论文 毕 业 设 计

兰州交通大学毕业设计（论文）智能小区一卡通系统的设计与实现Community Card System自动化与电气工程学院 电气工程及其自动化 201009330王 克 滨 李 红 2014 6 17Design and Implementation of Intelligent onCompensation Method of Railway- 36 -摘 要在智能小区建设的迅猛发展过程中，为了增强小区的智能化程度，新型的智能小区中应用了智能小区一卡通系统，传统的一卡通系统对用户身份认证的方法简单快捷，但存在较大的安全隐患。指纹识别技术作为用户身份认证的手段能很好的解决上述问题，并且极大的方便了用户，但该技术还未在一卡通系统中得到广泛应用，有较大的发展空间 本论文以智能小区为载体，以微控制芯片MK60DN512ZVLQ10为核心，通过瑞典FPC公司的电容射频式指纹传感器FPC1011C2采集用户的指纹信息，结合指纹图像处理算法，对用户进行身份认证，将处理结果显示在作为人机交互界面的液晶触摸屏TFT35上，执行模块根据处理结果完成执行命令，同时将生成的操作记录通过网络传输到管理中心的服务器上进行定期保存。系统软件设计以Keil uVision4作为编译环境，同时结合电源模块、控制模块、采集模块、显示模块和执行模块构成的硬件平台，对小区内的门锁管理、停车管理、巡更管理和购物娱乐等消费系统进行了设计，并且实现了门锁管理系统和停车管理系统的基本功能。在未来生活中，先进的智能小区一卡通系统与智能小区完美融合，将极大的方便用户和小区管理者，为用户创造了安全舒适、快捷便利的生活体验。关键词：智能小区；MK60DN512ZVQL10；FPC1011C2；指纹识别AbstractIn the process of the rapid development of intelligent residential area construction, in order to strengthen community of intelligent degree, a new type of intelligent residential area in the application of the intelligent community system, the traditional system used for user authentication method is simple and quick, but there is a big security hidden danger. Fingerprint identification technology can be a very good solve the above problems, and great convenience to the user, and fingerprint recognition technology but has not been widely used in the intelligent community system, there are many problems unsolved.In intelligent residential area as the carrier, this paper with Freescale company MK60DN512ZVLQ10 Kinetis series low-power microcontroller chip as control core, through the Swedish FPC company of capacitive FPC1011C2 fingerprint sensor to collect the users fingerprint information, combined with the fingerprint image processing algorithm, for user authentication, will handle the results displayed in the LCD touch screen as human-computer interaction interface TFT35, perform module according to the result of processing to complete orders, will be generated at the same time operating record through the network transmission to the center of the management server to save on a regular basis. Micro controller part of