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0 引言 隨著(zhù)生活水平的提高，人們對物質(zhì)生活的要求越來(lái)越高，尤為注重住宅安全問(wèn)題。隨著(zhù)生物特征識別技術(shù)的發(fā)展，指紋識別技術(shù)逐漸進(jìn)入人們的生活領(lǐng)域，指紋鎖進(jìn)入了人們的家庭。常見(jiàn)的指紋鎖，需要管理員指紋或者管理員密碼，才能進(jìn)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(jiàn)的指紋鎖配備的機械鎖，可使用普通的正確鑰匙打開(kāi)，安全級別較低，很容易被專(zhuān)業(yè)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(fā)送鑰匙編碼信息，只有用正確鑰匙才能打開(kāi)，不能被鐵絲或其他非法鑰匙打開(kāi)，安全性大大提高。在非法開(kāi)門(mén)的情況下，機械鎖發(fā)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(gè)部分。電子鎖以單片機ATmega162為核心，通過(guò)指紋識別模塊，完成了對指紋管理的操作;通過(guò)鍵盤(pán)，完成密碼管理的操作;通過(guò)超外差接收模塊，能夠接收來(lái)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(jīng)超外差發(fā)送模塊發(fā)送。超外差發(fā)送和接收模塊的工作頻率在433 MHz，PCB布線(xiàn)時(shí)注意超外差模塊，遠離其他器件，不然會(huì )影響系統的工作狀態(tài)。另外，該系統要求體積小，供電方便，整個(gè)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(dòng)、門(mén)鎖、鍵盤(pán)、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(yōu)良的指紋算法，不僅提高了整個(gè)系統的識別率以及縮短了識別時(shí)間，而且大大縮短了整個(gè)系統的研發(fā)時(shí)間。 電子鎖在不使用的時(shí)候，處于睡眠狀態(tài)。用戶(hù)打開(kāi)指紋識別模塊上的金屬防塵罩時(shí)，產(chǎn)生喚醒信號，電子鎖進(jìn)入正常工作狀態(tài)。 正常工作狀態(tài)下，電子鎖支持兩種開(kāi)門(mén)方式：指紋開(kāi)門(mén)和輸入密碼開(kāi)門(mén)。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(jìn)行比較，單片機ATmega162接收到比較結果，若正確產(chǎn)生開(kāi)門(mén)信號，經(jīng)12 V電子鎖驅動(dòng)，打開(kāi)門(mén)鎖。鍵盤(pán)輸入密碼，單片機ATmega162將當前輸入密碼和用戶(hù)設置的正確密碼進(jìn)行比較，若正確產(chǎn)生開(kāi)門(mén)信號，經(jīng)12 V電子鎖驅動(dòng)，打開(kāi)門(mén)鎖。輸入指紋和密碼的機會(huì )共3次，若3次都錯誤，系統進(jìn)入睡眠狀態(tài)。 1.2 機械鎖框圖 機械鎖主體為PIC單片機PIC16F72、超外差發(fā)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(kāi)門(mén)1次，恢復正常使用狀態(tài)。當插入錯誤鑰匙或者是鐵絲等非法鑰匙時(shí)，指示燈會(huì )快速閃爍，并通過(guò)超外差發(fā)送模塊發(fā)送報警信息。 為了降低整個(gè)系統的功耗，機械鎖在不使用時(shí)，處于不工作狀態(tài)。在安裝機械鎖的時(shí)候，會(huì )在機械鎖的鎖芯安裝一個(gè)金屬轉接口，該金屬轉接口連接了電子鎖的防塵罩，轉動(dòng)金屬轉接口，不僅給機械鎖供電使之進(jìn)入正常工作狀態(tài)，還喚醒電子鎖，讓電子鎖進(jìn)入正常工作狀態(tài)。轉動(dòng)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(lái)自機械鎖發(fā)出的信息。 機械鎖正常工作狀態(tài)時(shí)，插入鑰匙，單片機PIC16F72會(huì )識別鑰匙的編碼，若正確，則打開(kāi)鎖芯上的閥，可以轉動(dòng)鑰匙開(kāi)門(mén)，若錯誤則發(fā)送錯誤鑰匙信息，鎖芯的閥依舊關(guān)閉，不能開(kāi)門(mén)，從而保證了，用戶(hù)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(guò)超外差發(fā)送和接收模塊完成。機械鎖發(fā)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(guò)查詢(xún)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(gè)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(huì )將當前地址碼和存儲的地址碼進(jìn)行比較，若相同才能讀取KEY碼，因此不會(huì )接收來(lái)自其他用戶(hù)的鎖發(fā)出的信息。 