具有遠(yuǎn)程開啟功能的指紋應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計

摘要：設(shè)計了一個能用于門鎖和保險箱的指紋識別與控制系統(tǒng)。系統(tǒng)以MSP430F149為主控芯片，F(xiàn)SC7002為指紋處理芯片，兼具密碼和指紋兩種開啟方式。還設(shè)計了一個可選的遠(yuǎn)程開啟和報警模塊。模塊采用MG323作為通信芯片，通過GSM網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)了遠(yuǎn)程信息的傳輸。開發(fā)了基于Android系統(tǒng)的遠(yuǎn)程開啟軟件，軟件采用DES對傳輸信息進(jìn)行加密，提高了信息傳輸?shù)陌踩浴?br /> 關(guān)鍵詞：指紋識別；MSP430F149；MG323；Android；遠(yuǎn)程開啟

引言
    指紋識別是一種有效的身份識別技術(shù)。隨著光電技術(shù)和半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，自動指紋識別技術(shù)越來越多地被應(yīng)用到人們的日常生活之中。指紋鎖和指紋保險箱是指紋識別應(yīng)用中比較重要的產(chǎn)品。與指紋門禁不同，應(yīng)用于鎖具中的指紋系統(tǒng)一般采用電池供電，具有功耗低、體積小等特點(diǎn)。本文設(shè)計和實現(xiàn)了一個功耗低、人機(jī)界面良好的指紋識別應(yīng)用系統(tǒng)，系統(tǒng)可以應(yīng)用于門鎖和保險箱。
    在實際生活中，經(jīng)常碰到人在異地，但是需要別人進(jìn)門或者取用保險箱里財物的情況。以前常用的做法是提前將鑰匙借給別人或者臨時告訴別人密碼，這樣的做法增加了安全隱患，一旦以后出了問題，誰也說不清。本文在基本指紋識別系統(tǒng)之上增加了一個可選的遠(yuǎn)程開啟模塊，用戶可以通過手機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程開啟操作，解決了上述問題。