the whole system software design with Keil uVision4 as the compilation environment of software design, and combining with the power supply module, control module, collection module, display module and execution module in the composition of hardware platform, to lock in the community management, parking management, patrolling management and shopping entertainment consumption, such as system design, and implement the door lock management system and the basic function of parking management system.In the future life, the advanced intelligent village one cartoon system with the perfect fusion of intelligent residential area will be greatly convenient for the user and district managers, for users to create a safe, comfortable, fast and convenient life experience.Key Words: Intelligent village, MK60DN512ZVQL10, FPC1011C2, Fingerprint identification目 录摘 要IAbstractII1绪论11.1系统研究背景与意义11.2国内外研究现状11.3 主要研究内容22系统总体设计32.1总体结构32.2集成开发环境32.3原理图绘制软件43系统硬件设计53.1 电源模块53.2 控制模块73.3 信息采集模块83.4 显示模块113.5 执行模块114系统软件设计124.1 软件设计基础部分124.2 门锁管理系统144.3停车管理系统164.4 巡更管理系统184.5 购物娱乐等消费系统195系统运用结果21结 论23致 谢24参考文献25附录A 系统硬件连接框图26附录B 指纹图像算法模块流程图27附录C 程序291绪论1.1系统研究背景与意义随着人们生活质量的提高和智能化技术的普及，智能小区这项技术正在融入生活。智能小区是指利用智能化技术和设备，将小区内分散的系统进行整合，建成一个集成的管理系统。为了实现上述目标，智能小区一卡通系统诞生，该系统综合了门锁管理系统、停车管理系统、巡更管理系统和购物娱乐等消费系统，实现一卡通用的目的。目前，智能小区一卡通系统还未得到广泛的推广，系统还需进一步完善。所以，对该系统的研究将对改善生活质量产生深远的意义。1.2国内外研究现状国外智能小区的发展已有数十年的历史。美国率先提出了智能小区的概念，并推出了将电力系统、空调控制和通信网络合为整体的示范系统。日本相继提出相关的构想和标准，并取得重要成就。然而在东南亚等国，新加坡的智能小区建设已达到国际一流水准。纵观国外，智能小区的建设起步较早，技术相对成熟，功能日趋完善，应用较为普遍，但是还在不断改进1。从总体上来看，因各地的经济水平和居民的经济能力不同，目前国内大部分居民小区的科技含量较低，还未达到理想的智能化。尽管房地产开发商都将自己开发的楼盘标榜为智能小区，除部分的中高级住宅区之外，因为经济的落后和技术的不足，大部分住宅小区拥有真正的智能化配套设施还需要一定的时间。近几年，智能小区在国内取得了迅猛的发展。现阶段，国内也逐渐建成了一些达到国际水准的智能小区，如重庆的金科花园、位于上海浦东的怡东花园、位于广州天河区的汇景新城等。现在，智能小区在国内的发展逐渐壮大。智能小区在环保、节能方面优势突出，同时为生活提供了更多舒适、快捷和便利的体验2。根据国内外智能小区的发展现状分析，智能小区的建设有了迅猛发展，但是国内智能小区的综合智能化程度并没有达到之前预想的高度，仅仅是装配了一部分基础的智能化设备，尚未形成高度集成的智能化系统。智能小区一卡通系统技术将小区的智能化程度进一步提高，然而该技术的发展才刚刚开始，相关技术尚未成熟，系统有待完善。随着智能小区建设的普及，智能小区一卡通系统技术具有很大的发展空间。1.3 主要研究内容参考所查阅的资料，利用网络资源，研究现阶段正在应用的智能小区一卡通系统的设计思路和系统结构，发现了系统的缺点和不足。