基于單片機(jī)和指紋識(shí)別技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)智能門禁的設(shè)計(jì)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?jī)?nèi)容 3279402.系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì) 4161302.1指紋識(shí)別技術(shù)原理簡(jiǎn)介 4130112.2指紋圖像的預(yù)處理 5299062.3指紋圖像特征點(diǎn)的提取 724202.4指紋圖像特征匹配 7253093.硬件部分的設(shè)計(jì) 8233323.1系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)方案 8177893.2指紋錄入模塊 955093.3STM32單片機(jī)模塊 11281613.4顯示電路模塊 119623.5報(bào)警電路模塊 1295523.6串口電路模塊 1358634.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 148494.1指紋識(shí)別部分的主程序設(shè)計(jì) 14283414.2藍(lán)牙控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 15322755.設(shè)計(jì)實(shí)物的測(cè)試 17289386.總結(jié)與展望 1813277參考文獻(xiàn) 19緒論1.1門禁系統(tǒng)的概述門禁系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)未來(lái)建筑的智能化設(shè)計(jì)的必要部分。這里介紹的門禁系統(tǒng)并不是指?jìng)鹘y(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(gè)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(chǔ)以及狀態(tài)控制都由它負(fù)責(zé)；門禁前端通過(guò)各類讀卡器和生物識(shí)別儀器作為識(shí)別設(shè)備，同時(shí)也承擔(dān)對(duì)用戶身份信息進(jìn)行采集的工作。門禁的具體執(zhí)行要靠鎖具來(lái)實(shí)現(xiàn)，通常選擇是要考慮到自身需求和應(yīng)用場(chǎng)所。最能體現(xiàn)門禁智能化的地方就是管理軟件，通過(guò)一臺(tái)電腦進(jìn)行集中化管理和監(jiān)控，可以自主定義識(shí)別方式，將出入信息存檔管理，開(kāi)拓其他功能。還有一些其它的相關(guān)設(shè)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(shè)計(jì)[D].華北理工大學(xué),2019.[]楊晶晶.基于STM32的智能門禁系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[D].華北理工大學(xué),2019.當(dāng)前，按照我國(guó)門禁系統(tǒng)廣泛采用的三種識(shí)別方式和技術(shù)原理進(jìn)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(guò)使用者設(shè)置獨(dú)特的一串?dāng)?shù)字，通過(guò)判斷輸入的數(shù)字密碼與初始設(shè)置數(shù)字密碼是否相同來(lái)控制門鎖上的開(kāi)關(guān)。密碼門禁系統(tǒng)安裝成本低，操作非常方便，對(duì)使用場(chǎng)合、操作流程要求低。但是其安全性較低，密碼設(shè)置過(guò)于簡(jiǎn)單會(huì)導(dǎo)致密碼泄露，密碼設(shè)置過(guò)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(yīng)用于高校圖書(shū)館，宿舍門禁等場(chǎng)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(wèn)題的等種種技術(shù)缺點(diǎn),同時(shí)還具有體積小、讀取速度快和卡片信息不會(huì)被盜取從而將其安全性大大提高等多種優(yōu)勢(shì)，逐漸成為當(dāng)前智能卡門禁系統(tǒng)的主流。（3）生物識(shí)別門禁系統(tǒng)：這類門禁利用人本身所擁有的身體特征獨(dú)特之處來(lái)建立生物信息數(shù)據(jù)，通過(guò)這些數(shù)據(jù)反過(guò)來(lái)確立身份。現(xiàn)如今，應(yīng)用于日常生活中比較常見(jiàn)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(shù)對(duì)各方面要求都比較嚴(yán)格，面部易于通過(guò)裝飾改變而造成識(shí)別混亂。指紋利用每個(gè)人手指紋路形狀走向不同來(lái)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(shí)別介質(zhì)來(lái)自使用者自身，無(wú)需特地?cái)y帶和記憶，安全性非常高，非人為故意偽造情況下的重復(fù)幾率非常低。