基于指紋識別的無人機指令控制儀

劉鼎 康晟祥

【摘要】：主要探討設計了一個不用打卡、插卡，只需用手指輕輕一按就能完成的無人機指令控制儀系統。這樣，可以在無人機操作演練中杜絕進行重要和危險指令時產生的意外誤操作。本無人機指令控制儀系統的結構由：指紋識別模塊、單片機控制器、PC顯示三部分組成。本系統采用了STC89C51單片機作為該指令控制儀系統的核心部件，與單片機相連接的指紋識別模塊內部集成了指紋識別采集頭，可以快速準確的采集指紋信息。指紋模塊將采集的指紋特征值，送單片機進行處理，通過與存儲器內已有的信息特征進行比對，確定是哪一枚指紋信息，從而確定是哪位操作員進行操作，并把指令操作記錄存儲下來。同時方便單片機通過串口能把操作記錄上傳給計算機。這樣，裝備管理人員就很清楚知道當天操作的情況了。該系統由于使用方便，價格合理，維護費用少，在實際的操作中，相比其他種類指令控制儀有更大的優點，使它得有廣泛的應用，因而，具有良好的應用前景和推廣價值。

【關鍵詞】：無人機 單片機 指令控制儀 指紋識別模塊

“T—18”無人機在國慶閱兵中的亮相表明無人機在我國的使用越來越受到重視。在近幾年內將有不同型號的無人機在炮兵、空軍、海軍、二炮被使用。同其他軍事裝備一樣，無人機的維修、保養、操作演練需要有相應保障，同時無人機與其武器系統相比有著不同的使用要求，有許多新的特點，如何進行培訓、維修、操作演練，最大限度地發揮武器系統的作戰潛能，這些問題都是亟待解決的。

由于無人機組成復雜，高新科技含量多，涉及十幾個學科專業領域。按照功能分，全系統一般由飛行器系統、地面站測控系統、信息處理系統和地面保障、維修系統等幾大部分組成。所以無人機演練操作時一般分為飛行器系統操作、動力裝置系統操作、發射回收系統操作、飛行器航電設備操作、無線電數據鏈系統操作、地面控制導航系統操作、地面接收系統操作、信息處理系統操作、地面電源及保障車輛維操作以及火工品的檢查操作等主要方面。于是，在種類繁多的各種操作中，人為的直接操作很難避免產生誤操作。在這里面尤其是涉及到一些重要操作、危險操作時，一旦由于非相關操作人員進行誤操作就很有可能帶來機毀人亡的悲劇。為了確保這些重要、危險指令必須由專門操作手完成，而避免其他非專門操作手誤操作，我們該如何呢？

有問題出現就有解決問題的對策，基于指紋識別的指令控制儀的出現就是針對確保無人機操作時一些重要、危險指令正確進行而設計的。其原理是依據生物指紋識別技術，通過與數據庫里面的指紋樣品備份進行比較，來分析是不是專門操作手的指紋，進行提取、比對、驗證通過，最后最后發出正確可靠地指令確保裝備演練時的安全。目前這種技術的應用已經非常成熟。

指紋識別系統通過特殊的光電轉換設備和計算機圖像處理技術，對活體指紋進行采集、分析和比對，可以迅速、準確地鑒別出個人身份。系統一般主要包括對指紋圖像采集、指紋圖像處理、特征提取、特征值的比對與匹配等過程?，F代電子集成制造技術使得指紋圖像讀取和處理設備小型化，而優秀的指紋處理和比對算法保證了識別結果的準確性。 指紋自動識別技術正在從科幻小說和好萊塢電影中走入我們實際生活中，也許有一天，您不必隨身攜帶那一串鑰匙，只需手指一按，門就會打開;也不必記住那煩人的密碼，利用指紋就可以提款、計算機登錄。相信這一天，不會太遠。

一、總體設計方案

該系統為基于指紋識別的無人機指令控制儀，采用STC89C51單片機為核心，通過指紋識別模塊來獲取指紋信息，然后單片機通過串口通信把操作記錄發送給計算機，進行操作記錄備案方便管理人員查詢。單片機采用宏晶公司生產的低功耗，高性能的CMOS 8位單片機（STC89C51）。指紋識別模塊采用深圳十指科技公司的TF-MD-12型號的指紋識別模塊，此模塊內集有指紋的采集、指紋存儲、指紋比對等功能，但是不能獨立工作，必須要有上位機（PC或單片機）的控制和操作才行，所以本指紋模塊還配有指紋各類操作的用于第二次開發的指令集。本模塊適用于開發指紋鎖具、開發指紋柜體及開發指紋門禁系統等各類需要身份認證的各類產品。