目前，智能小区一卡通系统的身份认证方式存在安全隐患和使用繁琐的问题，采用指纹识别能很好的解决现阶段智能小区一卡通系统在身份认证方面的问题，本论文主要研究了在智能小区的一卡通系统中运用指纹识别技术进行用户身份认证，并设计了购物娱乐等消费管理系统和巡更管理系统在实际应用中的系统构成和功能，对门锁管理系统和停车管理系统进行设计，制作相应的实物，并且实现了部分功能，满足系统的需求。本文的主要研究内容如下：(1) 智能小区一卡通系统的基本构成和功能，对系统的硬件和软件进行设计；(2) 门锁管理和停车管理系统系统基于微控制器MK60DN51ZVLQ10，采用FPC1011C2作为指纹采集传感器，运用指纹图像处理算法进行指纹识别，完成系统的身份认证，实现系统设定的功能；(3) 对巡更管理系统和购物娱乐等消费系统进行分析，确定系统的基本功能和实际应用价值，完成系统的总体设计和单片机部分的程序设计。2系统总体设计2.1总体结构系统硬件部分总体遵循模块化设计原则。器件选择在不影响系统功能和稳定性的前提下，充分考虑其性价比和扩展空间。智能小区一卡通系统由门锁管理、停车管理、购物娱乐等消费、巡更管理等系统构成，系统的硬件电路主要有最小系统板电路，电源电路（整流电路、稳压电路），显示电路，驱动电路等。 在整个系统设计中用到了集成开发环境Keil uVision4和原理图绘制软件Altium Designer 09。系统总体结构如图2.1所示。图2.1 系统总体框图2.2集成开发环境系统以MK60DN512ZVLQ10作为MCU，运用C语言作为编程语言，系统采用Keil uVision4作为程序编译软件。Keil提供了包括C编译器、宏汇编、连接器、项目管理器、调试器和实时仿真调试器的完整开发平台，集成开发环境（uVision）将这些分散的部分组合，支持常用系列和最新ARM系列的处理器，根据芯片型号启动代码可以自动配置，并且能实现Flash烧写，可进行 Simulation设备的模拟，性能分析等功能。熟练掌握Keil Vision4的基本功能，足以完成系统的软件设计，软件的调试界面如图2.1所示3。图2.1 软件调试工具界面截图2.3原理图绘制软件在硬件电路设计当中，为了提高系统抗干扰能力，便于系统批量生产，方便用户开发，因此绘制系统原理图。Altium Designer 是原Protel软件开发商Altium公司推出的一体化的电子产品开发系统，主要运行在Windows XP操作系统。这套软件通过把原理图设计、电路仿真、PCB绘制编辑、拓扑逻辑自动布线、信号完整性分析和设计输出等技术的完美融合，为设计者提供了全新的设计解决方案，使设计者可以轻松进行设计，熟练使用这一软件必将使电路设计的质量和效率大大提高。Altium Designer 除了全面继承包括Protel 99SE、Protel DXP在内的先前一系列版本的功能和优点外，还增加了许多改进和很多高端功能。该平台拓宽了板级设计的传统界面，全面集成了FPGA设计功能和SOPC设计实现功能，从而允许工程设计人员能将系统设计中的FPGA与PCB设计及嵌入式设计集成在一起。 由于Altium Designer 在继承先前Protel软件功能的基础上，综合了FPGA设计和嵌入式系统软件设计功能。3系统硬件设计本智能小区一卡通系统硬件设计包括电源模块、控制模块、信息采集模块、显示模块和执行模块。控制模块选用单片机MK60DN512ZVLQ1为核心完成对其它模块的控制；信息采集模块选用指纹采集芯片FPC1011C2；显示模块选用液晶显示屏TFT35；执行模块由步进电机和电控锁构成，分别完成对门锁管理和停车管理系统的命令执行。系统的硬件连接图如附录A所示。3.1 电源模块电源模块的工作原理如下：阻容式降压电路将220V的交流电降压后再通过整流之后加滤波电容，使输出的电压纹波减小。由于在高频条件下工作的电解电容具有电感特性，不能抑制来自电源侧的高频干扰，所以在整流电路后加入高频电容，使电压纹波得到改善。经过滤波电容的输出电压是17V，作为系统稳压电路的输入。 当由于某种特殊原因使交流供电系统无法正常工作时，为了提高系统的可靠性，需要为系统装设备用电源。如果采用两路独立的交流供电电源互为备用，则系统的供电等级升高，提高了系统的供电可靠性，但是增加了供电设备的成本，并且交流供电变得繁琐复杂，完全没有必要。本系统的备用电源采用镍铬电池，如果交流供电系统的停止工作的时间较短时，选用镍铬电池作为系统的备用电源。镍镉电池是移动设备常用的电池种类，大电流放电特性好、耐充放电能力强、使用方便。提供标准输出电压7.2V（充电后可能在8.5V左右），容量2000mAh，可由12V直流电充电。当系统的交流供电系统出现故障时，可将电池的输出直接作为系统稳压电路的输入，完全能够满足系统暂时性供电的需求。