1.2門禁系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀我國(guó)在90年代初期開(kāi)始使用指紋技術(shù)實(shí)現(xiàn)識(shí)別功能。從2000年開(kāi)始供求關(guān)系發(fā)生巨大的變化，隨之而來(lái)的相關(guān)技術(shù)、工具器件和處理方法等一系列相關(guān)共性技術(shù)成果以及衍生產(chǎn)品得以發(fā)展壯大，這項(xiàng)技術(shù)獲得突破的同時(shí)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(yīng)用場(chǎng)合不夠廣泛。從2004年以后，隨著手機(jī)、電腦和儲(chǔ)存設(shè)備的迅猛發(fā)展，指紋識(shí)別技術(shù)才開(kāi)始進(jìn)入綜合發(fā)展的階段[[]王瑩.基于指紋識(shí)別技術(shù)的智能門禁系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[D].天津科技大學(xué),2014.[]王瑩.基于指紋識(shí)別技術(shù)的智能門禁系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[D].天津科技大學(xué),2014.隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和各類識(shí)別技術(shù)以及大眾對(duì)門禁的安全性和智能性的要求的提高，市場(chǎng)中現(xiàn)有的門禁系統(tǒng)種類已經(jīng)非常豐富了。其中常見(jiàn)的生物識(shí)別特征技術(shù)有人臉、指紋、掌形、掌紋、虹膜以及語(yǔ)言識(shí)別等等。應(yīng)用場(chǎng)合也從公共圖書(shū)館，安全性要求高的研究所，電力變電站等場(chǎng)合應(yīng)用到普通住戶家中。生物特征識(shí)別技術(shù)可通過(guò)以下幾個(gè)特點(diǎn)來(lái)評(píng)判[[][]劉倩穎,劉季.生物特征識(shí)別技術(shù)在身份驗(yàn)證領(lǐng)域發(fā)展趨勢(shì)[J].電子世界,2020(05):23-24.廣泛性，該生物特征是否可以應(yīng)用于大眾場(chǎng)合。獨(dú)特性，該生物特征與其他個(gè)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(shù)與場(chǎng)所是否易于實(shí)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(shí)，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(jiàn)的身份鑒定方式在上文中列舉的幾點(diǎn)參數(shù)方面的比較。表1-1：生物特征參數(shù)比較對(duì)上文中的生物識(shí)別特征技術(shù)的優(yōu)劣性進(jìn)行比較，得到結(jié)論：人臉識(shí)別的獨(dú)特性與性能較低，虹膜識(shí)別的接受性低，語(yǔ)音識(shí)別的獨(dú)特性、持久性以及防偽性低，掌紋識(shí)別和指紋識(shí)別這兩種識(shí)別方式的持久性、獨(dú)特性、采集性、接受性、防偽性均沒(méi)有大的弊端和缺點(diǎn)，同時(shí)也沒(méi)有大的亮點(diǎn)。對(duì)于需要應(yīng)用在大多數(shù)場(chǎng)合，被大多數(shù)人使用的系統(tǒng)，采用指紋識(shí)別更易于實(shí)現(xiàn)。采用指紋技術(shù)也有一些弊端，由于手指摩擦指紋磨損，沾上污染物無(wú)法識(shí)別指紋或手指受傷等情況時(shí)均無(wú)法通過(guò)指紋識(shí)別打開(kāi)門禁。這時(shí)通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，附加手機(jī)APP控制門禁系統(tǒng)，采用高性能的無(wú)線收發(fā)傳輸系統(tǒng)HC-06藍(lán)牙模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)手機(jī)終端發(fā)送信息的采集[[]徐富強(qiáng),盧聞州,熊化亮,孫英倫,楊歡,屈笑.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的新型智能門鎖設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),2017,7(08):65-68+71.[]徐富強(qiáng),盧聞州,熊化亮,孫英倫,楊歡,屈笑.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的新型智能門鎖設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),2017,7(08):65-68+71.1.3課題的主要研究?jī)?nèi)容本課題采用生物識(shí)別系統(tǒng)中應(yīng)用較為廣泛，實(shí)現(xiàn)較為簡(jiǎn)單的指紋識(shí)別，同時(shí)考慮到指紋識(shí)別無(wú)法使用的常見(jiàn)情況，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)雙重保障。