系統組成框圖如圖1所示：

單片機部分為核心模塊，它通過I/O口與外圍電路和指紋模塊連接，通過串口與計算機連接。接通電源后，微控制器實時檢測并接收指紋識別模塊對指紋采集、比對的數據，并將操作記錄存到模塊存儲器中。然后該指令控制儀系統再通過串口與計算機通信，可將操作記錄傳到計算機中方便管理人員的查閱。該單片機外圍電路接有數碼管，指示燈，蜂鳴器，和按鍵。其中數碼管是每登記一個人操作自動加1，最后顯示的是最終本次演練操作總次數。指示燈亮顯示電源正常工作。蜂鳴器每發出一次聲音表示操作成功一次。按鍵用來開關本指令控制儀系統。

以往的指令控制儀裝置是用打卡或條形碼的方式實現，打卡類指令控制儀雖然有簡單直觀，無須計算機知識，價格相對較低的優點，但是它的缺點確很嚴重：統計煩瑣，每月更換卡片，機械故障率較高（插卡口易受破壞）。條形碼指令控制儀具有優點光電讀取條形碼卡號，故障率低。雖然解決打卡指令控制儀某些難以解決的缺點，但是卡片易偽造（專用掩股條碼除外），容易產生其他操作人員替打卡現象，易產生操作，而且條形碼臟了后靈敏度下降并有錯碼。

在該課題研究的是基于指紋識別的無人機指令設計控制儀設計。該系統裝置在無人機操作應用時無須卡片首先就解決了非本人代替操作的現象。并且該系統裝置使用維護成本非常低，具有時間準確、操作數據不易由于受到干擾就丟失或混亂（偶爾出現難免）、與計算機通訊穩定的優點。

二、實現功能

該指紋識別的無人機指令控制儀主要利用單片機控制指紋識別模塊構成整個指令控制儀系統。其中系統軟件是必不可少的組成部分，也是本次設計重要解決的問題之一。系統軟件主要包括單片機與指紋識別模塊之間通信程序設計和考勤機軟件程序設計。該系統軟件需要完成的主要功能有：

1） 能夠預先存儲一定數量（80枚左右甚至更多）的操作人員預先登記的指紋在指紋識別模塊芯片存儲器中。

2） 當操作人員在指紋采集處再次按壓指紋后，指令控制儀能夠做到提取新的指紋信息并與預先登記在存儲器中的指紋信息進行比對，并在驗證通過之后，通過指紋終端設備發出操作信號，以表示操作成功。

3） 進行指紋識別之后，能將操作記錄存儲在指紋識別模塊芯片內部，以便查詢記錄時可查詢。

三、設計特點

該設計切實考慮了當前無人機操作演練時，在發出一些重要、危險操作指令時的一些混亂弊端，針對克服非相關操作人員直接誤發重要、危險操作指令，而設計了一個基于指紋識別無人機指令控制儀系統，用于減少消除這些弊端的發生。設計過程中比較充分考慮了各種可能出現的意外情況，根據具體情況設計了相應的功能。具有以下突出的功能特點：

該裝置借助最可靠、最成熟的單片機外圍系統，使系統運行穩定。

該系統裝置還增加了AT24C04，可以方便用戶擴展操作次數到數百次。

該系統操作方便、簡單，維護費用少。

因此在實際的工程中，相比其他種類指令控制儀系統有更大的優點，使得有廣泛的應用。因而，具有良好的應用前景和推廣價值。

但是由于本人的知識和能力有限，對其中的某些問題，如對本系統實際運行中的維護問題等，未能進行深入分析研究，此系統也只達到了一部分的實際效果。

文中定有許多不足之處，敬請各位老師和讀者不吝賜教。

【參考文獻】

【1】張毅剛等.MCS-51單片機應用設計.哈爾濱工業大學出版社，1990

【2】王波濤，蔡安妮，孫景鱉.指紋圖像識別技術及應用.計算機工程與應用，2001

【3】朱建新，楊小虎.基于指紋的網絡身份認證田.計算機應用研究，2009

【4】祝恩.自動指紋識別術? 長沙：國防科技大學出版社，2016

【5】彭壽星.基于USB接口的指紋采集與識別系統的設計.南京大學出版社，2017