在智能小区一卡通系统的硬件模块中，作为门锁管理系统执行模块的电控锁需要12V供电，显示模块的TFT35需要5V供电，作为停车管理系统执行模块的步进电机需要5V供电，控制模块的单片机K60需要3.3V供电，信息采集模块的FPC1011C2需要3.3V供电，整个系统工作电流为200mA,考虑到系统的稳定性和可靠性，在本系统的设计中依次采用12V稳压LM7812、5V稳压LM7805、大电流5V稳压LM2596、3.3V稳压LM1117线性稳压芯片从高压到低压进行稳压,由于上述的稳压芯片纹波系数小，压差低，完全满足系统的硬件模块中对工作电流要求较大的需求。 本系统中经阻容式变压器降压整流滤波后的输出电压是17V，加入一级降压稳压电路LM7812，得到稳定的12V直流电给电控锁供电，在电压差允许范围内满足系统设计需求。如图3.1所示。图3.1 12V降压稳压电路由于停车管理系统执行模块的步进电机在工作时作为系统的负载，将会降低系统的工作电流，对其他模块造成影响，所以对该模块进行单独供电，加入降压稳压电路LM2596，允许的最大输出电流为1.5A，满足步进电机的供电需求。如图3.2所示。图3.2 5V降压稳压电路在经过一级降压稳压后得到12V直流电，后经二级降压稳压电路LM7805得到直流5V电压，对显示模块TFT35进行供电，同时作为下一级降压稳压的输入。如图3.3所示。图3.3 5V降压稳压电路在系统中，控制模块的单片机K60和信息采集模块FPC1011C2的工作电压为3.3V，所以在该设计中加入了线性降压稳压芯片LM1117得到3.3V直流电。如图3.4所示。图3.4 3.3V降压稳压电路在门锁管理系统中，执行模块的电控锁需要12V供电，而单片机I/O口的输出电压为3.3V，通过单片机直接对电控锁控制显然不能实现，因此通过单片机控制继电器SRD-12VDC-SL-C达到控制电控锁的目的。在停车管理系统中，微控制器对五线四相步进电机控制时，通过I/O口输出具有一定时序的高低电平作为步进电机的控制信号，然而仅仅通过该高低电平无法直接完成步进电机的驱动。若采用74LS373对步进电机进行驱动，需要大量的寄存器才能实现，因此选择电机驱动芯片ULN2003实现步进电机的驱动。ULN2003是由七个NPN达林顿管组成的一种高耐压高、载流大的达林顿陈列。ULN2003的灌电流可达500mA，并且在关闭状态时能够承受50V的电压，能够在高负载电流下实现并行输出。3.2 控制模块每个系统拥有独立的控制模块，但每个系统的选型相同，所以只选用一款将完成对所有系统控制模块的选型。控制模块是各个系统的核心，决定着系统的性能。首先，系统的实时性要好，那么MCU的处理速度就要快，意味着时钟频率要高；其次，系统的稳定性要高，那么MCU必须稳定可靠；再次，系统的功能要全面，则要求MCU功能强大，便于外围扩展。为了满足上述要求，选用Freescale公司的ARM Cortex-M4系列的微控制器MK60DN512ZVLQ10作为系统的MCU，该芯片功耗低，时钟频率可超频到180M；RAM的存储容量是128KB，Flash的存储容量是512KB；拥有常用的同步串行通信接口SPI、I2C和I2S，MCU通过这些接口与各种各样的传感器模块、控制模块甚至是其他的MCU进行通信；支持SD模式总线通信，能满足系统音频和视频需求的扩展；USB模块可与PC进行通信；以太网模块可实现单片机联网4。单片机最小系统包括晶振电路、复位电路、电源电路、调试电路5。电源电路的主要作用是给芯片提供稳定的工作电压，该电路中用大量的电源类引脚提供足够的电流容量，电源引脚全部外接适当的滤波电容，达到抑制高频噪音的目的。其中电源滤波电路用于改善系统的电磁兼容性，降低电源波动对系统的影响，使电路工作的稳定性增强。复位电路的功能是使单片机重新开始工作，内部的寄存器回复为初始值（在单片机出现程序死是机时很有用）。复位电路的原理是：正常工作时复位输入引脚接一个上拉电阻，当按下复位按钮时，复位引脚接地为低电平，使芯片复位。K60是双向复位引脚，作为输入引脚，低电平可使芯片复位，作为输出引脚，上电复位时输出低脉冲，表示芯片完成复位。晶振电路是给芯片提供准确的工作时钟信号。晶体振荡器分为无源晶振和有源晶振，有源晶振需要外接电源，无源晶振由于无极性而自身无法起振，所以需要辅助电路才能产生振荡信号。K60需要两个晶振：一个是主晶振，用于产生芯片和外设的工作时钟，另一个是实时定时器的晶振，本设计选用的核心板使用的主晶振是50MHz的有源晶振，实时定时器模块使用32.768KHz的无源晶振。调试电路的作用是完成程序下载和调试6。3.3 信息采集模块智能小区一卡通系统，顾名思义，就是一张卡可以处理一个小区内所有关于用户身份认证和娱乐消费的需求，那么这张卡既要使用方便，又要安全可靠。传统身份鉴别方法的特点是特定的持有物可能丢失、被盗或者没有携带，特定的保密信息则存在记忆上的困难和被破译的风险。同时，常用的身份鉴别手段与用户并不唯一绑定，特定的持有物或知识若被他人窃取，将拥有和失主相同的权力。指纹特征是人固有的生物特征，具有唯一性和终生不变性的特点。与特定持有物或知识的传统身份鉴别方法相比，指纹不存在忘记、被盗或丢失的可能，也不会被遗忘或没有携带的情况。