劉歡1，方華2
?。?.廣西科技大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，廣西 柳州 545006；2.廣西科技大學(xué) 工程訓(xùn)練中心，廣西 柳州 545006）
摘要：為提高實驗室管理效能,加強高校實驗室安全，設(shè)計了一種以STM32微處理器、STC89C52單片機為核心的可視化指紋識別門禁控制管理系統(tǒng)，其中STC89C52用于FM-180指紋識別模塊及門禁的控制，STM32作為管理系統(tǒng)核心模塊，兩者通過2.4 G無線通信模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)同步，系統(tǒng)可完成指紋的錄入、識別、修改、刪除、進入人數(shù)統(tǒng)計、被拒人數(shù)統(tǒng)計、人員進入時間顯示等功能。
關(guān)鍵詞：單片機；指紋識別；無線通信；門禁
中圖分類號：TP23文獻標識碼：ADOI： 10.19358/j.issn.16747720.2016.23.027
引用格式：劉歡，方華. 基于指紋識別的實驗室門禁管理系統(tǒng)設(shè)計［J］.微型機與應(yīng)用，2016,35（23）：93-95,99.
0引言
在互聯(lián)網(wǎng)時代的今天，每個人都有大量的安全認證密碼，如銀行密碼、支付密碼、聊天軟件密碼、開機密碼、網(wǎng)站登錄密碼等，且配備有各種鑰匙，如門鎖鑰匙、車輛鑰匙、保險柜鑰匙等，這些都是傳統(tǒng)的安全系統(tǒng)所采用的密鑰認證方式。但是這種傳統(tǒng)安全系統(tǒng)的密鑰存在易丟失、易遺忘、易被盜用等不安全因素，因此迫切需要一種安全、可靠、方便的認證技術(shù)來代替現(xiàn)有的安全認證［1］。
指紋特征是人類終生不變的特征之一，其恰恰具備密鑰的3個必要性質(zhì)：廣泛性、唯一性和終生不變性，因此，指紋識別作為一種可靠的生物辨識技術(shù)，受到人們青睞和倚重［2］。指紋辨識技術(shù)在當今人們的生活和工作中的應(yīng)用越來越廣泛，譬如指紋考勤、指紋銀行、指紋商場、指紋接送學(xué)生等，此技術(shù)正在日益刷新人們的生活方式。在識別技術(shù)界悄悄拉開“指紋時代”的巨幕［3］。
高校實驗室教學(xué)需要更為先進的技術(shù)作為支撐，本文針對實驗室尤其是高校開放性實驗室的管理要求，提出一種基于指紋識別的實驗室門禁管理系統(tǒng)，此系統(tǒng)可提高實驗室的自主管理程度，方便實驗室管理人員有效掌握實驗室的使用情況。
1系統(tǒng)設(shè)計方案
系統(tǒng)主控單元分為兩個部分，STC89C52單片機和STM32微處理器。其中STC89C52單片機主要用于實時控制FM180指紋識別模塊，通過編程控制單片機串口與指紋識別模塊進行數(shù)據(jù)通信。FM180指紋識別模塊有固定的指令集和數(shù)據(jù)發(fā)送格式，系統(tǒng)程序可以根據(jù)指令集和數(shù)據(jù)發(fā)送格式進行編寫，進而實現(xiàn)用戶指紋錄入、識別、修改、刪除等功能，同時控制LCD1602液晶顯示器和繼電器，達到提示用戶和實時操縱電子鎖開關(guān)的功能。STM32微處理器主要用于實現(xiàn)實驗室管理，通過2.4 G無線通信模塊將同步過來的數(shù)據(jù)顯示在彩屏上，包括室內(nèi)人數(shù)、被拒人數(shù)、指紋序號、進入時間等。系統(tǒng)可以保存每個用戶最后一次進入的時間，并可以隨時方便地在彩屏上進行歷史數(shù)據(jù)查詢。其硬件結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。
2硬件設(shè)計
2.1STC89C52及其外圍電路設(shè)計
STC89C52是STC公司生產(chǎn)的一種低功耗、高性能的CMOS 8位微控制器，具有8 KB在系統(tǒng)可編程Flash存儲器，使用經(jīng)典的MCS51內(nèi)核，其主要特性是自帶8 KB程序存儲空間和512 B數(shù)據(jù)存儲空間，內(nèi)帶2 KB EEPROM存儲空間，可直接使用串口下載。
2.1.1復(fù)位電路
本設(shè)計采用手動按鈕復(fù)位，復(fù)位電路主要由復(fù)位按鈕、電阻、電容等組成。當輸入連續(xù)兩個機器周期以上高電平給STC89C52單片機RES引腳時，單片機復(fù)位有效。
2.1.2指紋識別模塊
