具有遠程開啟功能的指紋應用系統設計※—

戴曉清，林喜榮，鐘文東

（清華大學 深圳研究生院，深圳518055）

戴曉清（碩士研究生），主要研究方向是指紋特征識別及其應用；林喜榮（教授），從事生物特征識別方向的研究；鐘文東（碩士研究生），主要研究方向是指紋特征識別及其應用。

引 言

指紋識別是一種有效的身份識別技術。隨著光電技術和半導體技術的發展，自動指紋識別技術越來越多地被應用到人們的日常生活之中［1］。指紋鎖和指紋保險箱是指紋識別應用中比較重要的產品［2］。與指紋門禁不同，應用于鎖具中的指紋系統一般采用電池供電，具有功耗低、體積小等特點。本文設計和實現了一個功耗低、人機界面良好的指紋識別應用系統，系統可以應用于門鎖和保險箱。

在實際生活中，經常碰到人在異地，但是需要別人進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之上增加了一個可選的遠程開啟模塊，用戶可以通過手機進行遠程開啟操作，解決了上述問題。

1 系統硬件結構設計

1.1 系統功能設計

根據背景需求和目標，整個應用系統可分為3部分：主控制模塊、指紋處理模塊和遠程通信模塊，它們的功能如下：指紋處理模塊負責對指紋的采集、指紋圖像的特征提取和存儲，以及指紋特征的匹配；遠程通信模塊負責應用系統和遠程通信設備之間的信息交換；主控制模塊負責系統的人機交互、邏輯控制、功能管理，還負責對整個系統的電源管理分配。外圍設備與機構，是指與指紋鎖或者保險箱相關的電機、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程通信模塊進行控制操作。

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公司開發的一款16位RISC微控制器［3］，它的低功耗特點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、電機驅動、時間信息芯片等。

MSP430F149使用8MHz晶振作為主工作頻率，另外還有1個輔助晶振32 768Hz接在XIN和XOUT端，作為串口的波特率發生器產生源。

系統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、響應速度快等優點，十分適合電池系統。UG－2864HSWEG01面板顯示有兩種供電模式：外部供電和內部升壓供電方式。當使用外部電源給面板供電時，需要9V電源；使用內部DC／DC轉換器時外部需要接3.5～4.2V電源，實際使用時外部接3.3V也能正常顯示。考慮到本系統的實際情況，采用內部升壓供電方式。UG－2864HSWEG01有多種方式與主控MCU通信，具體通過設置BS0、BS1和BS2引腳來選擇。本系統中選用8080并行接口方式與MSP430F149通信，通過設置BS0＝0、BS1＝1、BS2＝1來實現。

本系統中的鍵盤由一個3×4的矩陣鍵盤和4個獨立按鍵組成，分別是數字鍵“0”～“9”、“＊”、“＃”、“取消”、“向上”、“向下”、“確認”，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個獨立功能按鍵放置在P1口。

系統選用的EEPROM為AT24C08，時間芯片為DS1302，兩者均支持I2C總線協議。MSP430使用I／O模擬I2C總線協議與它通信。主控制模塊使用MSP430F149的UART0與指紋處理模塊通信，UART1與遠程通信模塊通信。

為了延長系統電池的使用壽命，系統采用自動下電方式，在待機時直接隔斷電源。使用了一個P溝道場效應管FDN336，其關斷時DS漏電流為1μA左右，電源控制電路如圖1所示。當鍵盤按鍵按下時，信號KEY＿wakeup將接地拉低，此時，由于電阻的分壓作用，場效應管GS兩極的電壓約為－5～－4.5V，場效應管導通，系統上電。系統上電后，MSP430F149立即將信號POWER＿EN置高，三極管9013接通，系統維持上電。MSP430F149處理完相關操作后，將信號POWER＿EN置低，三極管阻斷，場效應管GS兩極的電壓為0，FDN336截止，系統自動下電。

圖1 主電源控制電路

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［4］。FSC7002是成都方程式電子有限公司開發的專用指紋識別芯片，內含一個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內置微控制器與8051系列兼容，易于開發，通過UART可方便地對其進行指令控制。

綜合成本因素，本系統選用現成的基于FSC7002的指紋識別模塊BLH9003D。它是一種一體化的光學指紋處理模塊，它將光學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、成本和開發成本都大大降低。BLH9003D內置感應芯片，對手指的按捺可進行自動識別，并將識別結果通過信號通知控制方，當無手指按捺時輸出低電平，有手指按捺時輸出高電平。

1.4 遠程通信模塊

遠程通信模塊采用華為公司的MG323作為GSM的收發模塊。MG323模塊是華為公司推出的一款工業級的GSM／GPRS模塊，電源電壓3.3～4.8V（推薦值3.8V），平均待機電流47μA。MG323提供一個UART接口和標準SIM卡接口，短消息模式支持TEXT和PDU。MG323不僅支持GSM協議，還支持GPRS協議，并且內置TCP／IP協議棧，為將來進一步開發提供了空間［5］。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，主控系統通過GSM＿EN信號來控制遠程通信模塊的電源通斷。

圖2 MG323電路接口

2 系統軟件設計

2.1 系統軟件層次結構

MSP430F149內置2KB內存，不太適合使用操作系統，因此本系統在軟件設計上采用前后臺系統和狀態機相結合的方式。在整體上，系統軟件分為硬件驅動層，功能函數層和應用程序層，如圖3所示。

