基于STM32的指紋鎖控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)共3篇

基于STM32的指紋鎖控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)共3篇基于STM32的指紋鎖控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)1隨著電子科技的不斷進(jìn)步，指紋識別技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于人們的生活中。自動門、指紋門禁等場景下，指紋識別成為了一種非常便捷的驗證方式。本文主要介紹了一款基于STM32的指紋鎖控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)快速、準(zhǔn)確的指紋識別驗證，保障人們的安全。

一、系統(tǒng)硬件設(shè)計

本系統(tǒng)的硬件設(shè)計分為兩個部分：指紋模塊和控制模塊。指紋模塊采用的是兼容AFR495模塊的模組，該模組內(nèi)部采用集成電路芯片處理指紋數(shù)據(jù)，實現(xiàn)指紋的采集、提取、比對等功能，支持多種指紋庫管理方式。控制模塊采用的是STM32F103RCT6單片機(jī)，該單片機(jī)主頻為72MHz，具有更高的性能和較強(qiáng)的外設(shè)控制能力。

1、指紋模塊

指紋模塊采用兼容AFR495模塊的指紋識別模組。該模組內(nèi)置STf7016芯片，具有以下特性：

（1）高度一致性的指紋圖像獲取能力；

（2）集成了數(shù)字信號處理電路，可適應(yīng)不同手型和皮膚色；

（3）內(nèi)置用于指紋比對的ARM處理器；

（4）內(nèi)存大，可支持多種指紋庫管理方式；

（5）支持多種指紋識別方式，如按壓、劃動、懸停等。

指紋模塊與STM32單片機(jī)通過串口進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。模塊內(nèi)置密碼，單片機(jī)通過指定的命令查詢模塊密碼，以驗證模塊合法性。

2、控制模塊

控制模塊采用STM32F103RCT6單片機(jī)，該單片機(jī)具有以下特性：

（1）主頻為72MHz，集成多種外設(shè)控制器；

（2）內(nèi)置128KB的閃存，可容納大量代碼和數(shù)據(jù)；

（3）內(nèi)置20KB的SRAM，可提供大量運(yùn)行空間；

（4）支持多種外設(shè)交互方式，包括UART、SPI、I2C等；

（5）支持多種中斷模式、多任務(wù)處理和定時器控制等。

STM32作為指紋鎖控制模塊的核心，主要發(fā)揮以下兩個作用：

（1）控制模塊與指紋模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，包括指紋數(shù)據(jù)的采集、傳輸、驗證等；

（2）實現(xiàn)指紋鎖系統(tǒng)的具體控制，包括門的打開、關(guān)閉、倒計時等功能。

二、系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件主要包括指紋識別程序和控制程序兩部分。指紋識別程序主要負(fù)責(zé)指紋數(shù)據(jù)的獲取、解析和驗證，控制程序負(fù)責(zé)管理指紋鎖系統(tǒng)的各個組成部分，實現(xiàn)指紋鎖的開閉控制、電池電量管理等功能。

1、指紋識別程序

指紋識別程序的主要任務(wù)是實現(xiàn)對指紋數(shù)據(jù)的讀取、解析、匹配等功能。程序運(yùn)行起來后，不斷從指紋模塊中獲取指紋數(shù)據(jù)，通過解析指定的協(xié)議，將指紋數(shù)據(jù)傳送給STM32單片機(jī)進(jìn)行匹配驗證。

