基于ZigBee的無線指紋識別門禁實驗平臺設計

惠鵬飛, 方亞咪, 石翠萍

(齊齊哈爾大學 通信與電子工程學院, 黑龍江 齊齊哈爾 161006)

無線傳感器網絡(WSN)是物聯網工程專業的主干課程,在專業培養方案的設置中占有重要地位；而與之相關的實驗和實踐類課程,對于培養和提高學生的動手實踐能力和創新能力至關重要[1]。目前,國內一些無線傳感器網絡實驗設備功能較單一,例如只具有測量功能,不能和物聯網應用和工程實際相結合,而且價格比較昂貴,制約了對學生實踐能力和創新能力的培養[2-3]。

為解決這一問題,筆者設計了基于ZigBee的無線指紋識別門禁實驗平臺。該平臺涉及ZigBee軟件、指紋圖像獲取與判斷、C語言編程、LCD液晶顯示、MDK系統仿真等多方面技術。學生既可以利用該平臺熟悉和掌握系統硬件電路的設計和軟件編程,也可以加深對CC2530、STM32F103等主控芯片的性能指標及外圍電路設計過程的理解,通過無線傳感器網絡的實訓項目,提高實踐動手能力和創新能力,并為就業打下堅實的基礎。

1 無線指紋識別門禁實驗平臺的硬件組成

無線指紋識別門禁實驗平臺的硬件包括指紋識別傳感器、液晶顯示屏、STM32模塊、ZigBee模塊和電門鎖等部分。門禁實驗平臺的功能分為基本功能和拓展功能。基本功能包括指紋圖像的采集、對采集的圖像進行處理、對比不同的指紋圖像等[4-5]。要在STM32核心處理器中完成對外圍器件的控制,還要實現ZigBee模塊的無線控制[6-7]。圖1為實驗平臺的整體結構框圖。

圖1 實驗平臺整體結構

1.1 STM32F103芯片的最小系統設計

指紋識別門禁技術主要有單機門禁系統與TCP/IP的網絡型門禁控制系統兩種[8]。目前市面上使用較多的是指紋單機門禁系統,它所采用的技術是在一個控制系統中完成全部的采集、處理與識別過程。這種技術一般適用于小的門禁系統或者指紋模塊安裝位置比較集中的情況,并且要有專用和固定的通信線路,因為安裝完成后其位置不易更換[9]。對于大的或者安裝位置較為分散的指紋識別門禁系統,就需要采用網絡型的門禁控制系統。

STM32芯片的工作頻率可以達到72 MHz,系統主時鐘采用無源晶振,而芯片內部寄存器是由片內鎖相環配置的,借此實現系統所需要的工作頻率,并將此信號作為系統的工作時鐘[10]。STM32處理器的正常工作需要外圍電路的支持,例如供電電路、時鐘電路等。本系統選取12 MHz晶振提供時鐘信號,采用5 V直流電壓供電。

電源電路采用LM2596開關電壓調節器(降壓型電源管理單片集成電路)提供5 V直流電壓。

1.2 指紋識別模塊

無線指紋識別門禁實驗平臺采用FPM10A光學指紋識別模塊,它能夠完成完整的指紋圖像采集、圖像與指紋庫的對比匹配以及指紋模板數據存儲,模塊內部含有DSP處理器和FLASH存儲器,用以完成高性能的數據運算、分析和存儲,實現指紋圖像的處理、指紋的儲存和指紋的搜索對比、模板的生成、模板的匹配等功能。

對于指紋識別電路模塊的操作命令主要包括:

(1) 指紋圖像錄入、指紋特征的生成、模板的合成、模板存儲；

(2) 指紋庫搜索、模板匹配[11]。

指紋識別模塊與STM32通過串口連接,FPM10A的數據接收腳(3腳)連接到上位機的數據發送端(TXD),而模塊的數據發送腳(2腳)連接上位機的RXD(即數據接收端)。如果需要與RS-232電平(例如PC機)的上位機進行通信,那么就只需在模塊和上位機之間增加電平轉換電路即可。

