基于物聯(lián)網(wǎng)的指紋識別系統(tǒng)研究

曾海燕，慕文靜，韋 燚

（廣西民族師范學(xué)院，廣西 崇左 532200）

隨著人民生活水平的不斷提高，科學(xué)技術(shù)不斷地改變?nèi)藗兊纳罘绞?，比如傳統(tǒng)的開鎖只能使用鑰匙進(jìn)行開鎖，傳統(tǒng)的支付方式從現(xiàn)金支付到線上支付，線上支付需要輸入密碼，輸入密碼即要求使用者要記住繁瑣的密碼，同時又要注意防止不法分子的窺探，過于簡單的密碼容易被破解，復(fù)雜的密碼不便于記憶，且不同的系統(tǒng)使用相同的數(shù)字密碼，一旦密碼被破解，極易導(dǎo)致嚴(yán)重的損失，因此人們往往針對不同的應(yīng)用設(shè)置不同密碼，這種狀態(tài)下，密碼存儲、記憶便容易產(chǎn)生混淆，密碼重置流程繁瑣且效率低下，導(dǎo)致智能應(yīng)用不再智能，而是給人們帶來煩惱。指紋的特點是唯一性、長期穩(wěn)定性，人的年齡在增長，但其指紋始終保持一致，指紋也不會因為受外力破壞而變化，具備自我修復(fù)能力，修復(fù)后保持跟原來的指紋特征完全一致，而且世界上沒有指紋完全一樣的兩個人。同時，指紋是每個人隨身攜帶的，不需要記憶，不可隱藏，這對于某些特殊應(yīng)用領(lǐng)域，比如刑偵辦案等方面，通過指紋識別，便可提供有力證據(jù)，指紋不會因某些特殊個體的故意隱瞞或者故意歪曲而變化。指紋自身的特點，給指紋識別這一應(yīng)用帶來廣闊的前景[1-3]。

基于物聯(lián)網(wǎng)的指紋識別技術(shù)更是將指紋識別與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的優(yōu)勢結(jié)合，將指紋識別應(yīng)用覆蓋到人們生活的每一個角落。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)就是借助網(wǎng)絡(luò)將萬物互聯(lián)，基于物聯(lián)網(wǎng)的指紋識別技術(shù)就像一把打開世界萬物的鑰匙，這把鑰匙關(guān)鍵在于指紋識別技術(shù)，鑰匙隨時掌握在使用者手中，可隨時隨地使用，不必?fù)?dān)心被人窺探，不必?fù)?dān)心遺忘密碼。通過指紋識別，從而識別用戶身份，身份匹配后，通過物聯(lián)網(wǎng)向受控物體發(fā)出指令。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展對推動該項技術(shù)的發(fā)展提供了不竭的動力，使得指紋信息識別技術(shù)的發(fā)展成為可能，如果說指紋識別是一把鑰匙，那么物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)便是將這把鑰匙所控制的范圍不斷拓展的載體，通過物聯(lián)網(wǎng)可以將指紋識別技術(shù)應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)、商業(yè)活動及金融系統(tǒng)等多個領(lǐng)域，基于物聯(lián)網(wǎng)的指紋識別技術(shù)在未來的發(fā)展和應(yīng)用場景上甚是可觀[4-5]。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計思路

本文設(shè)計的這一款基于物聯(lián)網(wǎng)的指紋識別系統(tǒng)采用具有高精度算法的AS608指紋識別模塊，系統(tǒng)主控模塊采用的是STM32的最小核心板STM32F103C8T6，實現(xiàn)采集錄入、增加刪除、驗證等功能。液晶顯示菜單可以顯示錄入指紋、指紋驗證及指紋刪除的狀態(tài)，指紋驗證結(jié)果通過LED不同顏色加以區(qū)分?？刂破鞔谕ㄐ艆f(xié)議和ⅠⅠC通信協(xié)議關(guān)聯(lián)AS608指紋識別模塊和OLED液晶顯示器，通過ⅠO引腳接收按鈕的控制信號。在設(shè)計過程中，所提供的液晶顯示模塊應(yīng)當(dāng)展示的菜單需要根據(jù)用戶輸入的指令改變而改變，所提供的初始的菜單頁面含有3種功能，提供多個按鍵，進(jìn)行功能的選擇。當(dāng)用戶點擊某一個功能，便會跳轉(zhuǎn)到指定頁面，并長時間停留在這個頁面，等待用戶的下一個指令，當(dāng)停留時間過長，自動退回主菜單界面。頁面展示的文字描述內(nèi)容也會隨著功能不同而改變，同時會觸發(fā)LED燈發(fā)光。需要注意的是，要給LED燈串聯(lián)一個限流電阻，起到保護(hù)作用，避免二極管燒毀。通過不同顏色的LED燈對指紋識別的狀態(tài)加以區(qū)別，比如狀態(tài)錯誤顯示紅燈、狀態(tài)正確顯示綠燈。當(dāng)在錄入指紋、識別指紋的時候，藍(lán)色LED狀態(tài)燈會閃爍，能夠便于用戶查看狀態(tài)。當(dāng)用戶在錄入指紋成功、驗證指紋成功、刪除指紋成功都會以綠色狀態(tài)燈長亮提示。當(dāng)兩次錄入的指紋不同時或者進(jìn)行指紋驗證失敗會以紅色狀態(tài)燈長亮提示。用戶以非錄入指紋進(jìn)行多次驗證，系統(tǒng)會以當(dāng)前驗證的指紋用戶為非法用戶，進(jìn)行報警處理，此時的紅色狀態(tài)燈為閃爍狀態(tài)，蜂鳴器也發(fā)出鳴聲報警。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 硬件設(shè)計過程