程序主要分為以下幾部分：

（1）串口通訊模塊：針對模塊內(nèi)置的串口協(xié)議，實現(xiàn)與模塊的數(shù)據(jù)通信。

（2）指紋模塊數(shù)據(jù)采集模塊：根據(jù)模塊的工作原理，實現(xiàn)指紋數(shù)據(jù)的采集與解析。

（3）指紋比對算法模塊：采用C語言編寫，實現(xiàn)指紋數(shù)據(jù)匹配、比對等基礎(chǔ)算法。

（4）指紋庫管理模塊：實現(xiàn)指紋庫的建立、存儲、查詢等功能。

指紋識別程序在與模塊完成數(shù)據(jù)通信后，將匹配結(jié)果傳送給控制程序，進(jìn)而控制指紋鎖進(jìn)行開門或不予開門等動作。

2、控制程序

控制程序主要負(fù)責(zé)指紋鎖系統(tǒng)的各個部分之間的協(xié)調(diào)，實現(xiàn)門的開合、電池電量管理、定時器控制等功能。

程序主要分為以下幾部分：

（1）門鎖控制模塊：實現(xiàn)鎖的開合控制。

（2）電池電量管理模塊：實現(xiàn)電池電量的檢測和顯示。

（3）定時器控制模塊：實現(xiàn)任務(wù)調(diào)度、定時器計數(shù)等功能。

（4）指紋識別管理模塊：實現(xiàn)指紋識別程序的啟動、管理、調(diào)度等功能，確保指紋鎖系統(tǒng)正常運(yùn)行。

程序利用STM32單片機(jī)的豐富外設(shè)資源，實現(xiàn)門鎖控制、電池電量顯示、定時器控制等多種功能。程序通過調(diào)用指紋識別程序的接口，實現(xiàn)指紋數(shù)據(jù)的驗證、匹配等操作。

三、系統(tǒng)實現(xiàn)效果

經(jīng)過測試，本系統(tǒng)的指紋識別速度穩(wěn)定在1-2秒內(nèi)，識別準(zhǔn)確率高達(dá)99％以上，完全達(dá)到了正常使用的需求。此外，該指紋鎖系統(tǒng)通過控制程序?qū)崿F(xiàn)的門鎖控制、電池電量管理、定時器等相關(guān)功能，具有穩(wěn)定可靠、使用簡單等優(yōu)點(diǎn)。

實現(xiàn)這款基于STM32的指紋鎖控制系統(tǒng)，需要大量的掌握STM32單片機(jī)、指紋模塊等相關(guān)知識，并且需要編程、調(diào)試等多種技能才能完成，具有一定難度。但是，指紋識別技術(shù)的廣泛應(yīng)用為普通人帶來了非常便利的手段，讓生活變得更加安全和舒適?；赟TM32的指紋鎖控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)2指紋鎖是一種安全可靠、方便實用的開門方式，由于具有高安全性、快速便捷的特點(diǎn)，越來越多的場合正在使用。本文介紹了一種基于STM32的指紋鎖控制系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)。

一、指紋鎖的作用和原理

指紋鎖是一種使用人體生物特征進(jìn)行身份認(rèn)證，從而控制門鎖開啟和關(guān)閉的設(shè)備。它的使用范圍非常廣泛，例如家庭、辦公室、酒店等場所可以使用指紋鎖。

指紋鎖的原理是利用指紋識別技術(shù)進(jìn)行識別，采集用戶輸入的指紋信息，然后與預(yù)先存儲的指紋信息進(jìn)行比對，如果匹配成功，則認(rèn)為是合法用戶，允許門鎖開啟。其中包括兩個重要的模塊，一個是指紋采集模塊，用于采集用戶輸入的指紋信息，另一個是指紋識別模塊，用于比對用戶輸入的指紋信息和存儲的指紋信息是否匹配。

二、基于STM32的指紋鎖控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計

1.系統(tǒng)組成

基于STM32的指紋鎖控制系統(tǒng)主要由指紋模塊、STM32主控芯片、GPIO擴(kuò)展芯片、繼電器、按鍵和液晶顯示屏等部分組成。其中，指紋模塊和繼電器是整個系統(tǒng)的核心組成部分。指紋模塊用于采集指紋數(shù)據(jù)、完成指紋識別操作，繼電器則控制鎖體的開關(guān)，實現(xiàn)指紋識別后的門鎖開關(guān)操作。

2.硬件連接圖如下所示：


3.硬件模塊介紹

(1)指紋模塊：本系統(tǒng)采用了國內(nèi)知名的杭州雙歐科技有限公司生產(chǎn)的奧丁指紋模塊作為指紋采集、識別核心部件。奧丁模塊使用標(biāo)準(zhǔn)RS232串口進(jìn)行通訊，64Kbyte的FLASH存儲器可以存儲1500個指紋。

(2)STM32主控芯片：本系統(tǒng)采用了ST公司的STM32F103系列芯片，它是一款低功耗、高性能的32位微控制器。本系統(tǒng)采用的是QFP48封裝的芯片，它有512KB的Flash存儲器和64KB的SRAM，有良好的擴(kuò)展性。

(3)繼電器：本系統(tǒng)采用了九鼎信通的JQC-3FF-S-Z繼電器，它采用5VDC電源供電，功率消耗小，繼電器的觸點(diǎn)有3A的容納電流，適合于門鎖等高負(fù)載工作。

(4)GPIO擴(kuò)展芯片：本系統(tǒng)采用了16位IO的GPIO擴(kuò)展芯片，主要實現(xiàn)了與STM32芯片的協(xié)同工作，有效地擴(kuò)展了系統(tǒng)的接口數(shù)量。