1.3 LCD液晶顯示模塊及功能實現

無線指紋識別門禁實驗平臺采用3.5英寸電阻液晶顯示屏TJC4832T035_011X。由于液晶顯示屏是面向用戶的,要求其能夠充分顯示所要表達的內容,并且界面應簡潔、清晰。

系統需要通過串口USART 232與用戶MCU進行數據的交互,例如MCU可以隨時通過USART發送出指令,通知設備切換掉某個頁面,也可以改變某一個組件的某種屬性[12]。當然設備也要能夠隨時通過USART通知用戶MCU操作者正在觸摸頁面上面的某個組件,或者說設備當前已經進入某個頁面。

1.4 CC2530的串口連接與功能設計

CC2530有3種不一樣的內存訪問總線,即DATA、CODE/XDATA和SFR,有一個調試接口和一個18輸入擴展中斷單元。內部閃存為256 KB,有20 KB的擦除周期,可編程輸出功率達+4 dBm,支持無線設備更新和大型的應用程序,而8 KB RAM用于一些較為復雜的應用和一些ZigBee的應用。在掉電模式下僅有睡眠定時器在運行,電流損耗實測不到1 μA。CC2530在接收數據、發射數據以及其他多種低功耗模式下都能夠保持極低的電流消耗,保證了電池使用時間的持久。

CC2530外接2個晶振,頻率分別為32 MHz 和32.726 kHz,2.4 GHz無線收發模塊通常使用32 MHz的晶振。為了降低電磁干擾,布線時要盡可能靠近其引腳,周圍敷銅會減少晶振高頻信號對其他信號的干擾,尤其是RESET_N引腳的布線要稍微避開晶振。RF_P、RF_N是無線發射接收引腳,該引腳以外的電路是巴比倫電路。

2 實驗平臺軟件程序設計

2.1 指紋識別模塊的程序設計

指紋圖像的獲取、指紋特征模板的生成、指紋特征模板儲存和匹配指紋等需要指紋識別模塊實現。STM32會根據指紋模塊的指令系統,為指紋模塊發送指令信息,進而操控指紋模塊完成具體工作。指紋識別程序分為指紋錄入程序、指紋開門程序和清空指紋模板程序。

2.1.1 指紋錄入程序設計

檢測手指指紋,測到指紋后將錄入指紋圖像并存儲于Image Buffer中,并返回錄入成功的確認碼。若未測到指紋,則直接返回無指紋的確認碼。

指紋錄入用于新用戶的注冊。首先進行錄入模式,選擇錄入指紋選單,指示燈閃爍則表明指紋錄入成功。將手指離開1 s后再次識別同一手指的指紋,指紋模塊會再次的進行錄入。只有2次指紋都成功錄入,才算成功錄入了一個指紋模板。如果錄入不成功就會相應的顯示出指紋的錄入失敗。

每一個指紋錄入完成之后,操作者可以繼續錄入下一個指紋,或者進入指紋的識別開鎖模式。要進入指紋識別開門模式,只需要在錄入完成后按一次指紋轉換即可。

指紋錄入的主程序流程如圖2所示。

圖2 指紋錄入流程

2.1.2 指紋開門程序設計

FPM10A模塊指紋開門程序用于讀取指紋并判斷該指紋是否已提前錄入,即指紋的所有者是否具有開門的權利。當指紋識別模塊采集到完整的指紋后,由STM32主控芯片向指紋識別模塊發出進行指紋比對的命令,隨后指紋識別模塊會立即采集指紋的特征并且對開門者的指紋進行對比判斷。若比對成功,則將門開啟。

2.1.3 清空指紋模板程序設計

如果有特殊情況發生(例如指紋錄入錯誤、權限更改等),就需要對已錄入的指紋進行清空處理。此操作由管理員進行操作。

2.2 液晶顯示模塊的程序設計

液晶模塊內含字庫與處理器,具有一套指令系統。利用使用手冊給出的指令和指令格式給模塊發送相應指令,實現顯示功能。液晶顯示模塊使用流程如圖3所示。

圖3 液晶模塊使用流程

因為模塊自帶字庫,要完成字形顯示,就需要根據設定的顯示字符的坐標將字符發送過去。每當發送雙字節的漢字時,需要先發高字節,再發送低字節。每當STM32向模塊發送指令之前,先讀取BF標志位,即檢查一遍模塊是否正處于忙狀態,判斷標志位為0則可發送新的指令。若無法判斷忙碌狀態,就需要先延時足夠長的一段時間再重新發送指令,借以確保上一條指令已發送完畢。

