圖如圖4-7所示。圖4-7矩陣按鍵原理圖4.5電子鎖模塊選型與接口設(shè)計(jì)電子鎖模塊使用繼電器來(lái)實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)鎖，繼電器是一種電控制器件，具有控制系統(tǒng)（輸入回路）和被控制系統(tǒng)（輸出回路）之間的互動(dòng)關(guān)系，常用于自動(dòng)化控制電路中，起到自動(dòng)調(diào)節(jié)、安全保護(hù)、轉(zhuǎn)換電路等作用。其本質(zhì)上是一種用較小電流去控制較大電流的“自動(dòng)開(kāi)關(guān)”。最基本的繼電器主要由鐵芯、線圈、銜鐵、觸點(diǎn)簧片等組成，在線圈兩端施加電壓，線圈流過(guò)電流產(chǎn)生電磁力，銜鐵在電磁力作用下將觸電簧片頂起吸合到鐵芯上，動(dòng)觸點(diǎn)與靜觸點(diǎn)(常開(kāi)觸點(diǎn))吸合，斷開(kāi)的線圈失去電磁力，銜鐵在彈簧的作用下回到原始位置，動(dòng)觸點(diǎn)與靜觸點(diǎn)(常閉觸點(diǎn))回到原來(lái)位置，吸合、釋放過(guò)程是控制電路導(dǎo)通、吸合的過(guò)程。繼電器中，線圈未通電的常開(kāi)靜觸點(diǎn)為“常開(kāi)觸點(diǎn)”，通電后“常閉觸點(diǎn)”為“常閉觸點(diǎn)”。繼電器的作用原理是電磁感應(yīng)，當(dāng)線圈通電時(shí)，線圈產(chǎn)電磁吸力，鐵芯中的磁通加強(qiáng)，銜鐵吸合，簧片帶動(dòng)常閉觸點(diǎn)打開(kāi)，常開(kāi)觸點(diǎn)吸合。斷電，線圈失電，銜鐵在彈力下釋放，簧片帶動(dòng)觸點(diǎn)釋放。通過(guò)給線圈通入不同的電壓，可以控制觸點(diǎn)吸合與釋放，從而達(dá)到控制電路的目的。接近開(kāi)關(guān)是一種無(wú)需與運(yùn)動(dòng)部件進(jìn)行機(jī)械直接接觸而可以操作的位置開(kāi)關(guān)，當(dāng)物體接近開(kāi)關(guān)的感應(yīng)面到動(dòng)作距離時(shí)，不需要機(jī)械接觸及施加任何壓力即可使開(kāi)關(guān)動(dòng)作，從而為單片機(jī)提供控制指令。它是一種開(kāi)關(guān)型傳感器（即無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)），具有行程開(kāi)關(guān)、微動(dòng)開(kāi)關(guān)的特性，同時(shí)具備傳感性能，動(dòng)作可靠、性能穩(wěn)定、頻率響應(yīng)快、使用壽命長(zhǎng)、抗干擾能力強(qiáng)，并且具有防水、防震、耐腐蝕等特點(diǎn)，用于判斷門(mén)是否關(guān)閉，確保門(mén)鎖在關(guān)閉狀態(tài)下才能進(jìn)行指紋或密碼驗(yàn)證。如圖4-8所示。圖4-8繼電器原理圖4.6圖像采集模塊選型與接口設(shè)計(jì)圖像采集模塊選用OV7670攝像頭模組，該模組是一款廣泛應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)的CMOS圖像傳感器，具有體積小、功耗低、功能豐富等特點(diǎn)。該模塊支持VGA分辨率（640×480像素），能夠以最高30幀/秒的速度輸出圖像，OV7670還具備自動(dòng)白平衡、自動(dòng)曝光控制等高級(jí)圖像處理功能，并且可以通過(guò)SCCB接口進(jìn)行靈活配置。SCCB接口用于動(dòng)態(tài)調(diào)整傳感器設(shè)置，與I2C接口類(lèi)似，但速度更快。硬件連接時(shí)，需注意信號(hào)完整性和穩(wěn)定性，包括阻抗匹配、電源去耦設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)將OV7670攝像頭模塊連接到PCB排母上，如圖4-9所示。圖4-9OV7670攝像頭模塊原理圖