1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計
1．1 系統(tǒng)功能設(shè)計
    根據(jù)背景需求和目標(biāo)，整個應(yīng)用系統(tǒng)可分為3部分：主控制模塊、指紋處理模塊和遠(yuǎn)程通信模塊，它們的功能如下：指紋處理模塊負(fù)責(zé)對指紋的采集、指紋圖像的特征提取和存儲，以及指紋特征的匹配；遠(yuǎn)程通信模塊負(fù)責(zé)應(yīng)用系統(tǒng)和遠(yuǎn)程通信設(shè)備之間的信息交換；主控制模塊負(fù)責(zé)系統(tǒng)的人機(jī)交互、邏輯控制、功能管理，還負(fù)責(zé)對整個系統(tǒng)的電源管理分配。外圍設(shè)備與機(jī)構(gòu)，是指與指紋鎖或者保險箱相關(guān)的電機(jī)、振動傳感器等。主控制模塊通過UART接口對指紋處理模塊和遠(yuǎn)程通信模塊進(jìn)行控制操作。
1．2 主控制模塊
    主控制模塊選用MSP430F149作為主控芯片。MSP430F149是美國TI公司開發(fā)的一款16位RISC微控制器，它的低功耗特點(diǎn)能夠滿足我們的要求。主控制模塊需要完成的功能有控制電源供電、按鍵輸入、液晶顯示、電壓檢測、電機(jī)驅(qū)動、時間信息芯片等。
    MSP430F149使用8 MHz晶振作為主工作頻率，另外還有1個輔助晶振32768 Hz接在XIN和XOUT端，作為串口的波特率發(fā)生器產(chǎn)生源。
    系統(tǒng)選用臺灣悠景公司的UG-2864HSWEG01作為顯示屏。UG-2864HSWEG01是一款128×64像素的單色OLED顯示屏，OLED擁有能耗低、體積輕薄、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，十分適合電池系統(tǒng)。UG-2864HSWEG01面板顯示有兩種供電模式：外部供電和內(nèi)部升壓供電方式。當(dāng)使用外部電源給面板供電時，需要9 V電源；使用內(nèi)部DC／DC轉(zhuǎn)換器時外部需要接3．5～4．2 V電源，實際使用時外部接3．3 V也能正常顯示。考慮到本系統(tǒng)的實際情況，采用內(nèi)部升壓供電方式。UG-2864HSWEG01有多種方式與主控MCU通信，具體通過設(shè)置BS0、BS1和BS2引腳來選擇。本系統(tǒng)中選用8080并行接口方式與MSP430F149通信，通過設(shè)置BS0=0、BS1=1、BS2=1來實現(xiàn)。
    本系統(tǒng)中的鍵盤由一個3x4的矩陣鍵盤和4個獨(dú)立按鍵組成，分別是數(shù)字鍵“0”～“9”、“*”、“#”、“取消”、“向上”、“向下”、“確認(rèn)”，由于MSP430F149只有P1口和P2口有端口中斷源，因此將矩陣鍵盤的3個行信號和4個獨(dú)立功能按鍵放置在P1口。
    系統(tǒng)選用的EEPROM為AT24C08，時間芯片為DS1302，兩者均支持I2C總線協(xié)議。MSP430使用I／O模擬I2C總線協(xié)議與它通信。主控制模塊使用MSP430F149的UART0與指紋處理模塊通信，UART1與遠(yuǎn)程通信模塊通信。
    為了延長系統(tǒng)電池的使用壽命，系統(tǒng)采用自動下電方式，在待機(jī)時直接隔斷電源。使用了一個P溝道場效應(yīng)管FDN336，其關(guān)斷時DS漏電流為1μA左右，電源控制電路如圖1所示。當(dāng)鍵盤按鍵按下時，信號KEY_wakeup將接地拉低，此時，由于電阻的分壓作用，場效應(yīng)管GS兩極的電壓約為-5～-4．5 V，場效應(yīng)管導(dǎo)通，系統(tǒng)上電。系統(tǒng)上電后，MSP430F149立即將信號POWER_EN置高，三極管9013接通，系統(tǒng)維持上電。MSP 430F149處理完相關(guān)操作后，將信號POWER_EN置低，三極管阻斷，場效應(yīng)管GS兩極的電壓為0，F(xiàn)DN336截止，系統(tǒng)自動下電。

1．3 指紋識別模塊
    指紋識別模塊選擇FSC7002作為指紋識別處理芯片。FSC7002是成都方程式電子有限公司開發(fā)的專用指紋識別芯片，內(nèi)含一個8位FMCU8KB嵌入式微控制器以及FID116KMG指紋識別處理模塊，并且兼容多種指紋傳感器。FSC7002內(nèi)置微控制器與8051系列兼容，易于開發(fā)，通過UART可方便地對其進(jìn)行指令控制。
    綜合成本因素，本系統(tǒng)選用現(xiàn)成的基于FSC7002的指紋識別模塊BLH9003D。它是一種一體化的光學(xué)指紋處理模塊，它將光學(xué)傳感器和指紋處理器集成在一起，使得指紋識別模塊的體積、成本和開發(fā)成本都大大降低。BLH9003D內(nèi)置感應(yīng)芯片，對手指的按捺可進(jìn)行自動識別，并將識別結(jié)果通過信號通知控制方，當(dāng)無手指按捺時輸出低電平，有手指按捺時輸出高電平。
1．4 遠(yuǎn)程通信模塊
    遠(yuǎn)程通信模塊采用華為公司的MG323作為GSM的收發(fā)模塊。MG323模塊是華為公司推出的一款工業(yè)級的GSM／GPRS模塊，電源電壓3．3～4．8 V(推薦值3．8 V)，平均待機(jī)電流47μA。MG323提供一個UART接口和標(biāo)準(zhǔn)SIM卡接口，短消息模式支持TEXT和PDU。MG323不僅支持GSM協(xié)議，還支持GPRS協(xié)議，并且內(nèi)置TCP／IP協(xié)議棧，為將來進(jìn)一步開發(fā)提供了空間。MG323的接口電路如圖2所示，MG323的UART口定義是針對MCU而言的，故而它與MSP430的連接不用交叉。MG323必須采用額外的電池供電，主控系統(tǒng)通過GSM_EN信號來控制遠(yuǎn)程通信模塊的電源通斷。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計
2．1 系統(tǒng)軟件層次結(jié)構(gòu)
    MSP430F149內(nèi)置2 KB內(nèi)存，不太適合使用操作系統(tǒng)，因此本系統(tǒng)在軟件設(shè)計上采用前后臺系統(tǒng)和狀態(tài)機(jī)相結(jié)合的方式。在整體上，系統(tǒng)軟件分為硬件驅(qū)動層，功能函數(shù)層和應(yīng)用程序?qū)?，如圖3所示。