本论文选择指纹作为每个用户的身份认证标示，完成用户所需的刷卡需求。用户的身份标示是指纹，接下来选择采集指纹信息的指纹采集芯片7。目前所用的指纹传感器技，基本上基于三种技术基础：光学技术、半导体硅技术、射频技术。使用最久远、最广泛的技术是借助光学技术采集指纹。依靠光学的进行指纹采集的设备具有显著的优势：通过长时间的应用考验，适应一定程度的温度变异，性价比较高，分辨率高达500DPI。不足之处是：由于光程较长，因此设备的尺寸较大，而且手指的干燥度和清洁度也将对光学指纹的采集效果产生不良影响。在90年代后期，基于半导体硅电容效应的技术逐渐成熟。硅传感器作为电容的一个极板，手指则是另一极板，利用手指纹线的脊和谷相对于平滑的硅传感器之间的电容差，形成8bit的灰度图像。该技术优点是可以在较小的表面上获得比光学技术更好的图像质量，在10mm15mm的表面上获得200300线的分辨率。缺点是易受干扰，可靠性相对差。为弥补光学技术设备和硅技术设备的不足，一种新型的射频信号指纹采集技术诞生。工作原理是利用射频信号对材料的穿透能力，产生随材料不同而不同的回波（不同材质的表面对射频信号的吸收、穿透与反射的程度不同），由于皮肤与空气对声波阻抗的不同，指纹脊与谷所在的具体位置就可以被区分。射频信号使用的频率大于10KHz，产生的能量达到对人体没有损伤的程度（强度与医学诊断的要求相同）。射频技术产品的采集精度已经相当精确，并且对手指平面的干燥度和清洁度没有严格要求，并且具有探测真皮层的特殊功能，可以很好的避免仿真指纹带来的困扰。所以，采集模块选用了最先进的采用射频技术的FPC1011C2。FPC1011C2 是由瑞典FingerPrints 公司推出的一种电容式面装指纹采集传感器，该传感器拥有多项专利，如晶圆体信号独立放大、传感器表面的特殊保护膜等。内部具有通用的高速SPI 接口和高精度的A/D 转换，通过8PIN软排线可以与各种系统连接。FPC1011C2具有采集高质量图像、抗耐磨、抗静电、功耗低等特点，是一种新型的基于certus 传感器平台的先进的电容式指纹传感器。该传感器采用全新的反射式测量法，内部的IC 产生电脉冲信号后，通过ABS 导电框输出，当传感器ABS导电框有手指接触以后，因为传感器电容基板与手指面上谷和脊的距离不同，所以形成不同的感应电压值，在经过内部高精度的A/D转换，从形成高质量的数字指纹图像并输出。其主要特点有：(1) 是采用硅晶圆与工业级陶瓷基板；(2) 分辨率为363dpi；(3) 传感器面积为10.64mm14mm；(4) 传感器阵列为152200点；(5) 耐磨高达100万次；(6) 抗静电可达15kV以上；(7) 内含8位模数转换器；(8) 高速SPI接口形式；(9) 工作电压为3.3V或2.5V；(10) 最大功耗为50mW；(11) 适用温度广。FPC1011C2的传感器阵列通过152 列200行的精密传感器单元组合而成。任何一个晶圆体都拥有对信号进行放大的功能，通常可以将接受到的经手指反射的微弱信号进行精确放大，从而可以保证获得质量较高的指纹图像。FPC1011C指纹传感器通过SPI接口(串行外围接口) 与各种处理器进行通信，时钟信号SCK一定要与所使用的处理器相同，处理器SPI的极性和相位设置也要与该传感器相同。设置CPHA =0 和 CPOL = 0，SPI接口是从属接口。处理器运用读取指令将通过传感器输入FIFO的象素数据读入内部寄存器。传感器支持的最大读取速度是4M象素/秒（=32MHz）。图3.5 FPC1011结构框图图3.6 FPC1011实物图3.4 显示模块在一卡通系统中，为了方便用户及时准确的得到用户的个人信息和当前的处理结果，添加了显示模块，满足系统的功能需求。本系统设计中选择TFT35作为系统的显示模块。3.5 执行模块在门锁管理系统中，执行模块为电控锁，执行单片机的命令，控制门的打开与关闭。电控锁的型号为XL01，工作电压为DC12V，功耗低，采用间断式供电，开锁时间小于1S，连续通电时间小于10S，该电控锁由于机械强度弱，仅作为执行模块的代表，在实际应用中需要选用机械性能更强的电控锁，作为门锁。在停车管理系统中，执行模块为步进电机。停车管理系统中需要对停车场的栏杆进行起降控制，起降的速度的响应要及时，起降角度能够控制并且固定，步进电机满足系统的需求。步进电机的转向、转速和转角是最终的控制参数。转向控制通过依次顺序或逆序给步进电机的四相给高电平，实现电机的正反转。由于要求电机能够实现精确定位，而且还要求快速地到达预先设定的位置，也就是要求快速准确地对步进电机的转速和转向进行控制。步进电机转速的控制方法主要是通过改变每个脉冲的时间间隔，步进电机转动的角位移是通过控制信号的脉冲个数来实现的，通过对脉冲个数的控制完成角位移量控制，从而达到准确定位的目的。四相步进电机具有四相绕组，有八个独立的引线终端。