第5章軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)5.1單片機(jī)程序設(shè)計(jì)框架本系統(tǒng)以STM32F103ZET6單片機(jī)為核心，程序采用分層模塊化設(shè)計(jì)，構(gòu)建了多任務(wù)處理框架。硬件驅(qū)動(dòng)層涵蓋FPM383C指紋傳感器的特征提取算法驅(qū)動(dòng)、PN532模塊的NFC讀寫(xiě)協(xié)議棧、OV7670攝像頭的圖像采集驅(qū)動(dòng)、矩陣鍵盤(pán)掃描解碼程序、繼電器控制電路以及磁吸傳感器狀態(tài)檢測(cè)模塊，硬件驅(qū)動(dòng)層框圖如圖5-1所示。圖5-1硬件驅(qū)動(dòng)層框圖業(yè)務(wù)邏輯層主要實(shí)現(xiàn)指紋錄入、比對(duì)及刪除和NFC認(rèn)證、密碼設(shè)置與密碼認(rèn)證和防暴力破解四個(gè)業(yè)務(wù)。其中，指紋認(rèn)證業(yè)務(wù)和密碼設(shè)置與防暴力破解業(yè)務(wù)由指紋識(shí)別模塊實(shí)現(xiàn)，密碼管理業(yè)務(wù)由密碼管理模塊實(shí)現(xiàn)，安全監(jiān)控業(yè)務(wù)由磁吸傳感器觸發(fā)未關(guān)門(mén)報(bào)警和蜂鳴器警響實(shí)現(xiàn)，業(yè)務(wù)邏輯框圖如圖5-2所示。圖5-2業(yè)務(wù)邏輯層框圖用戶交互層基于2.8寸TFT彩屏，設(shè)計(jì)制作圖形化菜單，狀態(tài)機(jī)模式管理解鎖、系統(tǒng)設(shè)置看配置、查看系統(tǒng)等，中斷式實(shí)時(shí)接收傳感器事件，時(shí)間片循環(huán)輪詢式系統(tǒng)功能主循環(huán)，功能任務(wù)完成加密化保存，日志序列串口輸出，設(shè)置看門(mén)狗機(jī)制，保證系統(tǒng)異常時(shí)自動(dòng)恢復(fù)。各模塊之間通過(guò)消息隊(duì)列通信，高內(nèi)聚低耦合。系統(tǒng)流程圖如圖5-3所示。圖5-3系統(tǒng)流程圖5.2指紋識(shí)別設(shè)計(jì)FPM383C指紋模塊與STM32主控芯片依靠USART串口通信協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。系統(tǒng)傳輸波特率為115200bps，系統(tǒng)首先對(duì)指紋傳感器進(jìn)行初始化操作，建立穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸通道。指紋采集模塊采集指紋時(shí)，為保證圖像質(zhì)量，系統(tǒng)依次進(jìn)行三次圖像采集之后對(duì)三次數(shù)據(jù)取平均值，然后調(diào)用傳感器自帶的算法形成特征模板，系統(tǒng)給每個(gè)模板分配一個(gè)唯一的ID，將ID信息存儲(chǔ)在FLASH存儲(chǔ)器中。指紋驗(yàn)證環(huán)節(jié)采用1:N的比對(duì)方式，將現(xiàn)場(chǎng)采集的指紋特征進(jìn)行快速比對(duì)，并返回單片機(jī)的指紋相似度評(píng)分及比對(duì)結(jié)果[4]，采用自適應(yīng)閾值調(diào)整機(jī)制、防偽檢測(cè)模塊，提高系統(tǒng)識(shí)別率，識(shí)別真指紋，防止開(kāi)鎖。