2．2 主應(yīng)用程序
    主應(yīng)用程序完成指紋鎖具的所有功能，圖4表示的是主應(yīng)用程序流程的示意圖。當(dāng)系統(tǒng)啟動時，首先進(jìn)行一系列的初始化，然后根據(jù)系統(tǒng)設(shè)置選擇默認(rèn)的開啟方式，之后根據(jù)按鍵的不同，或切換開啟方式，或進(jìn)入管理模式，或進(jìn)入遠(yuǎn)程開啟模式。

    系統(tǒng)分為密碼開啟和指紋密碼開啟兩種方式，密碼開啟只允許密碼開啟，指紋密碼開啟既可以用指紋開啟也可以用密碼開啟。之所以分2種開啟方式，是因為密碼開啟方式十分省電，實際使用中可能有的用戶為了省電而使用這種方式。用戶使用管理功能來維護(hù)鎖具，包括系統(tǒng)信息的設(shè)置，用戶信息的建立、刪除和修改，遠(yuǎn)程開啟和報警功能的設(shè)置等。管理功能使用菜單來進(jìn)行人機(jī)交互，只有管理員才能使用管理功能。
2．3 用戶信息結(jié)構(gòu)
    用戶數(shù)據(jù)信息存儲的是用戶的具體信息，包括用戶名字、用戶對應(yīng)的指紋ID、開啟密碼、用戶創(chuàng)建時間以及用戶屬性，總共長度為24個字節(jié)。用戶創(chuàng)建時間表示用戶創(chuàng)建的具體時間或者用戶最近的修改時間，采用BCD碼用7個字節(jié)表示，分別是秒、分、時、日、月、星期、年具體格式和DS1302對外輸出的格式相同。用戶屬性property使用1個字節(jié)記錄了用戶的權(quán)限級別、用戶的有效期和用戶默認(rèn)驗證方式。系統(tǒng)通過用戶創(chuàng)建時間和用戶有效期判斷用戶是否到期失效。用戶數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)定義如下：
   

2．4 指紋模塊通信協(xié)議
    控制模塊和指紋處理器FSC7002通過UART接口通信，它們之間的通信遵循一定的協(xié)議。FSC7002提供了一個標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議，本文直接采用了這個協(xié)議。上位機(jī)(MSP430F49)向下位機(jī)(FSC7002)發(fā)送的指令，采用指令包的形式進(jìn)行。指令包的長度為8字節(jié)，其格式如下所示。

    下位機(jī)收到指令包后，將有關(guān)指令執(zhí)行情況與結(jié)果采用應(yīng)答包的形式上報給上位機(jī)。下位機(jī)只對符合自身地址碼的指令包做出應(yīng)答，其他地址的指令包不會給予應(yīng)答；對于不符合協(xié)議要求的指令碼，下位機(jī)也不會應(yīng)答。應(yīng)答包的長度是不定的，應(yīng)答包將返回它應(yīng)答的指令碼，以及此指令碼的執(zhí)行結(jié)果代碼，還會返回一些必要的參數(shù)。應(yīng)答包的格式如下所示。

