基于生物认别技术的多功能智能安防指纹锁

基于生物识别技术的多功能智能安防指纹锁摘要指纹锁是一种智能门锁，它是计算机信息技术，电子，机械技术和现代硬件技术的完美结晶。它使用指纹特征的永久与独特性，使用方便，快捷，准确的完成用户认证。本文将在通用的指纹识别系统功能基础上使用基于ARM架构的STM32F103系列处理器设计一个多功能安防指纹锁，该系统在传统的指纹锁功能体系基础上加入生物防假指纹技术，能有效应对当前市面上的假指纹方案。该系统还加入现场拍照功能，所有的开锁及记录都当有图片方式保存于网络，同时用户可远程APP查看开锁记录和接收特殊情况下的报警信息。本系统共包括三个部分：基于STM32的指纹锁控制器、基于STM32的图像采集和发射器、手机端APP。其中指纹锁控制器负责处理所有用户对指纹锁的操作并发送命令给图像采集和发射机;图像采集和发射机在接到命令后对开锁场进行拍照并及时将图像信息通过WIFI上传至网络;手机端APP应用程序可以在有网的条件查看开锁记录和接收的特殊情况下的紧急警报消息。整个系统共使用两个STM32F103系列处理器，同时还集成有指纹传感器、人力接近传感器、电容式触摸按键、OLED液晶显示屏、振动传感器、语音模块、电机驱动、摄相头模块及WIFI模块等部件。相比传统指纹锁系统，安全性和系统的可靠性有更大的保障。关键字：ARM、STM32F103、指纹锁、现场拍照、远程查看、报警

AbstractFingerprintlockisakindofintelligentdoorlocks,itisthecomputerinformationtechnology,electronic,mechanicalhardwaretechnologyandmoderntechnologytheperfectcrystal.ItUSESthefingerprintcharacteristicsofuniquenessandpermanent,useconvenient,quick,accuratetocompletetheuserauthentication.ThisarticlewilluseingeneralfunctionbasedonfingerprintidentificationsystembasedonARMarchitectureofSTM32F103seriesprocessordesignamulti-functionsecurityfingerprintlock,thesystemisbasedontraditionalfingerprintlockfunctionsystemtojointhebiologicalfalsefingerprinttechnology,caneffectivelydealwiththecurrentoffakefingerprintsonmarketsolutions.Thesystemalsojointhescenecamera,allthelockandrecordswhenthereisawaytosaveintheInternetimages,atthesametimeuserscanremoteAPPviewunlockalarminformationrecordsandreceivespecialcircumstances.thissystemincludesthreeparts:basedontheSTM32fingerprintlockcontroller,basedontheSTM32imageacquisitionandlaunchers,mobilephoneAPP.Thefingerprintlockcontrollerisresponsibleforhandlingalluserstotheoperationofthefingerprintlockandsendcommandstotheimageacquisitionandthetransmitter;ImageacquisitionandtransmitterafterreceivedorderstounlockaphotographanduploadtotheimageinformationintimethroughtheWIFInetwork;MobileterminalAPPapplicationscanseeundertheconditionofanetworkunlockrecordsandreceivethespecialcircumstancesofemergencyalarmmessage.Thewholesystem,usingtwoSTM32F103seriesprocessors,butalsointegratedwiththefingerprintsensor,humanproximitysensors,capacitivetouchbuttons,OLEDLCDscreen,vibrationsensors,voicemodule,motordriver,aphotographerintheheadmoduleandWIFImodulesandothercomponents.Comparedwiththetraditionalfingerprintlocksystem,safetyandreliabilityofthesystemwithgreaterprotection.Keywords:ARM,STM32F103,fingerprintlock,thescenephotos,remoteviewing,reporttothepolice目录摘要 2第一章、作品难点与创新 5一、作品难点 5二、创新点 5第二章、方案论证与设计 6第三章、原理分析与硬件电路图 7一、指纹控制模块原理分析与电路设计 7二、图像采集与发送模块原理分析与电路设计 16三、手机APP模块 19第四章、软件设计与流程 21第五章、总结 23

第一章、作品难点与创新一、作品难点本系统整体功能繁杂，其主要技术难点有如下三点：1、设计指纹锁控制器主电路及外围功能模块电路，编程实现指纹锁的所有功能逻辑。2、设计并实与图像采集与发送器实现对开锁现场画面的采集与发送功能。3、实现手机端APP对开锁记录的远程查看与接收特殊情况下的报警信息。二、创新点难点虽多，本系统的创新点也不少，其具体表现为：1、本系统采用的指纹传感器具备生物识别技术。而当前市面的大部分指传感器还有具备生物识别功能，陌生人在获得家庭主人的指纹信息后，便可根据指纹信息制作指纹膜进行解锁，安全性存在很大的质疑。而本作品指纹传感器具备认识假指纹功能，传统的指纹膜对它将不起任何作用，大大提高系统的安全性。2、系统软件上引用不同的用户安全级别，用户可设定指纹权限为危急模式级别，当用户被胁迫或其它危急情况下可用处于该级别权限的手指开锁，系统会要正常开锁后通过WIFI模块向网络上发送求助或报警信息，安装了本系统的APP的客户端就可以查看到报警信息。大大提高了用户的生命与财产安全。3、系统引入图像采集与WIFI收发模块，能对开锁现场进行拍照并上传至网络，这样即使指纹锁系统最终被攻破（内部成员操作、故意人为破坏等）后，用户也可以查看到当时的现场画面信息，为后期的案件侦破提供很重要的线索与证据。4、系统具有手机APP终端。可以在有网络的条件下随进查看指纹锁的记录，并能接收到指纹锁发送的求助及报警信息。

第二章、方案论证与设计本文设计的指纹锁系统的总体设计方案共包括三大部分：基于STM32的指纹锁控制器、基于STM32的图像采集与发送器、手机端监控APP。如图2-1所示，其中指纹锁控制器主处理器采用STM32F103ZET6芯片，控制器集成有指纹传感器、人手接近传感器、电容式触控按键、OLED液晶显示器、震动传感器、语音模块、电机驱动、电源电量检测等模块，同时还使用了STM32F103ZET6内部实时时钟模块及flash用来存放用户密码信息，该控制器负责实现指纹锁的工作逻辑及发送信息通知图像采集与发送器完成对开锁现场的拍照工作；图像采集与发送器主处理器同样采用一片STM32F103ZET6，并集成摄相头模块、WIFI模块等部件用于完成图像的采集与发送；手机端监控APP是本系统中自主开的手机应用，主要功能是接收特殊情况下的提示及报警信息及浏览开锁记录。