指紋管理支持指紋數(shù)據(jù)庫(kù)的添加、刪除、修改、查找，指紋數(shù)據(jù)全部以AES方式碼進(jìn)行編碼和存儲(chǔ)，TFT屏顯示本操作時(shí)的識(shí)別情況，形成指紋識(shí)別應(yīng)用方案。指紋流程圖如圖5-4所示圖5-4指紋流程圖5.3NFC識(shí)別設(shè)計(jì)PN532NFC模塊與STM32主控芯片之間使用I2C協(xié)議進(jìn)行高速傳輸信息。系統(tǒng)首先進(jìn)行初始化，對(duì)PN532模塊進(jìn)行初始化，設(shè)置模塊參數(shù)，如工作模式、速率等，使其處于最佳的工作狀態(tài)，為后續(xù)的NFC卡片識(shí)別工作做好準(zhǔn)備工作。用戶將NFC卡片靠近卡片讀取器，PN532模塊收到卡片信息，開(kāi)始進(jìn)行讀卡操作，通過(guò)模塊內(nèi)部的射頻電路與卡片信息進(jìn)行通信，讀取卡片信息中的UID（唯一標(biāo)識(shí)符）等信息，轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)通過(guò)I2C端口發(fā)送至主控芯片STM32，主機(jī)接收到卡片信息，在本地存儲(chǔ)的合法卡片信息庫(kù)中進(jìn)行快速檢索，若檢索到了對(duì)應(yīng)的卡片信息，則用戶合法，開(kāi)鎖，并在TFT彩屏上顯示“NFC識(shí)別成功”等字樣，同時(shí)蜂鳴器發(fā)出一聲短促的提示音，提示用戶開(kāi)鎖；若未檢索到對(duì)應(yīng)的卡片信息，則卡片非法，不開(kāi)鎖，并在TFT彩屏上顯示“NFC識(shí)別失敗，卡片非法”等字樣，同時(shí)蜂鳴器發(fā)出兩聲提示，提示用戶卡片無(wú)效。圖5-5NFC識(shí)別流程圖5.4顯示與按鍵控制設(shè)計(jì)顯示與按鍵控制程序采用狀態(tài)機(jī)模式，通過(guò)分層控制TFT屏幕和矩陣鍵盤(pán)。硬件驅(qū)動(dòng)層將4x4矩陣鍵盤(pán)使用softmax進(jìn)行按鍵掃面，去抖算法實(shí)現(xiàn)正確的密碼輸入；TFT顯示模塊采用FSMC接口進(jìn)行驅(qū)動(dòng)和雙緩沖避免顯示屏幕抖動(dòng)。在用戶接口層中建立三級(jí)菜單結(jié)構(gòu)(主界面層、功能設(shè)置層、系統(tǒng)設(shè)置層)采用字符畫(huà)面設(shè)計(jì)，顯示指紋采集、密碼更改等8項(xiàng)功能選擇菜單，采用頁(yè)面壓棧處理多級(jí)跳轉(zhuǎn)。業(yè)務(wù)邏輯層實(shí)現(xiàn)按鍵和按鍵輸入綁定；按鍵和顯示信息綁定：數(shù)字鍵盤(pán)輸入數(shù)字和密碼；“*”鍵為鍵盤(pán)管理；“#”鍵為鍵盤(pán)確認(rèn)鍵。點(diǎn)按后屏幕不同顯示，安全簡(jiǎn)單易行。顯示與按鍵控制流程圖如圖5-5所示。圖5-6按鍵與控制流程圖5.5攝像頭采集圖像設(shè)計(jì)OV7670攝像頭模塊通過(guò)SCCB模塊接口與STM32主控單片機(jī)相連接，用于采集門(mén)外圖像數(shù)據(jù)。在系統(tǒng)上電時(shí)對(duì)攝像頭模塊進(jìn)行初始化，配置攝像頭模塊分辨率、幀率、格式等參數(shù)，滿足系統(tǒng)對(duì)圖像數(shù)據(jù)采集要求。攝像頭模塊工作時(shí)按照參數(shù)采集圖像數(shù)據(jù)，通過(guò)SCCB模塊接口發(fā)送到主控單片機(jī)。