本論文分為六個(gè)部分來(lái)闡述設(shè)計(jì)，將各章節(jié)核心內(nèi)容簡(jiǎn)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(shí)別技術(shù)為門禁系統(tǒng)帶來(lái)的便利，提出物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的加入對(duì)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(shè)計(jì)）：通過(guò)介紹指紋識(shí)別技術(shù)的原理，闡述指紋信息的提取、處理和比對(duì)方法。第三章（硬件部分的設(shè)計(jì)）：本章介紹了該系統(tǒng)的硬件部分，內(nèi)容包括STM32單片機(jī)模塊，指紋錄入識(shí)別模塊，LCD1602顯示模塊，晶振電路報(bào)警模塊以及藍(lán)牙串口模塊。第四章（軟件部分的設(shè)計(jì)）：大致分為指紋識(shí)別與藍(lán)牙控制兩個(gè)部分。第五章（設(shè)計(jì)實(shí)物的調(diào)試）：對(duì)實(shí)物電路板的個(gè)功能進(jìn)行測(cè)試觀察，總結(jié)系統(tǒng)的功能。第六章（總結(jié)與展望）：對(duì)整個(gè)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路進(jìn)行總結(jié)，逐條展示各部分功能的實(shí)現(xiàn)，最后根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)反思本設(shè)計(jì)的不足，列舉提高點(diǎn)。系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)中的門禁系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)途徑是通過(guò)指紋特征識(shí)別技術(shù)，附加藍(lán)牙功能實(shí)現(xiàn)手機(jī)控制手段。指紋識(shí)別技術(shù)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(guò)分析指紋識(shí)別技術(shù)的基本原理、指紋圖像的處理流程、指紋的匹配原則來(lái)介紹本系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)過(guò)程。2.1指紋識(shí)別技術(shù)原理簡(jiǎn)介人類的皮膚紋路在形狀、走向和結(jié)構(gòu)具有或大或小的差異，其中指紋就表現(xiàn)為獨(dú)特的和終生不變這兩個(gè)關(guān)鍵的特點(diǎn)，將一個(gè)人的身份信息唯一確定且長(zhǎng)久有效，一份指紋信息代表一個(gè)人的身份證據(jù)，將采集的指紋信息與留存的信息比對(duì)，用來(lái)鑒別身份。廣泛應(yīng)用于警察部門對(duì)各類犯罪違法嫌疑人身份的精確鎖定,智能手機(jī)開(kāi)機(jī)，門禁系統(tǒng)身份的認(rèn)證等等[[]李穎.基于半監(jiān)督學(xué)習(xí)的指紋識(shí)別方法研究[D].山東大學(xué),2013.[]李穎.基于半監(jiān)督學(xué)習(xí)的指紋識(shí)別方法研究[D].山東大學(xué),2013.采用指紋識(shí)別控制門禁系統(tǒng)是眾多生物特征識(shí)別技術(shù)門禁系統(tǒng)中應(yīng)用得最廣泛、價(jià)格也相對(duì)最低廉的、操作起來(lái)也很簡(jiǎn)便的一種門禁類型。指紋鎖識(shí)別指紋主要通過(guò)指紋圖像獲取、預(yù)處理獲取的圖像、提取紋線信息、標(biāo)記并提取細(xì)節(jié)特征、保存提取數(shù)據(jù)并算法比對(duì)[[]田師思.指紋鎖的發(fā)展研究[J].科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新,2020(12):81-82.[]田師思.指紋鎖的發(fā)展研究[J].科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新,2020(12):81-82.圖2-1.指紋識(shí)別過(guò)程2.2指紋圖像的預(yù)處理指紋圖像預(yù)處理是為了幫助加強(qiáng)圖像清晰度，得到滿足后續(xù)提取和匹配工作所需要的標(biāo)準(zhǔn)快速準(zhǔn)確識(shí)別指紋信息。由于采集指紋會(huì)受到外界靜電干擾導(dǎo)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(guò)小出現(xiàn)紋路斷裂不完整的情況。這個(gè)過(guò)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(wú)法識(shí)別等問(wèn)題。