四相步进电机具有有双四拍和八拍驱动方式：按照通电顺序的不同，四相步进电机可以采用单四拍、双四拍或者八拍三种工作方式。单四拍与双四拍工作方式的步距角是八拍的一倍，所以，八拍工作方式既可以提高控制精度又可以保持较高的转动力矩。本设计中，对栏杆的起降旋转角度没有精确的要求，步进电机用单四拍控制完全满足要求。4系统软件设计软件设计是智能小区一卡通系统设计的难点和重点。系统的软件设计包括控制芯片初始化、指纹采集图像处理、液晶显示屏显示、执行模块的控制和各个系统功能的实现。由于一卡通系统中的各个分系统中包含以下软件设计基础部分，将该部分单独列出，在分系统设计中直接调用即可。4.1 软件设计基础部分控制模块作为系统的核心，控制芯片的初始化是系统良好运行的基础。控制芯片初始化包括：芯片超频设置、功能模块的配置和使用引脚的定义。在系统软件设计中，信息采集模块的软件功能实现是整个设计的难点，是保证系统可靠安全的保障。指纹识别由离线和在线两部分组成，如图4.1所示。离线部分用指纹采集芯片采集指纹图像，进行指纹图像预处理，再提取出指纹图像的特征点，然后将指纹特征点保存，作为指纹图像模板数据库：在线部分用指纹采集芯片采集指纹图像，进行指纹图像预处理，再提取指纹图像特征点作为指纹图像样板，然后将该样板的特征点与数据库中模板特征点进行匹配，判断是否是同一个指纹。两部分的指纹图像采集和处理完全一致，主要包括：(1) 指纹采集模块算法流程：首先对采集的指纹图像质量进行判断，目的有两个，一是判断是否采集到指纹图像，二是判断所采集到指纹图像是否完整清晰。使用差影算法判断是否采集到指纹图像，再通过预先设定的差影阈值，判定是否将采集到的指纹图像进入指纹图像预处理算法模块。(2) 指纹图像预处理模块算法流程：指纹图像真实化处理算法，依次通过指纹图像畸变矫正算法、指纹图像前景与背景分割算法、指纹图像均衡算法、指纹图像收敛算法、指纹图像平滑算法等算法流程，使指纹原始图像与真实的指纹一致；指纹图像智能化增强处理算法，通过智能化增强数学模型算法，使指纹纹线的黑白对比度增强；指纹图像细化处理算法，通过二值化、细化算法步骤，提取指纹图像骨架化。(3) 指纹特征提取模块算法流程：从指纹图像处理算法模块的处理结果中提取指纹特征点，将提取的指纹特征点进行去伪存真处理，然后把真正指纹特征点装配成拓扑数据结构。(4)指纹特征匹配模块算法流程：获取指纹特征点的模板和样板的拓扑数据结构，依次进行特征点（中心点、三角点、方向场点、其他配准点）配准，进行拓扑数据结构的匹配。指纹特征匹配模块算法的核心是配准指纹特征点的模板和样板的拓扑数据结构，在相同的坐标系统下对指纹模式是进行指纹特征匹配8。图4.1 指纹识别系统算法流程图图4.2 指纹特征匹配模块算法流程图电控锁控制程序的实现：在门锁管理系统中，执行模块的电控锁上电，锁头收缩，达到开门的目的；电控锁断电，锁头伸出，达到锁门的目的。通过对继电器的控制来完成电控锁的断电和上电，完成系统开锁门，控制电控锁就转换为对继电器信号线圈的上电和断电，单片机对继电器的信号线圈输出高低电平就能实现上述要求。电控锁的程序设计就是按照指纹识别的判定结果控制单片机I/O口输出高低电平。 步进电机控制程序的实现：在停车管理系统中，执行模块的步进电机的控制，就是对步进电机是否进行驱动。当微控制器给步进电机的驱动芯片ULN2003输出控制信号，达到对步进电控制的目的。在单片机上配置4个I/O口，依次给高电平驱动电机，每个电平之间增加延时来控制步进电机的转速，控制步进电机的步数确定步进电机的转角。当系统需要步进电机动作时，直接对该模块的程序调用。4.2 门锁管理系统在本论文中，智能小区大门上采用门锁管理系统，对本小区的住户和外来人员进行管理，外来人员无法随意进出，需要通过门卫工作人员的安排进行指纹登记，方可进出。本小区的住户将首先将指纹存储到门锁管理系统的指纹库中，系统的工作过程如下。门锁管理系统初始化完成后处于等待状态，当有使用者对门禁的信息采集模块进行操作时，门锁管理系统对使用者进行身份认证，验证通过则开门，同时将结合使用者信息和出入时间生成出入记录并通过网络传到服务器，服务器对出入记录定期保存，以备日后查询。因此本系统的软件设计可以分为两个部分。单片机软件和服务器软件。服务器软件可以采用VC或Delphi 等高级语言进行编程设计，主要包含网络接口和数据库模块两个部分。数据库可以选择SQLserver或者ACCESS等。本文将主要介绍单片机软件。单片机软件首先初始化整个系统：包括设置门锁管理模式；初始化人机交互界面TFT35；显示时间等信息；设定IP地址，测试网络是否畅通；然后系统进入等待状态，但有中断发生则响应对采集到的指纹信息进行处理，将得到的指纹特征点样板和指纹数据库中的模板进行匹配，如果匹配成功，说明当前使用的身份认证通过，单片机给执行模块的电控锁发出开锁指令，完成开门的要求，同时将生成的相关出入记录传输到服务器。单片机软件的主要模块有以下几个部分：指纹图像读取模块，指纹图像处理模块、指纹图像特征点匹配模块、指纹图像特征点拓扑数据结构管理模块和嵌入式TCP/IP 模块等。