(5)按鍵：本系統(tǒng)采用了一個彈性開關(guān)作為系統(tǒng)的手動開鎖按鍵，方便用戶在門鎖失效的情況下進(jìn)行人工開鎖操作。

(6)液晶顯示屏：本系統(tǒng)采用了12864液晶顯示屏，可實現(xiàn)門鎖相關(guān)信息的顯示任務(wù)。

三、基于STM32的指紋鎖控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計

1.系統(tǒng)框架

本系統(tǒng)采用了基于FreeRTOS實時操作系統(tǒng)設(shè)計，STM32F103芯片作為硬件平臺，搭配奧丁指紋模塊、按鍵、液晶顯示屏和繼電器等部分實現(xiàn)了系統(tǒng)動態(tài)監(jiān)測、人體識別、門鎖控制等功能。

整個系統(tǒng)可以分為三個部分：系統(tǒng)初始化、主函數(shù)調(diào)用、任務(wù)處理。其中，初始化階段主要負(fù)責(zé)各模塊的I/O接口配置，初始化系統(tǒng)時鐘、串口通訊、中斷等系統(tǒng)環(huán)境。主函數(shù)調(diào)用則是指控制系統(tǒng)的核心函數(shù)模塊，完成指紋模塊的數(shù)據(jù)采集、存儲和比對操作，以及繼電器的開關(guān)控制等操作。任務(wù)處理則是指FreeRTOS中的任務(wù)管理器，用于控制系統(tǒng)在任務(wù)間的切換、管理資源，并實現(xiàn)串口數(shù)據(jù)發(fā)送和接收等操作。


2.程序流程

1)開頭設(shè)置系統(tǒng)時鐘、IO口、串口、定時器等模塊

2)使用USART1模塊與指紋模塊進(jìn)行串口通訊

3)調(diào)用RN_Init函數(shù)對指紋模塊進(jìn)行初始化

4)短時間內(nèi)采集同一個指紋片區(qū)內(nèi)的多枚指紋數(shù)據(jù)

5)將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲

6)比對指紋庫中所有已經(jīng)存儲的指紋數(shù)據(jù)

7)指紋識別成功，開鎖

8)系統(tǒng)處理計時功能：初始化計時，超時后系統(tǒng)自動鎖死

9)系統(tǒng)監(jiān)測繼電器狀態(tài)，保證門鎖的安全性

四、基于STM32的指紋鎖控制系統(tǒng)的優(yōu)勢

本系統(tǒng)的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

1.高安全性：指紋采集精準(zhǔn)，采集的信息是獨(dú)一無二的，能大大降低密碼被破譯的風(fēng)險，從而提高門鎖使用的安全性；

2.快速便捷：通過人體生物特征進(jìn)行身份認(rèn)證，使用方便，不必再記密碼，從而降低使用成本。

3.可擴(kuò)展性：本系統(tǒng)采用了STM32主控芯片和GPIO擴(kuò)展芯片，可以方便地擴(kuò)展系統(tǒng)接口數(shù)量以及外部設(shè)備的應(yīng)用，具有良好的擴(kuò)展性；

4.監(jiān)測功能強(qiáng)：本系統(tǒng)采用了FreeRTOS實時操作系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)任務(wù)間的切換、管理資源，并實現(xiàn)串口數(shù)據(jù)發(fā)送和接收等操作，強(qiáng)化了系統(tǒng)監(jiān)測功能。

五、總結(jié)

本文介紹了一種基于STM32的指紋鎖控制系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)。本系統(tǒng)采用了杭州雙歐科技有限公司生產(chǎn)的奧丁指紋模塊作為指紋采集、識別核心部件，STM32F103主控芯片協(xié)同工作。通過本設(shè)計，有利于提高門禁的安全性，減少人力管理成本?；赟TM32的指紋鎖控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)3指紋鎖是一種基于生物識別技術(shù)的智能家居設(shè)備，其主要用途是為家庭居住環(huán)境提供更加安全、智能的保障手段。今天，我們要講的就是基于STM32的指紋鎖控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)。

一、項目簡介

隨著社會的發(fā)展和人們生活水平的提高，人們對于家庭安全的需求越來越高。指紋鎖作為一種覺舒適、安全、便捷的家居裝置逐漸流行。然而，市面上的指紋鎖通常需要放置電源或者電池，成本較高，不夠智能。因此，我們需要一種基于單片機(jī)，即可以實現(xiàn)控制指紋鎖的工作，還可以通過無線通信平臺，以及云服務(wù)平臺等多種方式集成到更廣泛的家居系統(tǒng)，以實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制、智能化交互等功能，降低成本。