圖3 軟件層次結構圖

2.2 主應用程序

主應用程序完成指紋鎖具的所有功能，圖4表示的是主應用程序流程的示意圖。當系統啟動時，首先進行一系列的初始化，然后根據系統設置選擇默認的開啟方式，之后根據按鍵的不同，或切換開啟方式，或進入管理模式，或進入遠程開啟模式。

圖4 主應用程序流程

系統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鎖具，包括系統信息的設置，用戶信息的建立、刪除和修改，遠程開啟和報警功能的設置等。管理功能使用菜單來進行人機交互［6］，只有管理員才能使用管理功能。

2.3 用戶信息結構

用戶數據信息存儲的是用戶的具體信息，包括用戶名字、用戶對應的指紋ID、開啟密碼、用戶創建時間以及用戶屬性，總共長度為24個字節。用戶創建時間表示用戶創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個字節記錄了用戶的權限級別、用戶的有效期和用戶默認驗證方式。系統通過用戶創建時間和用戶有效期判斷用戶是否到期失效。用戶數據的結構定義如下：

2.4 指紋模塊通信協議

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議。FSC7002提供了一個標準通信協議，本文直接采用了這個協議。上位機（MSP430F49）向下位機（FSC7002）發送的指令，采用指令包的形式進行。指令包的長度為8字節，其格式如下所示。

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

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

3 遠程報警和開啟

3.1 遠程報警

遠程報警是指當傳感器檢測到侵入或者輸入報警密碼時，系統向預先設置的手機號碼發送報警信息。所謂報警密碼是指預先設置的一組密碼，使用這組密碼同樣也能開啟鎖具，但是在開啟的同時，它將啟動遠程通信模塊，并向遠程手機發送報警的信息。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 遠程開啟

遠程開啟是指使用手機發送開機指令，在遠距離情況下開啟門鎖或者保險箱。遠程開啟功能的一大安全漏洞是使用GSM短信方式并不安全，因此本系統中對傳輸的數據進行了安全加密，使得安全性大大提升，加密算法使用256位 DES加密［7］。

遠程開啟功能包括鎖具部分和用戶手機部分，兩部分必須相互配合才能完成預期目標。鎖具部分在前述章節建立的基礎上開發完成，用戶手機部分使用Android平臺作為開發對象。遠程開啟功能包括注冊流程和遠程開啟流程，分別如圖5和圖6所示。

由于MSP430F149沒有隨機數生成器，因此使用內部的計時器，對用戶按鍵間隔計時，使用這個間隔時間作為隨機數種子。

3.3 基于Android的遠程開啟程序設計

本文基于Android平臺，針對指紋鎖遠程開啟的應用需求，采用DES算法加密通信數據，設計了符合安全要求的指紋鎖手機端軟件。

圖5 遠程開啟功能注冊流程

圖6 遠程開啟功能開啟流程

手機端軟件主要實現3個功能：遠程開啟、注冊、刪除。軟件的總體結構如圖7所示。

圖7 Android程序結構

注冊：手機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據庫。

開啟：獲取用戶輸入的隨機數和密碼，用隨機數和保存的密鑰對密碼進行加密，發送到指紋鎖對應的號碼。

刪除：手機端軟件刪除對應鎖體的信息，包括保存的密鑰。

軟件中涉及短信接收和短信發送，必須在項目配置文件中添加SEND＿SMS和RECEIVE＿SMS權限。

接收系統廣播，需要向系統申請廣播接收者權限。申請的方式有靜態和動態兩種。靜態方式在軟件的項目配置文件聲明即可。靜態方式下，軟件在整個運行過程中都將響應系統廣播。動態方式是在需要的時候使用registerReceiver方法向系統申請權限，在結束的時候使用unregisterReceiver方法注銷即可，本文中采用動態方式。接收到短信的系統廣播為android.provider.Telephony.SMS＿RECEIVED，用它生成過濾器IntentFilter類，即可使軟件只對該廣播進行響應。

發送短信功能通過短信服務SmsManager類實現。該類中sendTextMessage方法即可控制手機硬件，實現短信的發送。

結 語

本文設計的指紋識別和控制系統（不包括遠程通信模塊）使用4節1.5V干電池串聯供電。經測試，在使用指紋按捺感應啟動功能的前提下，待機功耗為10.4μA，密碼識別過程功耗為8.9mA，指紋識別過程功耗為131.2 mA。系統主要功耗指標已達到商業水平，具有較高的實用價值。

編者注：本文為期刊縮略版，全文見本刊網站www.mesnet.com.cn。

［1］尹義龍，寧新寶，張曉梅.自動指紋識別技術的發展與應用［J］.南京大學學報：自然科學版，2002，38（1）：29－35.

［2］毛巨勇.2011年生物識別市場發展回顧［J］.中國安防，2011（2），61－65.

［3］沈建華，楊艷琴.MSP430系列超低功耗單片機原理與系統設計［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2008.

［4］成都方程式公司.FSC7002datasheet v1.9，2009.

［5］華為技術有限公司.HUAWEI MG323GSM M2M模塊硬件指南 ［EB／OL］.（2010－05－24）［2012－04－24］.http：www.huawei.com.

［6］費文坤，陶維青.基于MSP430F149單片機的人機界面設計［J］.微計算機信息，2009，25（2）：116－118.

［7］梁雅，劉嵐.基于Java卡DES及3DES算法的實現［J］.武漢理工大學學報：信息與管理工程版，2006，28（11）：63－66.