指纹锁控制器图像采集与发送器手机端监控APP指纹锁控制器图像采集与发送器手机端监控APP图2-1系统整体方案图 整个系统的工作流程是：当用户对指纹锁控制器进行操作时，指纹锁控制器在处理用户操作信息同时发送一条命令字通知图像采集与发送器完成对开锁现场的拍照工作。图像采集与发送器立即对现场画面进行采集并通过WIFI模块将图像信息发送到网络。手机端监控APP可在有网的情况下接收到重要的开锁操作信息（如危急情况下开锁的报警信息，故意人为破坏等）及查看开锁记录。

第三章、原理分析与硬件电路图本指纹锁锁系统按功能分可分为三大功能模块，各个模块的主要功能及实现原理得各不相同。一、指纹控制模块原理分析与电路设计其中指纹锁控制器功能模块主处理器采用的是STM32F103ZET6，内部集成有指纹传感、人手接近传控制器集成有指纹传感器、人手接近传感器、电容式触控按键、OLED液晶显示器、震动传感器、语音模块、电机驱动、电源电量检测等模块。指纹传感器用于提取用户手指指纹信息；人手接近传感器用于检测是否有手指放在指纹传感器模块上，触发控制器进行指纹比对或指纹信息提取操作；电容式触控按键与LED液晶显示器及语音模块构成了指纹锁控制器的人机交互接口；震动传感器用于检测对指纹锁系统的非正常操作如人为故意破坏等；电机驱动用于控制锁闩的上下闩动作；电源电量检测等模块用于检测系统电池电量情况；同时还使用了STM32F103ZET6内部实时时钟模块来为系统提供标准时间数据，使用flash用来存放用户密码信息。指纹锁控制模块实际电路原理图3-1所示。图3-1指纹锁控制器电路原理图指纹锁控制模块的电路PCB设计图（3D）及实物图为：图3-2指纹锁控制模块PCB设计图（3D）及实物图需要补充的是在本系统的指纹锁控制模块中主控芯片的具体型号是STM32F103ZET6；电容触控芯片使用的是台湾合泰的BS83B12-3电容式触控MCU；显示器为BML公司的一块1.3英寸128x64点滴阵的OLED显示屏；语音芯片使用的是NV080C；门闩的小电机具体型号是FF-030PA；电机驱动芯片选用L9110S全桥芯片；人手接近传感器模块使用了单键触摸按键ICRH6030；指纹传感器选用FPC-1011F。下面是各个模块特写图片及与指纹控制器的接口电路介绍。1、STM32F103ZET6主处理器介绍STM32F103ZET6是增强型，32位基于ARM核心的带512K字节闪存的微控制器，集USB、CAN、11个定时器、3个ADC、13个通信接口等功能单元。其详细特性：■内核：ARM32位的Cortex™-M3CPU−最高72MHz工作频率，1.25DMips/MHz(Dhrystone2.1)，在存储器的0等待周期访问时−单周期乘法和硬件除法■存储器−从256K至512K字节的闪存程序存储器−高达64K字节的SRAM−带4个片选的灵活的静态存储器控制器。支持CF卡、SRAM、PSRAM、NOR和NAND存储器−并行LCD接口，兼容8080/6800模式■时钟、复位和电源管理−2.0～3.6伏供电和I/O管脚−上电/断电复位(POR/PDR)、可编程电压监测器(PVD)−内嵌4～16MHz晶体振荡器−内嵌经出厂调校的8MHz的RC振荡器−内嵌带校准的40kHz的RC振荡器−带校准功能的32kHzRTC振荡器■低功耗−睡眠、停机和待机模式−VBAT为RTC和后备寄存器供电■3个12位模数转换器，1μs转换时间(多达21个输入通道)−转换范围：0至3.6V−三倍采样和保持功能−温度传感器■2通道12位D/A转换器■DMA−12通道DMA控制器−支持的外设：定时器、ADC、DAC、SDIO、I2S、SPI、I2C和USART■多达112个快速I/O口−51/80/112个多功能双向的I/O口