通過采用單片機和指紋識別模塊實現電子機械鎖的設計

引言

隨著生活水平的提高，人們對物質生活的要求越來越高，尤為注重住宅安全問題。隨著生物特征識別技術的發展，指紋識別技術逐漸進入人們的生活領域，指紋鎖進入了人們的家庭。常見的指紋鎖，需要管理員指紋或者管理員密碼，才能進行指紋和密碼的添加和刪除操作。本文設計的電子機械鎖，具有上述功能，還可以用正確鑰匙管理指紋和密碼。

常見的指紋鎖配備的機械鎖，可使用普通的正確鑰匙打開，安全級別較低，很容易被專業人員破解。本文設計的基于PIC16F72的機械鎖，配套的鑰匙內置編碼芯片，能夠設置正確鑰匙以及發送鑰匙編碼信息，只有用正確鑰匙才能打開，不能被鐵絲或其他非法鑰匙打開，安全性大大提高。在非法開門的情況下，機械鎖發送報警信息。

1 、系統設計方案

電子機械鎖，分為電子鎖和機械鎖這兩個部分。電子鎖以單片機ATmega162為核心，通過指紋識別模塊，完成了對指紋管理的操作；通過鍵盤，完成密碼管理的操作；通過超外差接收模塊，能夠接收來自機械鎖的鑰匙編碼信息，完成與機械鎖的通信。

機械鎖以PIC單片機PIC16F72為核心，獲取鑰匙編碼信息，經超外差發送模塊發送。超外差發送和接收模塊的工作頻率在433 MHz，PCB布線時注意超外差模塊，遠離其他器件，不然會影響系統的工作狀態。另外，該系統要求體積小，供電方便，整個系統的功耗要盡量低。

1．1 電子鎖框圖

電子鎖主體為AVR單片機ATmega162、指紋識別模塊、超外差接收模塊、12 V電子鎖驅動、門鎖、鍵盤、按鍵和指示燈等，如圖1所示。指紋識別模塊型號為：TFS-M12，采用TI的DSP芯片TMS320VC5501，指紋算法采用TFS-9。穩定快速的芯片以及優良的指紋算法，不僅提高了整個系統的識別率以及縮短了識別時間，而且大大縮短了整個系統的研發時間。

電子鎖在不使用的時候，處于睡眠狀態。用戶打開指紋識別模塊上的金屬防塵罩時，產生喚醒信號，電子鎖進入正常工作狀態。

正常工作狀態下，電子鎖支持兩種開門方式：指紋開門和輸入密碼開門。指紋采集頭上輸入指紋，指紋識別模塊將當前指紋與已存指紋進行比較，單片機ATmega162接收到比較結果，若正確產生開門信號，經12 V電子鎖驅動，打開門鎖。鍵盤輸入密碼，單片機ATmega162將當前輸入密碼和用戶設置的正確密碼進行比較，若正確產生開門信號，經12 V電子鎖驅動，打開門鎖。輸入指紋和密碼的機會共3次，若3次都錯誤，系統進入睡眠狀態。

1．2 機械鎖框圖

機械鎖主體為PIC單片機PIC16F72、超外差發送模塊、設置鍵、指示燈等，如圖2所示。設置正確鑰匙步驟：按下設置鍵，指示燈常亮，插入需要設置的鑰匙，等待指示燈有規律的閃爍3下，設置成功；設置完成后用正確鑰匙開門1次，恢復正常使用狀態。當插入錯誤鑰匙或者是鐵絲等非法鑰匙時，指示燈會快速閃爍，并通過超外差發送模塊發送報警信息。

為了降低整個系統的功耗，機械鎖在不使用時，處于不工作狀態。在安裝機械鎖的時候，會在機械鎖的鎖芯安裝一個金屬轉接口，該金屬轉接口連接了電子鎖的防塵罩，轉動金屬轉接口，不僅給機械鎖供電使之進入正常工作狀態，還喚醒電子鎖，讓電子鎖進入正常工作狀態。轉動金屬轉接口，還使得電子鎖中的單片機ATmega162第4口的第5位（即P4．5）變成高電平，電子鎖只處理來自機械鎖發出的信息。

機械鎖正常工作狀態時，插入鑰匙，單片機PIC16F72會識別鑰匙的編碼，若正確，則打開鎖芯上的閥，可以轉動鑰匙開門，若錯誤則發送錯誤鑰匙信息，鎖芯的閥依舊關閉，不能開門，從而保證了，用戶的安全。

1．3 電子鎖和機械鎖的通信

電子鎖和機械鎖之間的通信是通過超外差發送和接收模塊完成。機械鎖發送如圖3所示的信息，每位數據寬度為1 ms。由于噪聲的影響，單片機ATmega162只能通過查詢方式接收。

前導碼是由23位數據組成。數據碼由FAH碼、地址碼以及KEY碼組成，每個數據碼有10位，分別由8位數據、起始位（1）和結束位（0）組成。

地址碼就是機械鎖的識別碼，識別碼是惟一的，每次讀取KEY碼，都會將當前地址碼和存儲的地址碼進行比較，若相同才能讀取KEY碼，因此不會接收來自其他用戶的鎖發出的信息。

