基于MSP43D的智能化指紋車鎖系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

馮峰　許可　張志強(qiáng)　劉志剛

摘要：以一種MSP430為核心處理器的低成本、智能化的指紋自行車鎖系統(tǒng)。該系統(tǒng)解決傳統(tǒng)自行車鎖存在著的操作不便，安全性欠佳等問題所設(shè)計(jì)的。借用智能手機(jī)上的指紋識(shí)別模塊來?yè)?dān)負(fù)指紋采集、對(duì)比、搜索等功能，選用HC05藍(lán)牙通訊模塊為指紋鎖與手機(jī)建立可靠連接。與此同時(shí)，本文提出了密碼指紋并行解鎖方案與蜂鳴器自動(dòng)報(bào)警方案。最后，在電路設(shè)計(jì)與軟件方面進(jìn)行了的低功耗設(shè)計(jì)。實(shí)際測(cè)試結(jié)果表明，本智能化指紋車鎖系統(tǒng)使用便捷，可行性高。

關(guān)鍵詞：智能化指紋車鎖系

；MSP430；HC05；密碼指紋并行解鎖方案；自動(dòng)報(bào)警機(jī)制

指紋鎖憑借著其唯一、不可復(fù)制、方便、安全等特征成為了目前所有鎖具中最具有前景的鎖種。指紋鎖是古典鎖具五金技術(shù)與現(xiàn)代計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、電子技術(shù)、機(jī)械技術(shù)的結(jié)晶。但是當(dāng)前市場(chǎng)上指紋鎖的應(yīng)用卻主要局限于手機(jī)與門鎖，罕見應(yīng)用指紋的自行車鎖。究其原因是由于指紋車鎖的成本居高不下。然而人們對(duì)于便捷性需求愈發(fā)強(qiáng)烈，于是我們?cè)O(shè)計(jì)了此種低成本智能化的指紋車鎖。本智能化指紋車鎖系統(tǒng)主要的創(chuàng)新點(diǎn)：1）將現(xiàn)有智能手機(jī)的指紋解鎖功能與傳統(tǒng)機(jī)械鎖體相結(jié)合，節(jié)約了成本。2）有自動(dòng)報(bào)警機(jī)制，鎖身內(nèi)置陀螺儀，當(dāng)鎖頭受到外力強(qiáng)拆時(shí)可以觸發(fā)蜂鳴器及時(shí)預(yù)警，安全系數(shù)高；3）以軟硬件相結(jié)合的方式來降低系統(tǒng)功耗，使之持久續(xù)航。

1.智能化指紋車鎖系統(tǒng)的基本構(gòu)成及其功能介紹

智能化指紋車鎖系統(tǒng)，包括有指紋解鎖功能的移動(dòng)終端部分和機(jī)械鎖體部分。移動(dòng)終端通過無線藍(lán)牙的方式與機(jī)械鎖體連接。機(jī)械鎖體包括無線開關(guān)鎖部分和報(bào)警部分。無線開關(guān)鎖部分包括MCU、舵機(jī)、鎖芯活塞、藍(lán)牙模塊和LED燈。報(bào)警部分則包括三軸加速度電子陀螺儀、蜂鳴器、MCU、舵機(jī)和藍(lán)牙模塊。三軸加速度電子陀螺儀和蜂鳴器設(shè)置于車鎖本體內(nèi)部。LED燈設(shè)置于車鎖本體表面，鎖芯活塞設(shè)置于車鎖本體的一側(cè)，舵機(jī)通過齒輪與鎖芯活塞相咬合。