−所有I/O口可以映像到16个外部中断−除了模拟输入口以外的IO口可容忍5V信号输入调试模式−串行单线调试(SWD)和JTAG接口−Cortex-M3内嵌跟踪模块(ETM)■多达11个定时器−多达4个16位定时器，每个定时器有多达4个用于输入捕获/输出比较/PWM或脉冲计数的通道−2个16位6通道高级控制定时器，多达6路PWM输出，带死区控制−2个看门狗定时器(独立的和窗口型的)−系统时间定时器：24位自减型计数−2个16位基本定时器用于驱动DAC■多达13个通信接口−多达2个I2C接口(支持SMBus/PMBus)−多达5个USART接口(支持ISO7816，LIN，IrDA接口和调制解调控制)−多达3个SPI接口(18M位/秒)，2个可复用为I2S接口−CAN接口(2.0B默认)−USB2.0全速接口−SDIO接口■CRC计算单元2、OLED液晶屏介绍本指纹锁系统采用的是一款1.3寸128×64点阵显示屏，实物图如图3-3所示，该显示模块拥有蓝光、白光两种色彩显示，高亮度，自发光，高对比度，超薄，全视视角，存储操作温度范围广，低功耗，响应速度快等特点。广泛运用于显示类电子产品显示界面。其主要参数有：显示颜色(DisplayColor):Blue点阵(DotMatrix):128(W)×64(H)驱动芯片(DriverIC):SH1106连接接口(Interface):8-bit8080,8-bit6800,4-wireSPI，3-wireSPI，I2C操作温度(Widerangeofoperatingtemperature):-40℃~+70℃点尺寸(DotSize):0.21(W)×0.21(H)mm2开口率(ApertureRate):83%显示面积(ActiveArea):29.42(W)×14.7(H)mm2面板尺寸(PanelSize):34.5(W)*23(H)*1.2(T)mm3模组尺寸(ModuleSize):34.5(W)*35(H)*1.43(T)mm3A区尺寸(DiagonalA/ASize):1.3inch图3-3OLED显示屏实物与接口电路3、电机驱动电路介绍L9110s是为控制和驱动电机设计的两通道推挽式功率放大专用集成电路器件，将分立电路集成在单片IC之中，使外围器件成本降低，整机可靠性提高。该芯片有两个TTL/CMOS兼容电平的输入，具有良好的抗干扰性；两个输出端能直接驱动电机的正反向运动及刹车，它具有较大的电流驱动能力，每通道能通过750～800mA的持续电流，峰值电流能力可达1.5～2.0A；同时它具有较低的输出饱和压降；内置的钳位二极管能释放感性负载的反向冲击电流，使它在驱动继电器、直流电机、步进电机或开关功率管的使用上安全可靠。L9110s被广泛应用于保险柜、玩具汽车的电机驱动、步进电机驱动和开关功率管等电路上。主要特性有：低静态工作电流；宽电源电压范围：2.5V-12V；每通道具有800mA连续电流输出能力；较低的饱和压降；输出具有正转、反转、高阻和刹车四种状态；TTL/CMOS输出电平兼容，可直接连CPU；输出内置钳位二极管，适用于感性负载；控制和驱动集成于单片IC之中；具备管脚高压保护功能；工作温度：-20℃-80℃。引出端排列按下图的规定。引出端排列为俯视图。图3-4l9110s引脚分布与功能图电路内部功能框图图3-5l9110s内部电路图图3-6电机驱动芯片与电机驱动电路4、NV080C语音芯片介绍NVC系列语音芯片是广州九芯电子科技最新推出的一款适合工厂量产型的OTP语音芯片。它具有成本低，性能稳定，音质高，控制方便，电路简单等诸多显著优点。NVC系列语音芯片的推出，以近似于当前业界掩膜的价格，但无最小量的限制，弥补了目前产业界的一个不足，适合低成本快速投产，最快仅需一天即可出货。NVC是一款性能稳定的语音芯片，无需任何外围电路，在极其恶劣的噪声环境下都可正常工作，它具有宽泛的耐温和耐压范围，正常工作范围宽达1.8V~5.5V，弥补了目前市面上语音芯片抗干扰能力较差的缺陷。