本文設(shè)計的指紋識別系統(tǒng)包含單片機(jī)主控模塊，用于控制整個系統(tǒng)協(xié)同工作；指紋識別模塊用于指紋數(shù)據(jù)的識別、對比；LED狀態(tài)模塊根據(jù)指紋識別的結(jié)果控制LED顯示顏色，從而對指紋識別結(jié)果加以區(qū)分；通過按鍵模塊將輸入信息轉(zhuǎn)換為數(shù)字控制指令；報警模塊根據(jù)識別結(jié)果輸出聲音報警；傳感器模塊負(fù)責(zé)采集數(shù)據(jù)。

設(shè)計的系統(tǒng)主要實現(xiàn)指紋錄入、指紋刪除、指紋驗證、液晶菜單顯示、報警功能、狀態(tài)燈顯示及實時監(jiān)測等功能。液晶主界面顯示當(dāng)前的信息、指紋功能菜單，通過按鍵來控制指紋的功能并跳轉(zhuǎn)到指紋功能界面，指紋驗證結(jié)果是否匹配則通過不同的LED燈顏色直觀體現(xiàn)，驗證結(jié)果匹配則亮綠燈，結(jié)果不匹配則亮紅燈。系統(tǒng)電路原理如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)電路原理圖

2.2 系統(tǒng)采用的主要模塊及其功能

主控模塊采用的是STM32的最小核心板STM32F103C8T6，單片機(jī)主控模塊對整個系統(tǒng)起到控制的作用，協(xié)調(diào)各個模塊的正常運(yùn)行，將數(shù)據(jù)解析并對其進(jìn)行處理。指紋識別模塊采用的是AS608，通過光學(xué)成像技術(shù)，采集指紋的曲線、折點等關(guān)鍵信息，生成指紋特征文件，該模塊采用的是串口通信協(xié)議，方便與系統(tǒng)對接，數(shù)據(jù)傳輸延時率低。結(jié)合LED模塊，通過指紋錄入、刪除、驗證操作是否成功給出不同顏色的LED顯示。系統(tǒng)采用了5個輕觸按鍵，每一個按鍵都具有不同的功能，并且切換到功能界面會影響的按鍵對應(yīng)不同的功能，提供按鍵的可復(fù)用性。按鍵采用一組常開狀態(tài)的2個引腳，采用低電平輸入的方式。當(dāng)按鍵按下，常開的2個會閉合，形成短路的狀態(tài)，會將低電平輸入到主控模塊，從而進(jìn)行下一步操作。報警模塊采用的是有源蜂鳴器，當(dāng)多次指紋驗證失敗后，會認(rèn)為當(dāng)前指紋并不存在于指紋庫，會做報警處理，當(dāng)作非法驗證的指紋處理。液晶顯示模塊采用的是OLED顯示屏，主要是展示當(dāng)前的信息，并提供功能菜單，每一個功能都有對應(yīng)的界面。首頁展示的是添加指紋、刪除指紋、驗證指紋，通過和按鍵配合使用，按下不同的按鍵可跳到不同的界面。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 系統(tǒng)主程序設(shè)計

主程序運(yùn)行的流程如圖2所示：首先初始化SHT30傳感器、單片機(jī)輸入輸出引腳、AS608指紋識別模塊、OLED液晶顯示屏。初始化成功之后液晶顯示屏?xí)崟r顯示溫濕度數(shù)據(jù)及功能目錄，有“K1鍵添加指紋”“K3鍵刪除指紋”“K5鍵驗證指紋”。顯示結(jié)果如圖3所示。