主控芯片接受到的圖像數(shù)據(jù)首先需要進(jìn)行數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換和預(yù)處理，攝像頭圖像數(shù)據(jù)存在圖像噪點(diǎn)、色彩失真等因素，需要經(jīng)過(guò)圖像去噪、白平衡矯正、色調(diào)矯正等一系列算法的處理之后才能使用。處理后的數(shù)據(jù)存放在系統(tǒng)的圖像緩沖區(qū)中等待后續(xù)處理顯示。為了實(shí)現(xiàn)圖像的實(shí)時(shí)顯示，系統(tǒng)使用雙緩沖機(jī)制，其一，將圖像緩沖區(qū)內(nèi)處理好的圖片數(shù)據(jù)傳輸至TFT彩屏的顯示緩沖區(qū)內(nèi)，顯示緩沖區(qū)根據(jù)圖像緩沖區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像顯示，實(shí)時(shí)顯示圖像數(shù)據(jù)；其二，為了保持圖像數(shù)據(jù)的顯示的流暢度與平滑度，在主控芯片傳輸圖像數(shù)據(jù)的同時(shí)，還需要實(shí)時(shí)接收并處理攝像頭傳過(guò)來(lái)新的圖像數(shù)據(jù)，從而確保圖像緩沖區(qū)內(nèi)能顯示最新的圖像數(shù)據(jù)，避免圖像卡頓、延遲較大。圖5-7采集圖像流程圖5.6電子鎖開(kāi)關(guān)鎖設(shè)計(jì)開(kāi)鎖控制邏輯，采用多條件可靠檢測(cè)原理：當(dāng)指紋、NFC、密碼三種驗(yàn)證方式用戶選擇一種，通過(guò)磁吸傳感器檢測(cè)為關(guān)的狀態(tài)，繼電器動(dòng)作，觸發(fā)電控鎖，同時(shí)輸出500ms的大電流，使門(mén)打開(kāi)，可靠開(kāi)鎖，開(kāi)鎖成功后TFT綠色打開(kāi)蜂鳴器提示，倒計(jì)時(shí)5s，繼續(xù)檢測(cè)門(mén)磁。如果門(mén)沒(méi)有打開(kāi)(磁吸沒(méi)有變化)，系統(tǒng)將重新關(guān)門(mén)上鎖，發(fā)出報(bào)警，如果門(mén)打開(kāi)，則在關(guān)門(mén)的同時(shí)重新自動(dòng)上鎖。電子鎖控制流程圖如圖5-6所示。圖5-8電子鎖控制流程圖

第6章系統(tǒng)測(cè)試與評(píng)估6.1軟件調(diào)試與優(yōu)化對(duì)軟件的調(diào)試優(yōu)化主要分幾個(gè)階段來(lái)進(jìn)行，首先是使用串口調(diào)試軟件檢測(cè)傳感實(shí)時(shí)傳感數(shù)據(jù)流和狀態(tài)標(biāo)志位是否正常，檢查指紋特征、NFC數(shù)據(jù)處理等算法是否運(yùn)行正常；再使用邏輯分析儀對(duì)繼電器的控制信號(hào)和門(mén)磁檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，檢查開(kāi)鎖邏輯和安全邏輯是否配合工作。系統(tǒng)集成階段，常用場(chǎng)景使用模型建立連續(xù)快速認(rèn)證、4.5V-5.5V、-10℃50℃測(cè)試、應(yīng)用性能分析器查找SPI屏刷新時(shí)間及指紋匹配時(shí)間等應(yīng)用性能分析，在系統(tǒng)建立常用場(chǎng)景使用模型。優(yōu)化內(nèi)容有3個(gè)：優(yōu)化指紋特征比對(duì)函數(shù)，將識(shí)別時(shí)間控制在800ms以內(nèi)；重構(gòu)狀態(tài)機(jī)，按鍵縮短40%；測(cè)試系統(tǒng)是否正常，壓力測(cè)試72小時(shí)，測(cè)試系統(tǒng)正常不出現(xiàn)泄漏死鎖，日志操作帶時(shí)間戳記錄方便后續(xù)分析。