NVC系列语音芯片有一组PWM输出口，可以直推0.5w喇叭，音质清晰。内置LVR复位，无需外加复位电路。内置精确的内阻频率振动器（最大仅+-1%的误差），无需外接电阻。NVC一个很明显的优势是OTP烧录程式可以和MASK掩膜无缝对接，也就是说，产品前期试产阶段用户可以OTP试产，试产成功后进入大规模生产时，可以直接按OTP样品投产MASK掩膜以降低成本，客户无需二次确认样品。NVC系列语音芯片具有多种按键触发方式，且可以输出多种形式的电平信号，可以设定按语音的起伏节奏变化。另外NVC支持主控MCU一线串口控制，可以任意控制多段语音触发，是市面上唯一8脚芯片支持220段声音的语音芯片。NVC系列语音芯片支持DAC外接功放，支持播放声音优美的和弦MIDI音乐。NVC系列语音芯片具有多种实用的封装形式：DIP8、SOP8、COB等，外围电路仅需一电源耦合电容即可，工作稳定，宽泛的工作电压，超低的待机功耗以及宽耐温性能都使NVC系列语音芯片在广泛的应用领域中拥有一流的性价比优势。功能特点：OTP存储格式，生产周期快；灵活的多种按键操作模式以及电平输出方式供选择（边沿按键触发、电平触发、随机按键播放、顺序按键播放）；简单方便的一线MCU串口控制方式，用户主控MCU可控制任意段语音的触发播放及停止；语音时80秒；内置一组PWM输出器可直推0.5W喇叭，支持13bit的DAC输出，可外接模拟功放；灵活的放音操作，通过组合可节省语音空间，最多可播放220个语音组合；音质优美，性能稳定，物美价廉；内置LVR自复位电路，保证芯片正常工作；DIP8，SOP8，以及COB三种封装可供选择，使用方便，应用灵活；支持和弦MIDI播放，音质非常优美；外围电路简单，仅需一耦合电容；工作电压范围：2V～4.5V；静态电流：小于2uA；图3-7语音芯片与语音驱动电路5、BS83B12A-3电容式触摸MCU介绍该系列单片机是一款8位具有高性能精简指令集且完全集成触摸按键功能Flash单片机。此系列单片机含有触摸按键功能和可多次编程的Flash存储器特性，为各种触摸按键的应用提供了一种简单而又有效的实现方法。触摸按键功能完全集成于单片机内，使用较少的外部元件便可实现触摸按键的应用。该系列单片机除了Flash程序存储器，还包括RAM数据存储器和用于存储串列数据、校准数据等非易失性数据的EEPROM存储器。内部看门狗定时器和低电压保护功能具有良好的抗噪声和抗ESD保护功能，确保单片机在恶劣的电气环境中仍能保持稳定的操作。该系列单片机内部集成了高/低速振荡器，在应用中不需增加外部元件。动态切换高低系统时钟的能力，为用户提供了优化单片机操作和降低功耗的能力。通过内部I2C和SPI接口，可方便与外部MCU之间的通讯，I/O灵活、8-bit定时器和其它特性增强了该系列单片机的功能和灵活性。该系列触摸按键单片机能广泛应用于各种触摸按键产品中，例如仪器仪表，家用电器，电子控制工具等等。特性工作电压：–fSYS=8MHz：2.7V~5.5V–fSYS=12MHz：2.7V~5.5V–fSYS=16MHz：4.5V~5.5VVDD=5V，系统时钟为16MHz时，指令周期为0.25μs集成4/8/12/16触摸按键功能--不需要增加外接元件暂停和唤醒功能，以降低功耗集成高/低速内部振荡器低速--32kHz高速--8MHz，12MHz，16MHz多种工作模式：正常模式，低速模式，空闲模式和休眠模式所有指令都可在1个或2个指令周期内完成查表指令63条功能强大的指令系统多达4层堆栈位操作指令Flash程序存储器：2K×16数据存储器：128×8~288×8EEPROM存储器：32×8~64×8看门狗定时器功能多达22个双向I/O口与I/O口复用的外部中断输入一个8位定时/计数器一个时基功能，用于产生固定时间的中断信号I2C、SPI接口低电压复位功能12个触控按键大电流LED驱动图3-8电容触控按键应用电路6、手指按近传感器介绍RH6030是一款单通道电容式触摸感应控制开关，其用途是替代传统的机械型开关。该IC采用CMOS工艺制造，结构简单，性能稳定。该IC通过引脚可配置成多种模式，可广泛应用于灯光控制、玩具、家用电器等产品。兼容台湾通泰TTP223。产品特点：◆工作电压：2.0V～5.5V