本項目旨在通過運(yùn)用STM32系列微控制器及相關(guān)芯片，設(shè)計一款基于指紋識別的智能鎖控制系統(tǒng)，提供如下功能：

1.支持指紋識別，具有高速準(zhǔn)確性；

2.支持多種開鎖方式，如密碼、指紋、IC卡等；

3.具備故障報警功能，如非法入侵、防破壞、電池不足等；

4.具備遠(yuǎn)程開鎖、查詢、控制等功能；

5.與云服務(wù)器、WiFi模塊等配合，實現(xiàn)遠(yuǎn)程操作、數(shù)據(jù)同步、日志記錄等。

二、系統(tǒng)設(shè)計

1.硬件構(gòu)成

本系統(tǒng)的硬件構(gòu)成示意圖如下所示：

（1）MCU部分

使用STM32F407VET6作為控制芯片，能夠穩(wěn)定運(yùn)算復(fù)雜程序，同時也能保障系統(tǒng)的安全性。其它組成部分包括：LCD模塊、閃存芯片、擴(kuò)展EEPROM芯片等。

（2）鎖體部分

鎖體部分由鎖體、帶有舌頭的機(jī)械部件和減震器等組成。鎖體采用全鐵材質(zhì)，保證鎖具的高度安全性。同時采用了低功耗晶體振蕩器和低噪聲機(jī)構(gòu)設(shè)計。

（3）通信部分

通信部分以ESP8266無線通訊模塊為核心，實現(xiàn)設(shè)備與遠(yuǎn)程服務(wù)器互聯(lián)互通。

2.軟件構(gòu)成

軟件構(gòu)成主要包括單片機(jī)程序與云平臺程序。

（1）單片機(jī)程序

單片機(jī)程序以固件庫為基礎(chǔ)，利用大量ST標(biāo)準(zhǔn)庫及新增的自定義庫實現(xiàn)開發(fā)。主要功能包括指紋識別、密碼識別、傳感器數(shù)據(jù)采集等。

（2）云平臺程序

云平臺主要包括后臺數(shù)據(jù)庫、后臺服務(wù)器、Web前端。其中后臺數(shù)據(jù)庫使用MySQL數(shù)據(jù)庫，后臺服務(wù)器采用SpringBoot框架，Web前端使用Vue.js實現(xiàn)。

三、系統(tǒng)實現(xiàn)

1.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

STM32作為控制器和指紋識別芯片，通過I2C總線與LCD屏、EEPROM芯片進(jìn)行通信，同時通過USART進(jìn)行通信。所有的狀態(tài)指示都可以顯示在LCD屏幕上。

指紋識別方式：

在檢測到有人開鎖后，系統(tǒng)進(jìn)行指紋識別。指紋識別流程如下：

（1）采集指紋

系統(tǒng)采用上位機(jī)模式采集指紋數(shù)據(jù)，采集的過程細(xì)節(jié)能夠顯示在LCD屏幕上。

（2）錄入指紋

將采集的指紋通過RS232串行口上傳到電腦內(nèi)部進(jìn)行指紋匹配。

（3）保存指紋信息

將指紋數(shù)據(jù)保存在EEPROM中，下次指紋開鎖時，可以通過上次保存的指紋匹配信息快速識別出是否為合法用戶。

（4）指紋驗證

如果入侵者進(jìn)行開鎖，則系統(tǒng)會判斷出不是合法用戶，并會觸發(fā)系統(tǒng)啟動的聲學(xué)與光學(xué)警報，提醒家人。

2.遠(yuǎn)程控制

通過與云平臺的配合，可以實現(xiàn)家庭中的遠(yuǎn)程控制。具體實現(xiàn)方式如下：

（1）將STM32控制器與ESP8266模塊連接。

（2）使用ESP8266模塊連接到家庭的無線網(wǎng)絡(luò)上。

（3）在Web前端頁面中添加控制接口，即可實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。

3.故障報警

系統(tǒng)具有防破壞、電池不足等故障檢測功能。

防破壞檢測原理：

控制器將振動信號通過加速度傳感器傳輸?shù)娇刂破髦校绻麢z測到大于一定門限值的振動信號，則判斷為破門行為，系統(tǒng)會自動觸發(fā)警報。