編譯測(cè)試圖如下：圖6-1編譯測(cè)試圖串口軟件燒錄圖如下：圖6-2串口軟件燒錄圖6.2硬件調(diào)試與優(yōu)化硬件測(cè)試就是對(duì)于硬件檢測(cè)，在程序正確的情況下，對(duì)于所焊接的板子進(jìn)行檢查，檢查內(nèi)容主要包括：電路板焊接有無(wú)虛焊、連焊，漏焊等情況；檢查導(dǎo)線是否連接，有無(wú)斷開(kāi)；用萬(wàn)用表檢查電路板各個(gè)焊點(diǎn)之間是否導(dǎo)通，有無(wú)焊接問(wèn)題。若以上檢測(cè)都沒(méi)有問(wèn)題，即可進(jìn)入功能測(cè)試。整體實(shí)物圖如下所示：圖6-3整體實(shí)物圖6.3指紋識(shí)別準(zhǔn)確率測(cè)試在測(cè)試中，選取10名測(cè)試人員，每人錄入5枚指紋，指紋識(shí)別模塊將指紋信息傳給STM32生成合法模板，同時(shí)收集了10名測(cè)試人員的另外五枚指紋，一共50枚非法指紋樣本進(jìn)行對(duì)比測(cè)試。經(jīng)測(cè)試，系統(tǒng)指紋識(shí)別率為98.5%，誤識(shí)別率為1.5%，從指紋測(cè)試結(jié)果可以看出，指紋識(shí)別可以很好的分辨真?zhèn)沃讣y，系統(tǒng)安全可靠。指紋測(cè)試過(guò)程中，指紋采集模塊在極端條件下(指紋采集模塊上沾有污物、指紋過(guò)于干燥)，識(shí)別率會(huì)有小幅度的降低，提醒使用過(guò)程中注意保持清潔干燥，以更好提高指認(rèn)率。指紋測(cè)試圖如下：圖6-3指紋測(cè)試圖6.4密碼注冊(cè)與開(kāi)鎖測(cè)試在系統(tǒng)設(shè)定中，按下4*4矩陣鍵盤(pán)中的14按鍵進(jìn)行密碼注冊(cè)，新密碼為222222，完成密碼之后，按12按鍵退出密碼注冊(cè)頁(yè)面，返回到主頁(yè)面，之后輸入剛剛新設(shè)定的密碼進(jìn)行開(kāi)鎖測(cè)試。測(cè)試圖如下：圖6-4密碼注冊(cè)圖6-5新密碼輸入圖6.5NFC模塊測(cè)試為了測(cè)試系統(tǒng)能否準(zhǔn)確的識(shí)別出NFC設(shè)備（如NFC卡），并且能夠?qū)⒆R(shí)別的信息正確的傳輸給單片機(jī)進(jìn)行身份驗(yàn)證。準(zhǔn)備多個(gè)不同的NFC卡（包含錄入過(guò)的和沒(méi)有錄入過(guò)的身份信息），然后將每個(gè)NFC卡靠近NFC模塊，觀察單片機(jī)控制模塊的反應(yīng)和顯示模塊的顯示內(nèi)容，對(duì)于錄入過(guò)的NFC卡進(jìn)行正確識(shí)別，對(duì)于未被錄入過(guò)的NFC卡進(jìn)行拒絕。測(cè)試圖如下。圖6-6NFC測(cè)試圖6.6圖像采集模塊測(cè)試在系統(tǒng)設(shè)定中，按下4*4鍵盤(pán)中13按鍵進(jìn)行門(mén)外圖像采集，測(cè)試TFT彩屏顯示的圖像是否清晰、準(zhǔn)確，確定操作狀態(tài)和屏幕顯示正確，門(mén)外圖像清晰可辨，無(wú)顯示錯(cuò)誤和延遲。測(cè)試圖如下所示：圖6-7圖像采集測(cè)試圖6.7測(cè)試結(jié)果分析與評(píng)估綜合分析與評(píng)價(jià)：通過(guò)以上測(cè)試，系統(tǒng)在指紋識(shí)別率，響應(yīng)速度，可靠性和穩(wěn)定性方面滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求，具有推廣應(yīng)用的價(jià)值。