此環(huán)節(jié)通常包含對(duì)圖像進(jìn)行去噪處理、增強(qiáng)可識(shí)別性、增強(qiáng)清晰度等部分，對(duì)于應(yīng)用場(chǎng)景的差異，對(duì)指紋圖像有高低不同的質(zhì)量要求，考慮到處理過(guò)程的經(jīng)濟(jì)高效不同情況下的預(yù)處理過(guò)程可適當(dāng)改變。通過(guò)對(duì)原圖像進(jìn)行均衡化、分割、平滑、增強(qiáng)、二值化、細(xì)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(shí)別信息，提高識(shí)別結(jié)果的效率和準(zhǔn)確率[[]楊磊.基于STM32的指紋識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].杭州電子科技大學(xué),2012[]楊磊.基于STM32的指紋識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].杭州電子科技大學(xué),2012.1)均衡化在一幅指紋圖像中，不同的像素點(diǎn)擁有不同的灰度級(jí)，而且擁有不同的灰度級(jí)點(diǎn)的像素?cái)?shù)量灰度分布都不十分均勻。均衡化個(gè)數(shù)通常用一個(gè)直方圖來(lái)表示，根據(jù)這個(gè)直方圖所得函數(shù)關(guān)系并結(jié)合有關(guān)概率論知識(shí)，將初始數(shù)據(jù)中所得像素值多的灰度級(jí)擴(kuò)充，相應(yīng)的如果灰度個(gè)數(shù)少，灰度級(jí)將變窄。經(jīng)過(guò)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(shí)使圖像灰度級(jí)次的可取值的范圍又得到較大擴(kuò)展,原始圖像中的谷線和脊線對(duì)比度增強(qiáng)，從而圖像的清晰度得以增強(qiáng)。2）分割處理采集過(guò)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(yīng)指紋的結(jié)構(gòu)。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(wú)關(guān)的數(shù)字信息，對(duì)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(guò)分別確定一個(gè)灰度閾值和一個(gè)梯度閾值來(lái)分隔區(qū)域?；叶确指糸撝档拇_定:將指紋圖像的相關(guān)數(shù)據(jù)用直方圖來(lái)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(gè)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(gè)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(diǎn)[[][]楊磊,張文超,秦會(huì)斌.基于STM32的指紋識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].機(jī)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(lái)的噪聲干擾。通常采用領(lǐng)域平均法，通過(guò)對(duì)大量像素點(diǎn)的灰度值求平均值來(lái)消去噪聲。進(jìn)行平均計(jì)算的圖像面積越大，選取的像素點(diǎn)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(huì)導(dǎo)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(dá)到一個(gè)去噪與清晰的結(jié)果。4）濾波增強(qiáng)圖像增強(qiáng)是預(yù)處理過(guò)程中不可缺少的環(huán)節(jié)之一，能夠加強(qiáng)圖像的可識(shí)別性，消除指紋采集設(shè)備本身和用戶操作產(chǎn)生的噪聲干擾，同時(shí)對(duì)前期圖像處理操作中無(wú)法解決和新產(chǎn)生的影響進(jìn)行處理。通過(guò)濾波增強(qiáng)的指紋圖像能夠提高黑白對(duì)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(bǔ)和收斂增強(qiáng)。通過(guò)小波函數(shù)可在該位置方向場(chǎng)上對(duì)圖像進(jìn)行增強(qiáng),以實(shí)現(xiàn)及時(shí)的彌補(bǔ)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(diǎn),對(duì)紋線進(jìn)行振蕩增強(qiáng)[[]樊相奎.指紋識(shí)別在智能門禁系統(tǒng)的研究與應(yīng)用[D].四川師范大學(xué),2010.[]樊相奎.指紋識(shí)別在智能門禁系統(tǒng)的研究與應(yīng)用[D].