一个能用于门锁和保险箱的指纹识别与控制系统设计

　　本文设计了一个能用于门锁和保险箱的指纹识别与控制系统。系统以"MSP封装说明"为主控芯片，FSC7002为指纹处理芯片，兼具密码和指纹两种开启方式。还设计了一个可选的远程开启和报警模块。模块采用MG323作为通信芯片，通过GSM网络实现了远程信息的传输。开发了基于Android系统的远程开启软件，软件采用DES对传输信息进行加密，提高了信息传输的安全性。

　　指纹识别是一种有效的身份识别技术。随着光电技术和半导体技术的发展，自动指纹识别技术越来越多地被应用到人们的日常生活之中。指纹锁和指纹保险箱是指纹识别应用中比较重要的产品。与指纹门禁不同，应用于锁具中的指纹系统一般采用电池供电，具有功耗低、体积小等特点。本文设计和实现了一个功耗低、人机界面良好的指纹识别应用系统，系统可以应用于门锁和保险箱。

　　在实际生活中，经常碰到人在异地，但是需要别人进门或者取用保险箱里财物的情况。以前常用的做法是提前将钥匙借给别人或者临时告诉别人密码，这样的做法增加了安全隐患，一旦以后出了问题，谁也说不清。本文在基本指纹识别系统之上增加了一个可选的远程开启模块，用户可以通过手机进行远程开启操作，解决了上述问题。

　　1．系统硬件结构设计　

　　1．1 系统功能设计

　　根据背景需求和目标，整个应用系统可分为3部分：主控制模块、指纹处理模块和远程通信模块，它们的功能如下：指纹处理模块负责对指纹的采集、指纹图像的特征提取和存储，以及指纹特征的匹配；远程通信模块负责应用系统和远程通信设备之间的信息交换；主控制模块负责系统的人机交互、逻辑控制、功能管理，还负责对整个系统的电源管理分配。外围设备与机构，是指与指纹锁或者保险箱相关的电机、振动传感器等。主控制模块通过UART接口对指纹处理模块和远程通信模块进行控制操作。

　　1．2 主控制模块　

　　主控制模块选用MSP430F149作为主控芯片。MSP430F149是美国TI公司开发的一款16位RISC微控制器，它的低功耗特点能够满足我们的要求。主控制模块需要完成的功能有控制电源供电、按键输入、液晶显示、电压检测、电机驱动、时间信息芯片等。

　　MSP430F149使用8 MHz晶振作为主工作频率，另外还有1个辅助晶振32768 Hz接在XIN和XOUT端，作为串口的波特率发生器产生源。

　　系统选用台湾悠景公司的UG-2864HSWEG01作为显示屏。UG-2864HSWEG01是一款128X64像素的单色OLED显示屏， OLED拥有能耗低、体积轻薄、响应速度快等优点，十分适合电池系统。UG-2864HSWEG01面板显示有两种供电模式：外部供电和内部升压供电方式。当使用外部电源给面板供电时，需要9 V电源；使用内部DC／DC转换器时外部需要接3．5～4．2 V电源，实际使用时外部接3．3 V也能正常显示。考虑到本系统的实际情况，采用内部升压供电方式。UG-2864HSWEG01有多种方式与主控MCU通信，具体通过设置BS0、BS1和BS2引脚来选择。本系统中选用8080并行接口方式与MSP430F149通信，通过设置BS0=0、BS1=1、BS2=1来实现。

　　本系统中的键盘由一个3x4的矩阵键盘和4个独立按键组成，分别是数字键“0”~“9”、“*”、“#”、“取消”、“向上”、“向下”、“确认”，由于MSP430F149只有P1口和P2口有端口中断源，因此将矩阵键盘的3个行信号和4个独立功能按键放置在P1口。

　　系统选用的EEPROM为AT24C08，时间芯片为DS1302，两者均支持I2C总线协议。MSP430使用I／O模拟I2C总线协议与它通信。主控制模块使用MSP430F149的UART0与指纹处理模块通信，UART1与远程通信模块通信。

　　为了延长系统电池的使用寿命，系统采用自动下电方式，在待机时直接隔断电源。使用了一个P沟道场效应管FDN336，其关断时DS漏电流为1uA左右，电源控制电路如图1所示。当键盘按键按下时，信号KEY_wakeup将接地拉低，此时，由于电阻的分压作用，场效应管GS两极的电压约为-5～-4．5 V，场效应管导通，系统上电。系统上电后，MSP430F149立即将信号POWER_EN置高，三极管9013接通，系统维持上电。MSP 430F149处理完相关操作后，将信号POWER_EN置低，三极管阻断，场效应管GS两极的电压为0，FDN336截止，系统自动下电。

　　1．3 指纹识别模块

　　指纹识别模块选择FSC7002作为指纹识别处理芯片。FSC7002是成都方程式电子有限公司开发的专用指纹识别芯片，内含一个8位FMCU8KB嵌入式微控制器以及FID116KMG指纹识别处理模块，并且兼容多种指纹传感器。FSC7002内置微控制器与8051系列兼容，易于开发，通过UART可方便地对其进行指令控制。

　　综合成本因素，本系统选用现成的基于FSC7002的指纹识别模块BLH9003D。它是一种一体化的光学指纹处理模块，它将光学传感器和指纹处理器集成在一起，使得指纹识别模块的体积、成本和开发成本都大大降低。BLH9003D内置感应芯片，对手指的按捺可进行自动识别，并将识别结果通过信号通知控制方，当无手指按捺时输出低电平，有手指按捺时输出高电平。

　　1．4 远程通信模块

　　远程通信模块采用华为公司的MG323作为GSM的收发模块。MG323模块是华为公司推出的一款工业级的GSM／GPRS模块，电源电压3．3～4．8 V(推荐值3．8 V)，平均待机电流47u;A。MG323提供一个UART接口和标准SIM卡接口，短消息模式支持TEXT和PDU。MG323不仅支持GSM协议，还支持GPRS协议，并且内置TCP／IP协议栈，为将来进一步开发提供了空间。MG323的接口电路如图2所示，MG323的UART口定义是针对MCU而言的，故而它与MSP430的连接不用交叉。MG323必须采用额外的电池供电，主控系统通过GSM_EN信号来控制远程通信模块的电源通断。

　　2 系统软件设计

　　2．1 系统软件层次结构

　　MSP430F149内置2 KB内存，不太适合使用操作系统，因此本系统在软件设计上采用前后台系统和状态机相结合的方式。在整体上，系统软件分为硬件驱动层，功能函数层和应用程序层，如图3所示。

　　2．2 主应用程序

　　主应用程序完成指纹锁具的所有功能，图4表示的是主应用程序流程的示意图。当系统启动时，首先进行一系列的初始化，然后根据系统设置选择默认的开启方式，之后根据按键的不同，或切换开启方式，或进入管理模式，或进入远程开启模式。

　　系统分为密码开启和指纹密码开启两种方式，密码开启只允许密码开启，指纹密码开启既可以用指纹开启也可以用密码开启。之所以分2种开启方式，是因为密码开启方式十分省电，实际使用中可能有的用户为了省电而使用这种方式。用户使用管理功能来维护锁具，包括系统信息的设置，用户信息的建立、删除和修改，远程开启和报警功能的设置等。管理功能使用菜单来进行人机交互，只有管理员才能使用管理功能。