劉歡1,，方華2

　　（1.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(biāo)識碼：ADOI： 10.19358/j.issn.16747720.2016.23.027

　　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(dāng)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FM180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。FM180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MCS51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(dāng)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(dāng)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(biāo)，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(zhǔn)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(dāng)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(dāng)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(dāng)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(dāng)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

　　FM180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(biāo)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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