四川師范大學(xué),2010.5)二值化二值化即將圖像中像素點(diǎn)的灰度值轉(zhuǎn)化成兩個(gè)值0和255,這樣可以使得指紋圖像中本來(lái)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(gè)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(gè)灰度固定的閾值可通過(guò)先將指紋圖像中的所有灰度像素點(diǎn)數(shù)值取的平均值來(lái)得到,再逐一將其中每一個(gè)灰度像素點(diǎn)位的灰度值與該灰度固定的閾值來(lái)逐一比對(duì)。若灰度值小于閾值,則可以直接用灰度0值來(lái)表示,認(rèn)為該灰度點(diǎn)即為紋線部分;若灰度值大于閾值，則用255表示，認(rèn)為該點(diǎn)為非紋線部分。6)細(xì)化采集的指紋圖像中通常存在偽特征點(diǎn)，主要是毛刺、短棒、斷線和小孔等，這些偽特征點(diǎn)作為冗余信息，為后續(xù)工作帶來(lái)很大的干擾。通過(guò)細(xì)化處理，多像素寬紋線變?yōu)閱嗡貙捈y線，由于經(jīng)過(guò)細(xì)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(jié)構(gòu)特征，所以在滿足提高信息處理速度的同時(shí)還能保證信息的準(zhǔn)確性。2.3指紋圖像特征點(diǎn)的提取指紋的匹配工作建立在足夠多的特征點(diǎn)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(diǎn)以及匯聚點(diǎn)等組成，其中指紋的中心點(diǎn)和三角點(diǎn)相比較更容易獲得。由于技術(shù)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(guò)程中的問(wèn)題，圖像處理操作過(guò)程中，產(chǎn)生一些新增的數(shù)值偏差，為達(dá)到匹配條件，需要對(duì)偽特征值進(jìn)行一系列的篩選和刪除操作，保證獲得的特征點(diǎn)達(dá)到識(shí)別數(shù)量且有效判別。2.4指紋圖像特征匹配指紋識(shí)別流程的最后關(guān)鍵一步就是特征匹配。經(jīng)過(guò)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(shè)定的閾值，則認(rèn)為指紋識(shí)別成功[[]袁進(jìn).智能門鎖指紋識(shí)別方法設(shè)計(jì)[J].電子世界,2021(21):148-149.]。需要進(jìn)行匹配的特征點(diǎn)有紋路大概粗略走向，還有指紋包括形態(tài)、端點(diǎn)和交叉點(diǎn)在內(nèi)的各種細(xì)節(jié)特征具體流程如圖2[]袁進(jìn).智能門鎖指紋識(shí)別方法設(shè)計(jì)[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(shè)計(jì)本文從滿足門禁系統(tǒng)最基本的安全的基礎(chǔ)上，將門禁系統(tǒng)智能化發(fā)展作為主要目標(biāo)。結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和指紋識(shí)別技術(shù)兩大熱門的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，利用指紋識(shí)別模塊和藍(lán)牙串口通信模塊對(duì)門禁系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)提出如下設(shè)計(jì)構(gòu)思：指紋作為鑰匙，指紋匹配正確與否控制門的開(kāi)關(guān)；手機(jī)作為鑰匙，在手機(jī)界面操作直接控制門的開(kāi)關(guān)。3.1系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)方案本系統(tǒng)采用STM32單片機(jī)、光學(xué)指紋識(shí)別模塊、藍(lán)牙模塊、按鍵模塊、鎖模塊以及蜂鳴器模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)門禁的雙重控制?；緦?shí)現(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(guò)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(lái)，從而起到手機(jī)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(jì)算機(jī)技術(shù)的出現(xiàn)，新型指紋采集設(shè)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(wèn)題也相繼解決。指紋的采集是整個(gè)指紋識(shí)別系統(tǒng)的關(guān)鍵，選擇合適的傳感器決定了指紋的圖像的質(zhì)量。采集指紋所用傳感器主要分為三種：（1）光學(xué)傳感器光學(xué)傳感器是根據(jù)光的全反射原理設(shè)計(jì)而得，光線照射時(shí)產(chǎn)生反射，由于人手指上指紋的脊谷時(shí)凹凸不平的，在脊線處無(wú)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(xué)傳感器上得到不同的反射結(jié)果。