    控制模塊(上位機(jī))和指紋處理模塊(下位機(jī))不停地通過指令包和應(yīng)答包的傳送，完成一系列的功能任務(wù)。

3 遠(yuǎn)程報警和開啟
3．1 遠(yuǎn)程報警
    遠(yuǎn)程報警是指當(dāng)傳感器檢測到侵入或者輸入報警密碼時，系統(tǒng)向預(yù)先設(shè)置的手機(jī)號碼發(fā)送報警信息。所謂報警密碼是指預(yù)先設(shè)置的一組密碼，使用這組密碼同樣也能開啟鎖具，但是在開啟的同時，它將啟動遠(yuǎn)程通信模塊，并向遠(yuǎn)程手機(jī)發(fā)送報警的信息。報警密碼主要用在被挾持開鎖的情況下，既能保證人身安全，又能有一定的反制措施。
3．2 遠(yuǎn)程開啟
    遠(yuǎn)程開啟是指使用手機(jī)發(fā)送開機(jī)指令，在遠(yuǎn)距離情況下開啟門鎖或者保險箱。遠(yuǎn)程開啟功能的一大安全漏洞是使用GSM短信方式并不安全，因此本系統(tǒng)中對傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行了安全加密，使得安全性大大提升，加密算法使用256位DES加密。
    遠(yuǎn)程開啟功能包括鎖具部分和用戶手機(jī)部分，兩部分必須相互配合才能完成預(yù)期目標(biāo)。鎖具部分在前述章節(jié)建立的基礎(chǔ)上開發(fā)完成，用戶手機(jī)部分使用Android平臺作為開發(fā)對象。遠(yuǎn)程開啟功能包括注冊流程和遠(yuǎn)程開啟流程，分別如圖5和圖6所示。

    由于MSP430F149沒有隨機(jī)數(shù)生成器，因此使用內(nèi)部的計時器，對用戶按鍵間隔計時，使用這個間隔時間作為隨機(jī)數(shù)種子。
3．3 基于Android的遠(yuǎn)程開啟程序設(shè)計
    本文基于Android平臺，針對指紋鎖遠(yuǎn)程開啟的應(yīng)用需求，采用DES算法加密通信數(shù)據(jù)，設(shè)計了符合安全要求的指紋鎖手機(jī)端軟件。
    手機(jī)端軟件主要實現(xiàn)3個功能：遠(yuǎn)程開啟、注冊、刪除。軟件的總體結(jié)構(gòu)如圖7所示。

    注冊：手機(jī)端軟件接收鎖體短信，將鎖體名稱、密鑰和短信來源號碼保存到數(shù)據(jù)庫。
    開啟：獲取用戶輸入的隨機(jī)數(shù)和密碼，用隨機(jī)數(shù)和保存的密鑰對密碼進(jìn)行加密，發(fā)送到指紋鎖對應(yīng)的號碼。
    刪除：手機(jī)端軟件刪除對應(yīng)鎖體的信息，包括保存的密鑰。
    軟件中涉及短信接收和短信發(fā)送，必須在項目配置文件中添加SEND_SMS和RECEIVE_SMS權(quán)限。
    接收系統(tǒng)廣播，需要向系統(tǒng)申請廣播接收者權(quán)限。申請的方式有靜態(tài)和動態(tài)兩種。靜態(tài)方式在軟件的項目配置文件聲明即可。靜態(tài)方式下，軟件在整個運(yùn)行過程中都將響應(yīng)系統(tǒng)廣播。動態(tài)方式是在需要的時候使用registerReceivei方法向系統(tǒng)申請權(quán)限，在結(jié)束的時候使用unregisterReceiver方法注銷即可，本文中采用動態(tài)方式。接收到短信的系統(tǒng)廣播為android．provider．Telephony．SMSRECEIVED，用它生成過濾器IntentFilter類，即可使軟件只對該廣播進(jìn)行響應(yīng)。
    發(fā)送短信功能通過短信服務(wù)SmsManager類實現(xiàn)。該類中sendTextMessage方法即可控制手機(jī)硬件，實現(xiàn)短信的發(fā)送。

結(jié)語
    本文設(shè)計的指紋識別和控制系統(tǒng)(不包括遠(yuǎn)程通信模塊)使用4節(jié)1．5 V干電池串聯(lián)供電。經(jīng)測試，在使用指紋按捺感應(yīng)啟動功能的前提下，待機(jī)功耗為10．4μA，密碼識別過程功耗為8．9 mA，指紋識別過程功耗為131．2mA。系統(tǒng)主要功耗指標(biāo)已達(dá)到商業(yè)水平，具有較高的實
用價值。