该门锁管理系统一般装设在小区的门口，但也可将该系统安装在住户的私人住宅门口，将所有家庭成员的指纹入库，同时增设图案密码也可开门的功能，避免客人在门口等待主人的尴尬，将PC作为系统服务器对出入记录定期保存，系统也可正常运行。根据住户需求也可将系统的服务器部分裁剪，仅仅使用单片机部分完全满足家庭需求。门锁管理系统正常运行的软件流程如图4.3所示。图4.3 门锁管理系统主程序流程图4.3 停车管理系统停车管理系统是指运用现代化的电子信息技术，将自动识别装置安装在停车区域的出入口处，通过身份认证或车牌识别对出入此区域的车辆实施判定识别、准入、拒绝、引导、记录、收费、放行等智能化管理，实现有效的控制车辆与人员的出入的目的，并保存所有的出入记录，自动计算停放时间和收费额度，实现对场内车辆的收费和安全管理。在本论文中，智能小区停车管理系统采用指纹识别技术对车主的身份进行认证，免去了刷卡和取卡的麻烦。在停车场的出入口各设置一套指纹传感器，使停车场形成一个相对封闭的场所，进出车辆的车主只需将指纹录入，系统即能瞬时完成检验、记录、核算、收费等工作，挡车道闸根据识别结果自动启闭，实现方便快捷的停车场管理，充分保证了系统的安全性、保密性，极大的减小了车辆失窃的可能。首先，停车管理系统将小区内的车辆和车主信息登记，采集车主的指纹信息，保存到系统建立指纹数据库，在车辆出入时，车主只需将指纹输入，系统将输入的指纹进行一系列处理生成指纹样板，并且与指纹数据库的模板相匹配，证明车辆属于本小区，对该车辆放行，同时显示当前的剩余车位。当车辆身份认证完成之后，运用和门锁管理系统相同的软件设计方案将车辆出入记录上传到服务器进行相同的处理。如果车主输入的指纹没有在指纹数据库中找到匹配的指纹模板，则系统将该车辆识别为属于外来车辆，系统将车主的指纹样板临时保存，车主选择在本小区的停留时间，若是较长时间的停留，需向管理人员缴费，允许该车辆驶入。如果车辆的停留时间超过进来时的选择时间，系统将拒绝该车辆驶出。系统对所有的出入记录进行保存，保存时间超过六个月的记录，系统将自动删除。本系统的软件设计包括两部分：单片机部分和服务器部分。本文只介绍单片机部分。首先将车主的指纹采集，通过指纹图像算法处理，将得到的指纹特征点样板存储到指纹数据库的指纹特征点模板，建立指纹数据库。在系统运行时，车主指纹的采集和指纹图像算法处理与之前相同，身份认证通过之后，执行控制程序，并通过显示屏显示当前的剩余车位，车场满位则自动亮起满位字样红灯并自动停止入口进车操作。为了进一步加强系统的可靠性，还可在停车场的出入口各安装高解像度的彩色固定摄像机、将支架固定、自动对焦镜头, 对出入车辆进行24小时监视，清晰的识别车牌号码。如果车辆驶入车场时，摄像机及时的将信号通过网络传输到停车场管理系统中并显示，并且存入数据库中；如果车辆驶离车场时，除了交纳相应的管理费用之外，驶离车辆的所有资料都必须与驶入车场时的资料对比相同，方可允许该车辆驶出。图4.4 停车管理系统运行流程图4.4 巡更管理系统智能小区的巡更管理系统的主要任务是保证小区中人员和财物的安全，及时发现和消除安全隐患。为了达到上述目的，巡更管理系统主要包括定点视频监控和巡更人员流程巡检。巡更管理系统除了实时显示视频监控，还需要帮助小区的管理人员利用本系统来完成对巡更人员和巡更工作记录进行有效的监督和管理，同时对一定时期的线路巡更工作情况做详细记录，巡更管理系统的作用是要求巡更值班人员能够按照预先随机设定的路线顺序地对各巡更点进行巡视。 系统的工作原理是将带有指纹识别的巡更点安放在巡逻路线的关键点上，巡更值班人员在巡逻的过程中将自己的指纹输入到巡更点，然后按线路顺序巡更，在巡更的过程中，如发现突发事件可随时触发巡更点的报警按钮，具体事发地点将显示在控制室，控制室调配应急人员及时赶到事发地点。本系统软件设计包括三个部分：视频监控部分的软件设计、巡更点对巡更记录的软件设计和控制室主机软件设计。视频监控部分的软件设计主要实时显示和切换各个固定地点摄像头的视频图像。巡更点对巡更记录的软件设计包括巡更人员的身份认证和巡更记录的生成与传输。控制室主机软件设计主要是通过SQL server或者Access数据库软件对巡逻记录保存，与巡逻计划对比，得到巡逻漏检、误点和巡查时间的统计数据，通过统计数据反映巡逻计划的执行情况和实际效果，同时统计出系统每个工作人员的实际工作情况，完成工作考核。本论文主要完成了巡更点对巡更记录软件的设计，软件设计的流程图如图4.5所示。图4.4 巡更管理系统巡更点运行流程图4.5 购物娱乐等消费系统新型的智能小区集住宿、休闲、购物、娱乐为一体，为住户提供了极大的方便。当住户消费时，携带现金很不方便，使用传统的刷卡存在安全隐患，并且需要随身携带。