圖2 系統(tǒng)主程序流程圖

圖3 主界面結(jié)果圖

3.2 添加指紋程序設(shè)計

指紋錄入流程如圖4所示，首先對指紋識別模塊、LED狀態(tài)模塊、按鍵控制模塊初始化，此時OLED液晶顯示屏?xí)故竟δ懿藛?。按下K1按鍵之后會進(jìn)入到指紋錄入界面，OLED液晶顯示屏顯示“請按手指”的漢字并且藍(lán)色的狀態(tài)燈長亮。當(dāng)長時間沒有按下手指會跳轉(zhuǎn)回到功能菜單，需要重新按下K1鍵才能再次進(jìn)到指紋錄入界面。當(dāng)按下指紋之后，指紋錄入正常則需要再按下一次，如果錄入失敗則導(dǎo)致紅色狀態(tài)燈長亮，并回退到功能菜單主界面。每次采集過程將進(jìn)行2次采集，若2次采集結(jié)果不一致，則紅色狀態(tài)燈長亮。當(dāng)指紋比對成功會自動生成指紋模板，并將指紋添加到指紋模板，此時需要設(shè)置指紋模板ⅠD，可通過K2，K4鍵設(shè)置指紋模板ⅠD，ⅠD值從00—99，可以存100個指紋，按下K4鍵指紋模板ⅠD加1、按下K2鍵指紋模板ⅠD減1、按下K3鍵保存當(dāng)前的指紋模板ⅠD，如果當(dāng)前指紋模板ⅠD已有指紋，會直接覆蓋之前的指紋，按下K3鍵保存指紋之后，藍(lán)色狀態(tài)燈熄滅，綠色狀態(tài)燈會長亮，然后退回到功能主界面。

圖4 指紋錄入流程圖

3.3 指紋刪除程序設(shè)計

指紋刪除流程如圖5所示，首先對指紋識別模塊、LED狀態(tài)模塊、按鍵控制模塊初始化。然后在功能界面按下K3鍵，跳轉(zhuǎn)到指紋刪除界面。此時頁面顯示的內(nèi)容包含以下幾種：按下K4對指紋模板ⅠD加1操作、按下K2鍵對指紋模板ⅠD減1操作、按下K1鍵返回功能主界面、按下K3鍵確認(rèn)刪除當(dāng)前指紋模板ⅠD下的指紋、按下K5鍵刪除指紋庫的所有指紋。指紋模板的ⅠD長度從00—99，通過K2、K4指定想要刪除的指紋，按下K3鍵刪除當(dāng)前指定的指紋。指紋刪除成功之后，顯示屏?xí)宫F(xiàn)“指紋刪除成功”字樣，綠色狀態(tài)燈會發(fā)光，否則紅色狀態(tài)燈發(fā)光，并返回到主界面。

圖5 指紋刪除流程圖

3.4 指紋驗證程序設(shè)計

在功能主界面按下K5鍵，進(jìn)入到指紋驗證界面，如圖6所示，指紋驗證流程首先對指紋識別模塊等模塊進(jìn)行初始化，以清除之前的緩存，此時界面顯示的是“驗證指紋”字樣，藍(lán)色狀態(tài)燈發(fā)光，將手指放入AS608光學(xué)指紋模塊的平板上，通過光學(xué)模塊生成指紋圖像，提取指紋圖像的特征并與事先存儲的指紋庫進(jìn)行比對，通過特征篩查輸出匹配結(jié)果。當(dāng)按下一個已經(jīng)錄入的指紋，也就是相匹配成功，綠色狀態(tài)燈會發(fā)光。當(dāng)按下一個并沒有錄入的指紋，指紋尋找不到相匹配的指紋，會錄入失敗，紅色狀態(tài)燈會長亮。驗證成功之后，液晶顯示屏?xí)故井?dāng)前的指紋模板ⅠD并顯示當(dāng)前指紋驗證成功的得分，當(dāng)連續(xù)5次指紋驗證失敗，蜂鳴器會做報警處理。

圖6 指紋驗證流程圖

4 結(jié)束語

本文從系統(tǒng)設(shè)計原理、思路及系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計等方面對指紋識別系統(tǒng)進(jìn)行具體介紹，本系統(tǒng)提供指紋采集錄入、增加刪除、修改及驗證等功能。通過對采集的指紋與指紋庫進(jìn)行特征匹配，輸出指紋是否符合的結(jié)果，同時，系統(tǒng)可對指紋庫進(jìn)行增加、刪除，確保指紋識別的準(zhǔn)確、安全。本系統(tǒng)具有較強(qiáng)可擴(kuò)展性，將指紋識別技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合，旨在構(gòu)建一套基于物聯(lián)網(wǎng)的指紋識別系統(tǒng)，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及指紋識別技術(shù)的優(yōu)勢，將指紋識別系統(tǒng)應(yīng)用到更多領(lǐng)域。從本文所介紹指紋識別技術(shù)的特點、應(yīng)用前景等，可見指紋識別系統(tǒng)是提高人民生活便捷性的必然趨勢，因此指紋識別系統(tǒng)設(shè)計的可靠性決定了其具備廣泛推廣的潛力，相信在不久的將來，會有越來越多的關(guān)于指紋識別的應(yīng)用在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)加持下，走進(jìn)尋常百姓生活的每一個領(lǐng)域。