高識(shí)別率與誤率，保證了系統(tǒng)的安全性；適宜的響應(yīng)速度，滿足了系統(tǒng)的快速開(kāi)鎖需求；高穩(wěn)定性和可靠性，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。同時(shí)仍有可以提升改進(jìn)之處，如復(fù)雜條件下，響應(yīng)時(shí)間的增加和指紋模塊在高條件下檢測(cè)率下降。針對(duì)這些不足，在后續(xù)的工作中進(jìn)一步調(diào)整改進(jìn)指紋識(shí)別算法，提高硬件的抗擾度，增加一些關(guān)鍵模塊的冗余度，進(jìn)一步地提升系統(tǒng)的性能和可靠性。

結(jié)語(yǔ)在科技快速進(jìn)步，人們追求安全性和便捷性的情況下，利用單片機(jī)指紋識(shí)別密碼鎖系統(tǒng)作為安全門(mén)禁系統(tǒng)的新技術(shù)發(fā)展前途不可限量，該系統(tǒng)以STM32F103ZET6單片機(jī)為核心，利用指紋識(shí)別技術(shù)、NFC模塊技術(shù)、TFT彩屏顯示技術(shù)、圖像采集技術(shù)等組成高效安全豐富的門(mén)禁控制系統(tǒng)。在設(shè)計(jì)的過(guò)程中，通過(guò)對(duì)指紋識(shí)別技術(shù)的研究和設(shè)計(jì)，在系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)高精度的指紋識(shí)別，通過(guò)設(shè)計(jì)NFC模塊和密碼輸入模塊作為備用方案，提高了系統(tǒng)的彈性，保證了系統(tǒng)的可靠性。通過(guò)引入TFT彩屏，使得用戶在使用過(guò)程中更為直觀，并且能夠?qū)崟r(shí)顯示反饋信息。同時(shí)通過(guò)圖像采集模塊，提高系統(tǒng)的安全性能，用戶可以通過(guò)門(mén)內(nèi)屏查看門(mén)外的圖像，保證了用戶安全。通過(guò)測(cè)試與評(píng)價(jià)，本設(shè)計(jì)在指模的識(shí)別的正確率，系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間，穩(wěn)定性與可靠性三個(gè)方面都基本滿足了本設(shè)計(jì)的預(yù)期要求，測(cè)試得本系統(tǒng)指紋識(shí)別的正確率為98.5%，錯(cuò)誤率為1.5%，系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間在可以接受的范圍內(nèi)，系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間和環(huán)境下穩(wěn)定可靠，證明了本系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)是合理有效的。測(cè)試過(guò)程也存在可以改進(jìn)的地方：在惡劣環(huán)境下，對(duì)響應(yīng)時(shí)間的波動(dòng)和指紋識(shí)別模塊的準(zhǔn)確率下降。針對(duì)上述存在的問(wèn)題，未來(lái)可繼續(xù)優(yōu)化指紋識(shí)別模塊的算法，增加硬件的抗干擾性，提高關(guān)鍵模塊的冗余度，從而提高系統(tǒng)的性能和可靠性。本設(shè)計(jì)完成了單片機(jī)和指紋識(shí)別技術(shù)的融合，形成了一種全新的門(mén)禁控制系統(tǒng)，不僅滿足了智能化的安全防護(hù)需求，還為智能家居、智能辦