KEY碼就是鑰匙的編碼，每個鑰匙的編碼是惟一的，因此可以記錄用戶家庭成員的開門信息，方便用戶查詢。電子機械鎖應用在辦公場合時，若發生偷竊情況，可以查詢最近的開門信息，來確定懷疑對象；也可以查詢特殊鑰匙開門情況，比如保姆工作的具體時間。若發生非法開門時，KEY碼為0x00，接收到該KEY碼時，產生報警信號。

2、 指紋識別算法原理

2．1 指紋識別算法

指紋識別分為以下4個步驟如圖4所示。

指紋圖像預處理是最重要的一步，關系到后面提取的特征點的正確與否。

由于指紋采集設備的不完善性，對于干、濕、臟、老化、磨損的指紋，往往難以采集到清晰的圖像，因此需要圖像增強，是指紋圖像預處理中重要的一步，采用Gabor濾波完成。根據指紋圖像局部區域的紋線分布具有較穩定的方向和頻率，設計相應的Gabor帶通濾波器，能有效地在局部區域對指紋進行修正和濾噪。Gabor函數是惟一能達到時頻測不準關系下界的函數，二維表達式為：

Gabor函數是二維高斯函數在空間頻率域的平移函數，σx，σy為對應于x方向和y方向的角頻率平移參數。二維Gabor函數的實部和虛部可各自表示為一個函數，分別稱為偶Gahor和奇Gabor函數。偶Gahor函數適于增強目標物體，而奇Gabor函數適于增強物體邊緣。

Gabor濾波器系數分量為：

式中：x=mcosφ+nsinφ；y=-msinφ+ncosφ；（i，j）為當前點的坐標，φ為當前點（塊）的方向，f為當前塊（整體）的正弦平面波的頻率；（m，n）取值范圍與指紋圖像的坐標（i，j）取值范圍相同。σx，σy增大，對噪聲的適應能力增強，但有可能會產生偽紋線；減小，消除噪聲的作用減弱。

對于每一點，根據其方向、頻率，求出Gabor濾波器系數，然后根據式（3）計算當前點濾波后的值：

從圖5可很明顯地看出，經過Gabor濾波處理后，圖像對比增強，紋理清晰，特征明顯，提高了后續提取指紋特征點的正確率。

2．2 指紋識別模塊的通信協議

指紋識別模塊作為從設備，通過串口，由主芯片ATmega162發送相關命令對其進行控制。

命令接口：19200b／s 1起始位1停止位（無校驗位）。

主芯片發送的命令及指紋模塊的應答數據長度為8 B，數據格式如下：

CMD：命令／應答類型；P1．P2，P3：命令參數；Q1，Q2，Q3：應答參數；CHK：校驗和，為第2字節到第6字節的異或值；Q3用于返回操作的有效性信息，表示操作是否成功，數據是否存在，采集指紋超時等。

3 、程序設計

系統從睡眠狀態啟動時，首先進行系統初始化，然后進入正常工作狀態，如圖6所示。

轉動機械鎖上的金屬轉接口會改變單片機ATmega162的P4．5的狀態。開啟金屬轉接口，單片機ATmega162處理來自機械鎖發送的信息；關閉金屬轉接口，單片機ATmega162處理來自電子鎖上指紋識別模塊或鍵盤的信息。

系統還開啟了兩個中斷：設置中斷和匹配中斷。匹配中斷就是電子鎖和指定的機械鎖進行匹配，只接收來自指定的機械鎖發出的信息；設置中斷就是指紋和密碼的管理。

3．1 匹配中斷

匹配中斷是鏈接多特征電子機械鎖兩個部分的前提，初次安裝電子機械鎖必須進行匹配中斷。在開啟該中斷前，必須沒置好正確鑰匙。匹配中斷為外部中斷，通過按下控制系統模塊上的匹配鍵，進入匹配中斷如圖7所示。

3．2 設置中斷

設置中斷分為兩種模式：普通模式和特殊模式。特殊模式就是利用正確鑰匙管理指紋和密碼，如圖8所示。

多特征電子機械鎖添加了鑰匙管理指紋和密碼的功能，目前的指紋鎖并不具備該功能。當沒有管理員指紋，而密碼忘記的情況下，該鎖可以用正確鑰匙進行指紋和密碼的添加和刪除，給用戶帶來了方便。

4、 實驗結果與分析

超外差發送和接收模塊之間的通信，由于外界噪聲和系統本身的影響，不是每次都能接收到如圖3的信息，可能會出現通信錯誤的情況，為此進行可靠性測試實驗。

用示波器精確測量超外差接收模塊上的波形的時序，調整代碼，使偵測點落在高電平的中間；仔細計算延時函數，確保時間的準確性。在實際調試過程中，進行了5組的實驗，每組的測試條件都不同，如溫度、環境噪聲等，每組測試100次，共計500次的測試，只出現了2次沒有正確識別鑰匙的情況，可靠性達到99．6％，具有實際應用價值。

5 、結語

本文設計的電子機械鎖，巧妙利用超外差發送和接收模塊，把兩個相對獨立的部分鏈接起來。整個系統以單片機ATmega162為核心，直接控制指紋識別模塊和鍵盤，并通過超外差發送和接收模塊，間接控制機械鎖部分。多特征電子機械鎖不僅可以用管理員指紋和密碼管理用戶信息，還可以使用正確鑰匙管理用戶信息，目前市場上還沒有具備該功能的鎖出現。該鎖功能強大，給用戶帶來了方便和快捷的同時，安全性也得到大大提高。

責任編輯：gt