液晶顯示模塊的通信方式是8位并行方式與串行方式。本設計選用的是串行方式。指紋識別模塊需要顯示一些漢字,比如處于指紋進入或者訪客進入模式時,應該顯示“指紋進入”“訪客進入”等字樣。

2.3 ZigBee模塊程序設計

PC機由串口連接到開發板,然后用調試助手設置好參數(如波特率等),完成相互收發信息的功能。本實驗平臺使用SampleApp.eww工程完成串口數據的無線傳輸。使用的這兩個模塊的主要程序流程為:

(1) ZigBee模塊接收從PC端發送來的數據信息,再通過無線方式將其發送出去；

(2) ZigBee模塊接收從另一ZigBee模塊發送來的數據信息,然后將其發送給PC機。

程序的調試過程如下:打開工程,添加代碼,將串口初始化函數,然后對接收到的數據進行判斷,為數據的pMsg分配內存、打包發送給上層OSAL待處理,最后釋放內存。

3 系統仿真與功能測試

3.1 系統仿真環境及過程

利用MDK5.14進行系統仿真。MDK5.14是基于uVision5 IDE的集成開發環境,主要是針對ARM處理器。對Cortex M內核的處理器而言,MDK5.14是最佳開發工具。寫好的程序需要下載到芯片中測試實際效果,且需要將程序進行編譯。

MDK仿真能夠及時發現潛在的漏洞,這對檢查程序提供了很大方便。在MDK的仿真下,可以查看一些與硬件相關的寄存器,并通過查看這些寄存器推斷出代碼是否有效。因為不需要頻繁刷機,從而延長了STM32的FLASH壽命。

指紋識別模塊與STM32之間的工作是依靠串口指令來完成的,使用串口助手調試STM32與指紋模塊之間通信過程,其模擬通信界面如圖4所示。

圖4 STM32與指紋模塊的模擬通信界面

3.2 實驗平臺功能測試

在開門方式選擇界面,共有“指紋掃描”“訪客呼叫”和“密碼開鎖”3種進入方式。

3.2.1 指紋識別功能測試

當用戶需要開門時,首先選擇“指紋掃描”選項開始測試。按下指紋掃描的按鈕,使系統處于指紋識別開門的模式,然后將手指平放到采集指紋處,等待幾秒,如果匹配成功,液晶就會顯示“歡迎光臨”,并打開電門鎖；若匹配失敗,則提示失敗,門不會打開。圖5為串口模擬數據的實際測試圖。

圖5 串口模擬數據的實際測試圖

在調試過程中,待指紋模塊的指示燈開始閃爍(處于指紋待讀取狀態),即可進行指紋讀取。由于經過多次采集指紋,即使手指放置的位置存在偏差,也不會影響讀取的準確性。

當有訪客拜訪時,只需按下訪客進入按鈕,然后另一端的ZigBee模塊會接收到指令,蜂鳴器發出響聲,主人聽到指令即可及時的對此進行反饋,并可選擇是否打開門禁。

3.2.2 管理員密碼開鎖功能測試

如若指紋模塊損壞,可以按下密碼開鎖的按鈕,使系統處于管理員密碼開鎖的模式,然后輸入開鎖密碼。如果密碼匹配成功,門將被打開，否則門不能被打開。

若密碼輸入錯誤,系統界面將發出反饋提醒,且無法正常打開指紋門禁。

4 結語

基于ZigBee的無線指紋識別門禁實驗平臺結合了無線傳感器網絡課程的教學特點,培養學生解決實際問題的能力,尤其是多學科知識的綜合運用能力。學生借助于該實驗平臺可以進行新的設計和開發,改變外圍電路的設計以增加新的功能,還可以設法利用手機操控門禁系統,完成其他相關的實訓項目,開展綜合實踐和創新訓練等。