本系統(tǒng)具有指紋開關(guān)鎖功能、密碼開關(guān)鎖功能以及自動(dòng)報(bào)警功能。具體操作步驟如下：步驟J、通過移動(dòng)終端進(jìn)行用戶指紋錄入：打開手機(jī)APP，點(diǎn)擊“設(shè)置”進(jìn)行指紋錄入，此時(shí)LED燈亮黃燈，示意正在錄入，當(dāng)手機(jī)提示錄入成功時(shí)，LED燈亮綠燈；步驟2、解鎖時(shí)，通過移動(dòng)終端輸入密碼或指紋進(jìn)行比對(duì)識(shí)別，若成功，則通過藍(lán)牙模塊發(fā)送指令至MCU，MCU根據(jù)指令控制帶齒輪的舵機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)解鎖；如果比對(duì)失敗，手機(jī)將會(huì)發(fā)送給藍(lán)牙模塊一個(gè)指令，MCU接收指令并根據(jù)指令控制LED燈亮紅燈，舵機(jī)保持不變，呈閉鎖狀態(tài)。步驟3、關(guān)鎖時(shí)，移動(dòng)終端通過藍(lán)牙模塊發(fā)送指令至MCU，MCU根據(jù)指令控制帶齒輪的舵機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)關(guān)鎖；步驟4、當(dāng)處于關(guān)鎖狀態(tài)并受到外力產(chǎn)生振動(dòng)時(shí)，三軸加速度電子陀螺儀發(fā)送信號(hào)至MCU，MCU控制蜂鳴器和LED燈進(jìn)行報(bào)警。整個(gè)系統(tǒng)外觀上還帶配備有操作流程圖，提示用戶更方便地進(jìn)行操作，一定程度上避免用戶的錯(cuò)誤操作。

2.智能化指紋車鎖系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1部件組成

系統(tǒng)由MSP-EXP430F5529，舵機(jī)，鎖芯活塞，藍(lán)牙模塊，LED燈，MPU6000三軸加速度電子陀螺儀、蜂鳴器、輸入、輸出端、供電部件等部件組成。

2.2硬件設(shè)計(jì)

為滿足智能化指紋車鎖智能程度高、高性能、低功耗的需要，選用了德州儀器所生產(chǎn)MSP430系列超低功耗微控制器。MSP-EXP430F5529混合信號(hào)微控制器包含多種器件，特有面向多種應(yīng)用的不同外設(shè)集。這種架構(gòu)與5種低功耗模式相組合，專為延長(zhǎng)電池使用壽命而優(yōu)化。MSP-EXP430F5529具有一個(gè)10位模數(shù)（AID）轉(zhuǎn)換器。配合外圍電路的設(shè)計(jì)，采用該器件可以使系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)、體積和成本極大改善。HC-05嵌入式藍(lán)牙串口通信模塊具有兩種工作模式：命令響應(yīng)工作模式和自動(dòng)連接工作模式。當(dāng)模塊處于自動(dòng)連接工作模式時(shí)，將自動(dòng)根據(jù)事先設(shè)定的方式連接的數(shù)據(jù)傳輸；當(dāng)模塊處于命令響應(yīng)工作模式時(shí)能執(zhí)行下述所有AT命令，用戶可向模塊發(fā)送各種AT指令，為模塊設(shè)定控制參數(shù)或發(fā)布控制命令。通過控制模塊外部引腳（P1011）輸入電平，可以實(shí)現(xiàn)模塊工作狀態(tài)的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換。HC-05在藍(lán)牙通訊質(zhì)量、耐用性等方面，均得到業(yè)內(nèi)人士的肯定。因此，本系統(tǒng)也采用HC-05作為藍(lán)牙通訊模塊。在實(shí)際使用過程中此串口模塊主要用到的引腳有以下幾個(gè)：P108、P109連接LED共同指示模塊工作狀態(tài)；P1011模塊狀態(tài)切換腳，高電平->AT命令響應(yīng)工作狀態(tài)，低電平或懸空->藍(lán)牙常規(guī)工作狀態(tài)。HC-05藍(lán)牙串口通信模塊與MSP-EXP430F5529MCU連接通信，外部接線電路如圖1所示。