FM-180指紋識別模塊主要包括指紋采集頭和指紋處理電路兩部分，指紋采集頭使用光學(xué)指紋傳感器，指紋處理電路由指紋特征提取的高性能DSP處理器和指紋特征存儲的Flash等芯片構(gòu)成。自帶DSP處理器的指紋處理模塊中集成了固定的指令集和數(shù)據(jù)傳送格式，可以通過處理器的串口與模塊進行數(shù)據(jù)交換，根據(jù)用戶的命令來完成如指紋的錄入、刪除、比對等一系列的動作，并將指紋特征值加密后存儲于處理模塊的Flash中。當用戶進行指紋識別時，系統(tǒng)會將采集到的用戶的指紋特征值與Flash芯片中存儲的指紋特征值進行比較，以確定該用戶指紋是否符合要求，實現(xiàn)指紋檢測、識別的功能。
STC89C52單片機通過串口與FM-180指紋識別模塊進行數(shù)據(jù)傳輸，根據(jù)指紋識別模塊的性能指標，可以通過軟件編程將數(shù)據(jù)通信的波特率設(shè)置為9 600 b/s，以實現(xiàn)通信的準確性和可靠性。單片機的RXD（P30）與指紋識別模塊的TXD連接，單片機的TXD（P31）與指紋識別模塊的RXD連接。
2.1.3按鍵設(shè)計
指紋控制部分包括4個按鍵，分別為S1、S2、S3、S4，其中S1定義為模式識別轉(zhuǎn)換按鍵，用于控制系統(tǒng)使其在指紋識別和指紋錄入兩個模式之間進行切換；S2定義為指紋錄入按鍵，當系統(tǒng)處于指紋錄入模式下，按下S2可以進行一次指紋的錄入工作；S3定義為指紋清除按鍵，用以控制對指紋識別模塊Flash庫中的指紋特征的清除；S4定義為室內(nèi)一鍵開門按鍵，當用戶需要出門時，通過此按鍵可使電子鎖門禁打開。
時鐘調(diào)整部分包括3個按鍵，分別為S5、S6、S7，其中S5定義為調(diào)整選擇鍵，按下此鍵可以在年、月、日、時、分、秒、星期之間進行切換調(diào)整；S6、S7分別定義為數(shù)字加1、減1鍵，通過這兩個按鍵可以將數(shù)字快捷地設(shè)置為所需時間數(shù)據(jù)。
2.1.4LCD顯示
設(shè)計采用LCD1602液晶顯示器作為指紋采集、指紋識別等系統(tǒng)當前功能模式的顯示提醒工具。通過STC89C52單片機對LCD1602進行控制，在使用相應(yīng)功能的同時，LCD1602會有相應(yīng)的語句提示，使系統(tǒng)有更好的可視化效果。單片機通過P0口與LCD1602之間進行數(shù)據(jù)傳輸，在LCD1602上顯示出相應(yīng)的字符或數(shù)字。
2.1.5電子鎖門禁
電子鎖門禁電路主要包括電子鎖開關(guān)電路和用于控制其開關(guān)的繼電器驅(qū)動電路。本設(shè)計采用上電開鎖形式的12 V電子鎖，當電子鎖線圈兩端電壓達到12 V時就會上電開鎖，具體接口電路如2所示。其中Q2為PNP型三極管，工作在開關(guān)模式下，用于控制繼電器的上電和復(fù)位。
2.2STM32及其外圍電路設(shè)計
STM32系列微處理器是專為高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用而設(shè)計的以ARM Cortex-M3為內(nèi)核的控制芯片。按性能可分成兩個不同的系列：STM32F103“增強型”和STM32F101“基本型”。增強型系列時鐘頻率達到72 MHz，是同類產(chǎn)品中性能最高的產(chǎn)品；基本型時鐘頻率為36 MHz，以16位產(chǎn)品的價格得到比16位產(chǎn)品大幅提升的性能，是16位產(chǎn)品用戶的最佳選擇［4］。兩個系列都內(nèi)置32 KB~128 KB的閃存，不同的是SRAM的最大容量和外設(shè)接口的組合。時鐘頻率為72 MHz時，STM32功耗為36 mA，是32位市場上功耗最低的產(chǎn)品，即0.5 mA/MHz。本設(shè)計采用增強型的STM32F103ZET6微處理器。
2.2.1液晶顯示
本設(shè)計采用的是3.2英寸的TFT彩色顯示屏，分辨率為320×240，16位真彩顯示。彩色顯視屏上顯示出室內(nèi)人數(shù)、被拒人數(shù)、指紋序號、進入時間等信息。由于STM32微處理器中集成了FSMC總線機制，可以方便地對液晶顯示器進行控制，所以通過軟件編程設(shè)置FSMC控制方式即可實現(xiàn)目的［5］。
2.2.2用戶查詢按鍵
查詢用戶按鍵與STM32連接，主要用于查詢用戶最后一次進入時間、指紋序號、歷史數(shù)據(jù)瀏覽等相關(guān)信息。主要包括3個按鍵，分別為S1、S2、S3，其中按鍵S1用于進入查詢用戶模式，此時按鍵S2、S3分別用于用戶信息查詢的上、下切換，能快速瀏覽到用戶信息。