KEY碼就是鑰匙的編碼，每個(gè)鑰匙的編碼是惟一的，因此可以記錄用戶(hù)家庭成員的開(kāi)門(mén)信息，方便用戶(hù)查詢(xún)。電子機械鎖應用在辦公場(chǎng)合時(shí)，若發(fā)生偷竊情況，可以查詢(xún)最近的開(kāi)門(mén)信息，來(lái)確定懷疑對象;也可以查詢(xún)特殊鑰匙開(kāi)門(mén)情況，比如保姆工作的具體時(shí)間。若發(fā)生非法開(kāi)門(mén)時(shí)，KEY碼為0x00，接收到該KEY碼時(shí)，產(chǎn)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(gè)步驟如圖4所示。 指紋圖像預處理是最重要的一步，關(guān)系到后面提取的特征點(diǎn)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(xiàn)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(jìn)行修正和濾噪。Gabor函數是惟一能達到時(shí)頻測不準關(guān)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(shí)部和虛部可各自表示為一個(gè)函數，分別稱(chēng)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(diǎn)的坐標，φ為當前點(diǎn)(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(huì )產(chǎn)生偽紋線(xiàn);減小，消除噪聲的作用減弱。 對于每一點(diǎn)，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(diǎn)濾波后的值： 從圖5可很明顯地看出，經(jīng)過(guò)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(diǎn)的正確率。 2.2 指紋識別模塊的通信協(xié)議 指紋識別模塊作為從設備，通過(guò)串口，由主芯片ATmega162發(fā)送相關(guān)命令對其進(jìn)行控制。 命令接口：19200b/s 1起始位1停止位(無(wú)校驗位)。 主芯片發(fā)送的命令及指紋模塊的應答數據長(cháng)度為8 B，數據格式如下： CMD：命令/應答類(lèi)型  1.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(shí)等。3 程序設計 系統從睡眠狀態(tài)啟動(dòng)時(shí)，首先進(jìn)行系統初始化，然后進(jìn)入正常工作狀態(tài)，如圖6所示。 轉動(dòng)機械鎖上的金屬轉接口會(huì )改變單片機ATmega162的P4.5的狀態(tài)。開(kāi)啟金屬轉接口，單片機ATmega162處理來(lái)自機械鎖發(fā)送的信息;關(guān)閉金屬轉接口，單片機ATmega162處理來(lái)自電子鎖上指紋識別模塊或鍵盤(pán)的信息。 系統還開(kāi)啟了兩個(gè)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(jìn)行匹配，只接收來(lái)自指定的機械鎖發(fā)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(gè)部分的前提，初次安裝電子機械鎖必須進(jìn)行匹配中斷。在開(kāi)啟該中斷前，必須沒(méi)置好正確鑰匙。匹配中斷為外部中斷，通過(guò)按下控制系統模塊上的匹配鍵，進(jìn)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(méi)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(jìn)行指紋和密碼的添加和刪除，給用戶(hù)帶來(lái)了方便。 4 實(shí)驗結果與分析 超外差發(fā)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(huì )出現通信錯誤的情況，為此進(jìn)行可靠性測試實(shí)驗。 用示波器精確測量超外差接收模塊上的波形的時(shí)序，調整代碼，使偵測點(diǎn)落在高電平的中間;仔細計算延時(shí)函數，確保時(shí)間的準確性。在實(shí)際調試過(guò)程中，進(jìn)行了5組的實(shí)驗，每組的測試條件都不同，如溫度、環(huán)境噪聲等，每組測試100次，共計500次的測試，只出現了2次沒(méi)有正確識別鑰匙的情況，可靠性達到99.6%，具有實(shí)際應用價(jià)值。 5 結語(yǔ) 本文設計的電子機械鎖，巧妙利用超外差發(fā)送和接收模塊，把兩個(gè)相對獨立的部分鏈接起來(lái)。整個(gè)系統以單片機ATmega162為核心，直接控制指紋識別模塊和鍵盤(pán)，并通過(guò)超外差發(fā)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(hù)信息，還可以使用正確鑰匙管理用戶(hù)信息，目前市場(chǎng)上還沒(méi)有具備該功能的鎖出現。該鎖功能強大，給用戶(hù)帶來(lái)了方便和快捷的同時(shí)，安全性也得到大大提高。 |