2.3基于MPU6000電子陀螺儀的自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

當(dāng)鎖關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，陀螺儀開關(guān)打開，進(jìn)行工作狀態(tài)，當(dāng)受到外力產(chǎn)生振動(dòng)時(shí)，陀螺儀將識(shí)別振動(dòng)，并通過MCU控制蜂鳴器發(fā)出報(bào)警。當(dāng)鎖開啟狀態(tài)時(shí)，陀螺儀開關(guān)關(guān)閉。MPU6000：選用MPU-6000。MPU6000是世界上首個(gè)六軸MEMS慣性運(yùn)動(dòng)測(cè)量組件，功耗低、成本低、性能高。采用超小封裝結(jié)構(gòu)，極大地滿足了智能化指紋鎖系統(tǒng)的空間需求。在12C端口可以以單一數(shù)據(jù)流的形式，向應(yīng)用端輸出完整的9軸融合演算技術(shù)。并且它可以通過MPU6000獲取所有的傳感器數(shù)據(jù)而不需要系統(tǒng)主控干預(yù)。報(bào)警單元：包括一個(gè)微型的蜂鳴器。蜂鳴器體積為5 mm×6 mm×1.8 mm，驅(qū)動(dòng)電壓為3.0V，驅(qū)動(dòng)電流為100 mA，振蕩頻率為4000Hz，在10cm處的聲壓級(jí)（SPL）為70dB/min。

3.智能化指紋鎖系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1智能手機(jī)系統(tǒng)軟件

為建立手機(jī)與智能化指紋鎖的聯(lián)系，并以此為媒介將手機(jī)內(nèi)置指紋識(shí)別算法應(yīng)用于車鎖，賦予車鎖等同于手機(jī)的安全性。軟件用java語言編寫，識(shí)別算法為“感知哈希算法”。程序分為3個(gè)模塊：指紋錄入模塊，指紋識(shí)別模塊，關(guān)鎖模塊。管理員通過點(diǎn)擊“設(shè)置”錄人指紋信息，在指紋信息成功錄入后，存入相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)，為指紋信息識(shí)別做好前期準(zhǔn)備。驗(yàn)證過程時(shí)用戶輕按指紋識(shí)別模塊進(jìn)行指紋對(duì)比，如果指紋和數(shù)據(jù)庫(kù)中的指紋模板相匹配將發(fā)送藍(lán)牙信號(hào)開鎖，并將記錄寫入日志文件。選用的OpenGL ES由0penGL裁剪得到。對(duì)于界面視頻效果，采用OpenGLEs 2.0中的貼圖技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)2D視頻顯示聊。

3.2機(jī)械鎖身信號(hào)接收方式

智能化指紋鎖系統(tǒng)的信號(hào)交互方式為藍(lán)牙通訊，使用HC05藍(lán)牙通訊模塊。其基本原理是在機(jī)械鎖身中內(nèi)置有芯片，芯片內(nèi)植入預(yù)先選定算法的軟件。當(dāng)手機(jī)接收到指紋信息時(shí)，發(fā)送藍(lán)牙信號(hào)。HC05根據(jù)接收到的信號(hào)進(jìn)行分析是否為有效數(shù)據(jù)幀信號(hào)。當(dāng)且僅當(dāng)識(shí)別到的信號(hào)為有效信號(hào)時(shí)才執(zhí)行相應(yīng)的解鎖動(dòng)作。

4.結(jié)果與測(cè)試

根據(jù)上述理論與設(shè)計(jì)，進(jìn)行了綜合測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明，基本達(dá)到了所需要的功能要求。實(shí)際測(cè)試中：手機(jī)上的指紋識(shí)別模塊與鎖具上的藍(lán)牙模塊通訊穩(wěn)定，在手機(jī)上基本可以實(shí)現(xiàn)錄入、刪除、匹配指紋的功能。經(jīng)過500次的開關(guān)鎖實(shí)驗(yàn)，僅僅有3次出現(xiàn)了信號(hào)丟失、延時(shí)開鎖的狀況，就目前來說基本達(dá)到了使用要求。為此我們將繼續(xù)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)方案，使該系統(tǒng)將來有機(jī)會(huì)得到更好的應(yīng)用。

5.結(jié)束語

目前市面上的指紋識(shí)別的自行車解鎖裝置種類極少、其潛在的市場(chǎng)尚未打開，處在一個(gè)即將爆發(fā)的瓶頸期。上文所述智能化指紋車鎖系統(tǒng)經(jīng)過功能測(cè)試表明其具有成本低、安全性高，可自動(dòng)報(bào)警、等特點(diǎn)?？梢哉f該系統(tǒng)實(shí)用性強(qiáng)，是目前人們非?？释囊环N小型智能化設(shè)備。