光線從不同位置不同方向照射到光學(xué)器件會(huì)形成明暗程度不同的一幅圖像，明暗程度的差異通過(guò)灰度值表現(xiàn)出來(lái)。但是光學(xué)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(cè)，大大降低了準(zhǔn)確性。半導(dǎo)體傳感器此類傳感器根據(jù)半導(dǎo)體分為電容和電感。由于指紋的紋路深淺差異，通過(guò)傳感器指紋采集面進(jìn)行采集時(shí)，手指的不同位置與傳感器采集表面上已集成的一些半導(dǎo)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(dǎo)體傳感器有小功耗的特點(diǎn),較小的規(guī)模也為集成帶來(lái)便利,選擇傳感器時(shí)比光學(xué)傳感器更有優(yōu)勢(shì)。但是同樣會(huì)存在缺點(diǎn)，靜電干擾，手指汗?jié)n等都會(huì)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(zhì)，利用其在不同成分制成的物體表面有強(qiáng)度不同的回波。克服掉了一般光學(xué)傳感器和其它半導(dǎo)體傳感器都無(wú)法一一克服掉的干擾問(wèn)題,同時(shí)又能夠真正擁有了高質(zhì)量高清晰度的指紋圖像。運(yùn)用超聲波技術(shù)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(gòu)成一個(gè)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(guò)兩個(gè)采樣電路獲取。將行工作分為充電與放電兩個(gè)時(shí)期。充電時(shí)期即通過(guò)VDD接口讓電容板充電，與此同時(shí)，被選中開(kāi)始工作所在行的電容單元也在內(nèi)部信號(hào)的作用下為采樣電路提供電壓保持工作狀態(tài)。對(duì)于電容板放電階段，這個(gè)階段存在放電快慢之分，由放電寄存器來(lái)控制。經(jīng)過(guò)充電放電的完整過(guò)程，充電電壓與放電電壓之間形成一個(gè)電壓差，此電壓差是采樣保持電路測(cè)量得來(lái)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(hào)的電壓，最后將這些信號(hào)數(shù)字化處理得到最終的采樣結(jié)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(xué),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(xué),2007.圖3-2.傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(duì)指紋的采集及結(jié)果計(jì)算的數(shù)據(jù)準(zhǔn)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(shè)接口，允許MCU與各種外圍設(shè)備以串行方式進(jìn)行通信、數(shù)據(jù)交換，SPI總線通常由4條線組成，即：串行時(shí)鐘線、主機(jī)輸出從機(jī)輸入線、主機(jī)輸入從機(jī)輸出線和從機(jī)選擇線[[]楊美剛,李小文.SPI接口及其在數(shù)據(jù)交換中的應(yīng)用[J].通信技術(shù),2007(11).[]楊美剛,李小文.SPI接口及其在數(shù)據(jù)交換中的應(yīng)用[J].通信技術(shù),2007(11).3.3STM32單片機(jī)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(shè)、多種型號(hào)，具有高性能、低功耗、實(shí)時(shí)性強(qiáng)和使用簡(jiǎn)單等諸多特點(diǎn)。內(nèi)核為ARM32位的CortexTM-M3CPU最高能達(dá)到72MHZ的工作頻率，在存儲(chǔ)器范圍內(nèi)的0秒等待周期下訪問(wèn)的帶寬也可達(dá)至約為1.25Mips/MHZ。內(nèi)嵌有三個(gè)內(nèi)部振蕩器，其中8MHZ的振蕩器出廠時(shí)已經(jīng)調(diào)校過(guò)，另外兩個(gè)分別為40KHZ和32KHZ，均有校準(zhǔn)功能，在電路中擔(dān)任時(shí)鐘信號(hào)的產(chǎn)生工作。還擁有一個(gè)鎖相環(huán)由模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)混合而成，其為CPU提供時(shí)鐘脈沖。幾乎所有端口均可容忍5V信號(hào)，在設(shè)計(jì)使用時(shí)方便操作。擁有的7個(gè)定時(shí)器都擁有4個(gè)使用功能，除此還有1個(gè)獨(dú)立的看門狗定時(shí)器和一個(gè)窗口型的看門狗定時(shí)器。該處理器還有9個(gè)通信接口，其中兩個(gè)SPI接口為全雙工通信，可以直接與其他IC通信，兩個(gè)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(gè)USART接口可以直接設(shè)置，CAN接口和USB接口共用一個(gè)SRAM空間，通常交替使用。