◆最高功耗10uA，低功耗模式仅1.5uA(均指在3V且无负载)

◆外部配置引脚设置为多种模式

◆高可靠性，芯片内置去抖动电路，可有效防止外部噪声干扰而导致的误动作

◆可用于玻璃、陶瓷、塑料等介质表面图3-9RH6030单通道触摸感应开关应用电路7、指纹锁控制模块接口电路展示 指纹锁控制模块的接口电路如下图所示：图3-10指纹锁控制模块接口电路二、图像采集与发送模块原理分析与电路设计 图像采集模块的主要工作是要接收到指纹控制模块的命令字后，对开锁现场进行拍照，而后将所得到的图像信息通过WIFI模块发送到网络。本系统设的的图像采集模块主处理器采用的是STM32F103ZET6处理器，图像采集传感器采用的是OV670摄相头，WIFI模块主芯片为ESP8266EX。整个图像采集与发送模块的原理图如图3-11所示：图3-11图像采集与发送模块的原理图图3-12图像采集与发送模块PCB图OV7670摄相头模块介绍OV7670是OV最经典的一款30万摄像头CMOS感光芯片，体积小、工作电压低提供单片VGA摄像头和影像处理器的所有功能。通过SCCB总线控制，可以输出整帧、子采样、取窗口等方式的各种分辨率8位影像数据。该产品VGA图像最高达到30帧/秒。用户可以完全控制图像质量、数据格式和传输方式。所有图像处理功能过程包括伽玛曲线、白平衡、饱和度、色彩度等都可以通过SCCB接口编程。OV图像传感器应用独有的传感器技术，通过减少或消除光学或电子缺陷如固定图案噪声、托尾、浮散等，提高图像质量，得到清晰的稳定的彩色图像。图3-13OV7670摄相头模块（带FIFO）实物图图3-14OV7670摄相头模块电路原理图（带FIFO）本系统使用的摄相头模块集成Al422BFIFO芯片，FIFO是英文FirstInFirstOut的缩写，是一种先进先出的数据缓存器，没有外部读写地址线，但只能顺序写入、读出数据，其内部读写指针自动加1，不能决定读取或写入某个指定的地址。FIFO一般用于不同时钟域之间的数据传输。对于单片FIFO来说，主要有两种结构：触发导向结构和零导向传输结构。触发导向传输结构的FIFO是由寄存器阵列构成的，零导向传输结构的FIFO是由具有读和写地址指针的双口RAM构成，如图：图3-15Al422BFIFO工作示意图2、ESP8266WIFI模块介绍ESP8266是一款超低功耗的UART-WiFi透传模块，拥有业内极富竞争力的封装尺寸和超低能耗技术，专为移动设备和物联网应用设计，可将用户的物理设备连接到Wi-Fi无线网络上，进行互联网或局域网通信，实现联网功能。ESP8266封装方式多样，天线可支持板载PCB天线，IPEX接口和邮票孔接口三种形式；ESP8266可广泛应用于智能电网、智能交通、智能家具、手持设备、工业控制等领域。主要特性：支持无线802.11b/g/n标准支持STA/AP/STA+AP三种工作模式内置TCP/IP协议栈，支持多路TCPClient连接支持丰富的SocketAT指令支持UART/GPIO数据通信接口支持SmartLink智能联网功能支持远程固件升级（OTA）内置32位MCU，可兼作应用处理器超低能耗，适合电池供电应用3.3V单电源供电图3-16系统中用到的wifi模块实物图三、手机APP模块该模块是基于android的手机APP设计，本设计主要通过Socket进行通信，实现对图像采集模块发送来的图像采集并进行解码显示，完成本作品对开锁人图像及开锁信息实时显示的作用。手机APP各界面展示如下图：图3-17手机APP各界面展示1APP主界面显示着手机APP中的各个选择按钮，分别对应着网络连接、实时画面、测试功能等，其中测试功能是会后续的功能扩展进行保留，网络连接、实时画面，如下将会对其进行相关介绍。网络连接界面显示着两张图片，分别为网连接界面1与网连接界面2，前者对应着刚进入界面