在小区中使用带有指纹识别身份认证的购物娱乐等消费系统时，不存在上述问题，本系统的特殊之处就是用户的指纹就是用户的账号和密码，当用户消费完，进行结账时进行指纹身份认证，然后系统在用户对应的账户上按照当前消费金额进行扣除，将消费记录上传至服务器进行保存，满足用户的方便快捷消费需求。主程序流程图如图4.5所示。图4.4 购物娱乐消费运行流程图本系统软件设计主要包括单片机部分和服务器部分。用户在系统中注册登记，将个人信息保存至系统，开设一个账户，与自己的银行账户连接，消费完之后系统直接在银行账户上进行结算。用户注册就包括系统指纹库建立，指纹库建立和指纹身份认证在前几节有详细描述，在此不再赘述。当用户结账时进行指纹识别身份认证，并验证成功后，生成一条消费记录，传送至服务器，系统自动与用户登记的银行账户连接并结算。本文主要完成单片机部分的软件设计，该部分的设计与之前讲述的单片机部分的软件设计相似，所以不再过多的叙述。5 系统运用结果系统软硬件调试的目的是通过控制程序和硬件电路的配合，完成系统要求的功能操作，以验证系统的软、硬件是否能够完成设计要求的功能。调试过程按照系统的设计功能进行划分。硬件电路系统测试保证各个元件之间以及各个模块之间的连接正确并且良好的运行，这是整个硬件电路系统正常工作的前提；接着分别测试各个硬件模块的性能。系统的软件调试主要是在系统联系调试之前对软件的各个子程序进行运行调试。整体结构如图5.1所示。图5.1 系统整体结构系统电源模块如图5.2所示。图5.2 系统电源模块系统执行模块如图5.3所示。图5.2 系统执行模块通过对系统进行长时间测试，系统的电源模块、控制模块、信息采集模块、显示模块和执行模块稳定可靠、运行良好，按照预定的设计，门锁管理系统和停车管理系统实现了基本功能。结 论本文介绍了智能小区一卡通系统的设计，运用指纹识别作为系统的身份认证手段，结合MK60DN512ZVLQ10单片机对门锁管理系统和停车管理系统的单片机部分进行了实物设计，对整个硬件部分和软件程序设计做了分析。文章对指纹识别技术中涉及的图像处理进行了重点介绍和研究，阐述了系统的结构设计和工作原理。对系统进行模块化性能的测试和分析可以得出以下结论：(1) 硬件设计方面：当系统长时间运行时，硬件部分的各个模块运行正常，完全满足系统的功能需求，通过对硬件部分的额定参数测试可以看出，所设计的模块电路原理正确，运行效果也达到了预期的要求。系统的硬件部分在原理设计和器件选型上，充分考虑了现场应用中的各种实际情况。(2) 软件设计方面：当系统长时间运行时，指纹图像的采集与处理、执行模块的正常运行、信息处理的输出与显示等功能都正常。(3) 系统功能方面：设计的电源模块，可以直接对AC220V进行电压电流变换，且具有较高的精度；液晶显示模块能实时反映运行过程中的处理结果和系统处于何种状态。但在实际使用过程中，系统仍存在以下不足之处：(1) 本系统中选用的微控制器存储空间有限，用户人数较大时，系统的指纹数据库容量有限，将不能满足系统的需求。(2) 系统的服务器软件部分，若系统投入实际应用中，该部分的软件设计决定系统的功能完整，但本文由于篇幅所限，没有对该部分进行深入研究和设计。致 谢论文完成之际，我谨向指导和帮助我的指导老师表示感谢和敬意。毕业设计期间，老师以自己丰富的理论知识与实际经验对我进行了悉心的指导并给了许多建议，为此我表示衷心的感谢。感谢所有帮助和支持我的同学，你们给予了我极大的信心和动力，大家共同学习和探讨，一起完成了各自遇到的难题为此我表示衷心的感谢。感谢兰州交通大学培育和帮助过我的所有老师。参考文献 1 周洪,张红梅,郭爱学.智能小区管理与控制系统M.北京:中国电力出版社,2006:10-37.2 刘叶冰.住宅小区智能化设计与实施M.北京:中国电力出版社,2009:23-98.3 凌明.嵌入式系统高级C语言编程.北京:北京航空航天出版社,2009:40-250.4 王宜怀,吴瑾.嵌入式系统原理与实战.M.北京:电子工业出版社出版社,2012:25-211.5 李华,王思明,张金敏.单片机原理及应用M.兰州:兰州大学出版社,2001:97-134.6 董少明.单片机应用系统硬件抗干扰技术的研究J.计算机应用技术,2009,5(8):41-72. 7 刘娟.基于指纹识别的智能小区研究D.武汉:武汉理工大学,2012:9-60.8 李昊,傅曦. Visual C+指纹模式识别系统算法及实现M.北京:人民邮电出版社,2008:56-205.附录A 系统硬件连接框图图A1 系统硬件连接框图附录B 指纹图像算法模块流程图图B1指纹图像采集模块算法流程 图B2 指纹图像预处理模块算法流程 图B3 指纹特征提取模块算法流程图B4 指纹特征匹配模块算法流程图附录C 程序/=指纹采集芯片FPC1011=#define XEMPTY_BIT0x04#define RRDY_BIT 0x02#define MAXROW 200 /* Total number of row in sensor pixel matrix */#define MAXCOL 152/* Total number