單片機(jī)主控部分如圖3-3所示。圖3-3.單片機(jī)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(hào)單獨(dú)組成或混合的信息。LCD1602通常采用標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)的16腳接口時(shí),增加了兩個(gè)背光源引腳對(duì)顯示的視覺(jué)效果進(jìn)行改善。各引腳接口及使用的說(shuō)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(gè)門禁系統(tǒng)的控制操作步驟。通過(guò)STM32系統(tǒng)編程控制I/O連接輸出結(jié)果。表3-1LCD1602引腳接口說(shuō)明3.5報(bào)警電路模塊報(bào)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(dān)任了通過(guò)聲音傳遞信息的功能。指紋錄入時(shí)，需要通過(guò)蜂鳴器發(fā)出聲音提示錄入完畢。當(dāng)指紋被采集后與初始設(shè)定正確指紋匹配失敗后，蜂鳴器發(fā)出響聲以起到報(bào)警效果。由于蜂鳴器的工作電流較大，只用一個(gè)單片機(jī)的接口提供電流無(wú)法驅(qū)動(dòng)其工作，所以需要使用三極管構(gòu)成放大電路從而得到所需的電流驅(qū)動(dòng)蜂鳴器工作。電流三極管作為一個(gè)開(kāi)關(guān)使用，三極管處于飽和狀態(tài)時(shí)，三極管導(dǎo)通蜂鳴器發(fā)出聲音，此時(shí)基極為高電平，反之當(dāng)基極為低電平時(shí)，三極管截止，蜂鳴器不再發(fā)聲。又由于蜂鳴器作為一個(gè)工作電流無(wú)法被瞬間改變的感性元件，需要設(shè)法通過(guò)續(xù)流二極管的作用來(lái)防止由于無(wú)法續(xù)流而導(dǎo)致的蜂鳴器兩端尖峰電壓過(guò)高對(duì)三極管造成的損壞，不僅如此，甚至?xí)蓴_其他電路部分更嚴(yán)重破壞整個(gè)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(gè)濾波電容來(lái)濾除蜂鳴器電流產(chǎn)生的影響防止過(guò)大的電流燒壞電路，同時(shí)也通過(guò)濾波電容改善電源的交流阻抗。一個(gè)完整的正常工作的報(bào)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(lán)牙串口是基于SPP協(xié)議（SerialPortProfile），能在藍(lán)牙設(shè)備之間創(chuàng)建串口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊环N設(shè)備[[]周瓊.藍(lán)牙協(xié)議棧的研究及其在串口通信中的應(yīng)用[D].武漢理工大學(xué),2009.[]周瓊.藍(lán)牙協(xié)議棧的研究及其在串口通信中的應(yīng)用[D].武漢理工大學(xué),2009.本設(shè)計(jì)中，通過(guò)藍(lán)牙串口實(shí)現(xiàn)手機(jī)控制電磁鎖的無(wú)接觸開(kāi)斷。藍(lán)牙串口的主要特征是其可以進(jìn)行無(wú)線收發(fā)且靈敏度高。在外部硬件電路構(gòu)成后，用戶還需在手機(jī)上安裝藍(lán)牙APP后才能實(shí)現(xiàn)對(duì)藍(lán)牙開(kāi)關(guān)電路的命令控制。用戶可對(duì)藍(lán)牙APP內(nèi)的界面及設(shè)置進(jìn)行編輯。手機(jī)與HC06嵌入式藍(lán)牙串口通信模塊已經(jīng)完成連接時(shí)，只需要操作手機(jī)上已經(jīng)設(shè)置好的APP的功能按鈕，便可以控制現(xiàn)實(shí)物體實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)控制。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)的的軟件主程序可分為兩個(gè)部分：指紋識(shí)別系統(tǒng)部分和藍(lán)牙串口部分。分別對(duì)兩部分首先進(jìn)行初始化處理，開(kāi)鎖驗(yàn)證部分分為指紋開(kāi)鎖和藍(lán)牙開(kāi)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(shí)別部分的主程序設(shè)計(jì)指紋識(shí)別部分的設(shè)計(jì)是整個(gè)系統(tǒng)的重點(diǎn)，主要需要實(shí)現(xiàn)指紋的采集處理工作，包括判斷是否進(jìn)行采集，采集成功后的預(yù)處理程序、將預(yù)處理后特征點(diǎn)提取出來(lái)與模板特征庫(kù)里的指紋特征進(jìn)行比對(duì)，最后將匹配結(jié)果通過(guò)LCD1602展示出來(lái)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(duì)各模塊進(jìn)行初始化，初始化完成后開(kāi)始指紋檢測(cè)，手指給予傳感器一個(gè)按壓的力，此時(shí)主控制器檢測(cè)到中斷信號(hào)，指紋開(kāi)始被采集，此過(guò)程由指紋采集模塊負(fù)責(zé)執(zhí)行，主控制器和指紋模塊的同步串口通信進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取，指紋圖像的數(shù)據(jù)由外部SRAM通過(guò)數(shù)組矩陣的形式進(jìn)行儲(chǔ)存，儲(chǔ)存完成后，檢測(cè)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(duì)所采集數(shù)據(jù)進(jìn)行一系列圖像預(yù)處理操作，預(yù)處理完成后進(jìn)行指紋圖像特征提取和匹配。匹配結(jié)果通過(guò)LCD1602顯示，進(jìn)行指紋錄入時(shí)，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(kāi)鎖時(shí)，如指紋正確，顯示器顯示findok,同時(shí)蜂鳴器發(fā)出聲音，電磁鎖打開(kāi)。4.2藍(lán)牙控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)藍(lán)牙控制的主要內(nèi)容是通過(guò)驗(yàn)證手機(jī)的藍(lán)牙信號(hào)，將驗(yàn)證信息發(fā)送給控制器控制模塊。主程序循環(huán)任務(wù)主要包括藍(lán)牙和串口的數(shù)據(jù)分析、執(zhí)行超時(shí)任務(wù)、串口和藍(lán)牙數(shù)據(jù)的發(fā)送，在手機(jī)對(duì)藍(lán)牙設(shè)備進(jìn)行認(rèn)證的時(shí)候，超時(shí)任務(wù)發(fā)揮作用，其通過(guò)評(píng)估連接成功后認(rèn)證無(wú)響應(yīng)的時(shí)間決定手機(jī)端是否斷開(kāi)連接，一旦時(shí)間超出任務(wù)時(shí)間，手機(jī)立刻主動(dòng)斷開(kāi)連接，隨后，藍(lán)牙串口也將連接斷開(kāi)。每隔一段時(shí)間，循環(huán)任務(wù)檢測(cè)串口發(fā)送情況，有數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)，先檢測(cè)串口標(biāo)志位是否為1，標(biāo)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(jī)藍(lán)牙技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)化門禁系統(tǒng)研究[D].南昌航空大學(xué),2017.[]周鵬.基于手機(jī)藍(lán)牙技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)化門禁系統(tǒng)研究[D].南昌航空大學(xué),2017.圖4-3.手機(jī)APP界面設(shè)計(jì)實(shí)物的測(cè)試根據(jù)電路模塊規(guī)劃焊接完成后，對(duì)設(shè)計(jì)實(shí)物進(jìn)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(dǎo)致電路燒毀；電磁鎖模塊采用12V供電，連接時(shí)注意正確進(jìn)行正負(fù)兩極接線。圖5-1為設(shè)計(jì)實(shí)物圖。圖5-1.設(shè)計(jì)實(shí)物圖指紋的信息管理由三個(gè)按鍵控制，對(duì)電路板進(jìn)行通電，此時(shí)系統(tǒng)處于工作狀態(tài)，手指接觸傳感器，按下ADD按鈕，進(jìn)行指紋添加操作，指紋添加成功，報(bào)警模塊的蜂鳴器發(fā)聲起到提示作用，同時(shí)顯示模塊工作，LCD1602顯示addok。為進(jìn)一步確認(rèn)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(kāi)鎖測(cè)試通過(guò)FIND按鍵操作，顯示器出現(xiàn)findok同時(shí)電磁鎖打開(kāi)。圖5-2為顯示模塊圖。圖5-2.顯示模塊圖總結(jié)與展望本文首先了解現(xiàn)有門禁技術(shù)的先進(jìn)處和問(wèn)題，分析眾多生物特征系統(tǒng)的各方面特點(diǎn)，對(duì)其能力進(jìn)行比較并結(jié)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(shù)改善問(wèn)題。選擇通過(guò)指紋作為門禁系統(tǒng)的“鑰匙”，指紋識(shí)別被使用的歷史悠久，在科技發(fā)展的同時(shí)也逐步發(fā)展，不斷融合新技術(shù)，得到廣泛的應(yīng)用。本文的主要研究?jī)?nèi)容如下：詳細(xì)介紹了指紋識(shí)別技術(shù)。從該項(xiàng)技術(shù)的產(chǎn)生、現(xiàn)狀和前景進(jìn)行研究，文中介紹了指紋識(shí)別的具體步驟和過(guò)程，對(duì)從指紋預(yù)處理到指紋匹配都進(jìn)行了闡述，其中指紋預(yù)處理包