2.3無線通信
NRF24L01是一款單片射頻收發(fā)器件,工作于2.4 GHz～2.5 GHz ISM頻段。內(nèi)置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器、調(diào)制器等功能模塊,并融合了增強型Shock Burst技術(shù)，其中輸出功率和通信頻道可通過程序進行配置。NRF24L01功耗低,在以-6 dBm的功率發(fā)射時，工作電流只有9 mA；接收時，工作電流只有12.3 mA。多種低功率工作模式（掉電模式和空閑模式）使節(jié)能設(shè)計更方便。
2.4G無線通信模塊可采用SPI進行控制，SPI口為同步串行通信接口，最大傳輸速率為10 Mb/s，傳輸時先傳送低位字節(jié)，再傳送高位字節(jié)，但針對單個字節(jié)而言，要先傳送高位再傳送低位。與SPI相關(guān)的指令共有8個，使用時這些控制指令由NRF24L01的MOSI輸入，相應(yīng)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)信息是從MISO輸出給MCU。由于STC89C52單片機內(nèi)部沒有集成SPI總線，所以只能通過普通的I/O口模擬SPI通信方式。此處采用STC89C52的P3口進行模擬，根據(jù)圖3、圖4所示的SPI讀寫時序圖，通過軟件編程可以實現(xiàn)SPI的通信協(xié)議，達到控制目的。
2.4電源
本設(shè)計中需要12 V電壓為電子鎖供電，使其正常通斷，5 V電壓為STC89C52單片機及其外圍電路供電，3.3 V提供STM32微處理器和2.4 G無線模塊的正常工作電壓。通過3個不同的穩(wěn)壓芯片可以分別得到這三種電壓，為整個系統(tǒng)提供穩(wěn)定電源。
3軟件設(shè)計
3.1軟件設(shè)計思路
根據(jù)系統(tǒng)硬件電路，系統(tǒng)的軟件設(shè)計包括以STC89C52為核心的指紋錄入和識別、液晶顯示子程序，以STM32為核心的系統(tǒng)管理查詢、顯示子程序和無線通信程序。系統(tǒng)軟件部分采用C語言編程，最終將程序分別下載到STC89C52單片機和STM32微處理器中，實現(xiàn)整個系統(tǒng)的通信和其他功能。
3.2指紋錄入及識別
?。?）指紋錄入
FM180指紋識別模塊內(nèi)部集成了專用的函數(shù)指令集和數(shù)據(jù)發(fā)送格式，單片機通過指令集訪問指紋識別模塊，通過數(shù)據(jù)交換達到控制模塊的目的。具體流程如圖5所示。
?。?）指紋識別
首先檢測是否有指紋出現(xiàn)在光學(xué)鏡頭上面,有指紋出現(xiàn)時，發(fā)送搜索用戶指令，將指紋與指紋庫中的指紋作對比。如果與指紋庫中指紋符合則返回1，否則返回0。具體流程如圖6所示。
3.32.4 G無線通信模塊子程序
在啟動數(shù)據(jù)發(fā)送之前，將其模式設(shè)定為發(fā)送模式。將需要發(fā)送的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)入發(fā)射寄存器，等待發(fā)送。啟動發(fā)送命令后，數(shù)據(jù)開始發(fā)送，并等待發(fā)送完成的標志，發(fā)送完成則結(jié)束，否則等待發(fā)送完成。具體發(fā)送流程如圖7所示。
在啟動數(shù)據(jù)接收之后，首先模塊查詢數(shù)據(jù)是否有更新，如果有數(shù)據(jù)更新，則將接收到的數(shù)據(jù)存入緩沖區(qū)，并進一步存入用戶指定位置，以方便程序調(diào)用。具體接收流程如圖8所示。
4結(jié)束語
隨著社會的進步，需要指紋識別可視化門禁系統(tǒng)這種安全管理設(shè)施的場所越來越多。本設(shè)計采用STM32微處理器和STC89C52單片機協(xié)同工作，構(gòu)造了功能較為完善的可視化指紋識別門禁管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有用戶信息查詢功能，不僅可以用于高校實驗室門禁還可以用于其他多種場所，具有廣闊的市場前景和實用價值。但是，系統(tǒng)在遠程監(jiān)控方面還有所欠缺，需要進一步研究本系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)的通信，以滿足不同場所的需求。
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