基于STM32的超市指紋識別儲物柜系統設計

張 樂，張寶寧，楊 紅，劉禧冬，陳玉成

（沈陽大學，遼寧 沈陽 110044）

0 引 言

超市是消費者的重要購物場所之一，超市放置儲物柜為消費者提供寄存物品服務，以保障顧客的財產安全。目前，多數超市仍使用傳統條形碼儲物柜，這種儲物柜通過打印和掃描條形碼打印紙實現存取功能。條形碼儲物柜技術成熟且應用廣泛，但仍存在一些不足：打印紙屬于一次性耗材，浪費資源；條形碼易遺失、破損或失效，存在財產安全隱患問題；掃描槍、打印機設備成本較高。指紋是獨一無二的人體特征，具有安全性和穩定性。超市儲物柜使用指紋識別技術代替條形碼識別，可以減少環境污染、避免紙張資源浪費，指紋的安全性也為顧客財產安全提供保障。為此，本文設計了一種基于STM32的指紋識別儲物柜。系統使用AS608指紋識別模塊，采集和識別顧客指紋信息，存儲指紋信息后驅動門禁電路完成開關柜工作；通過ESP8266WiFi模塊，將儲物柜存儲信息上傳到管理中心。指紋識別儲物柜與傳統儲物柜相比，具有可靠性高、識別速度快、成本低、維護方便等特點。本系統應用在超市等場所，能夠滿足顧客安全便捷的寄存需要。

1 系統總體結構

指紋儲物柜系統由控制中心、采集識別、數據傳輸、人機交互和門禁驅動五部分組成。本設計使用STM32F103C8T6單片機作為主控芯片，采用AS608指紋識別模塊采集和識別用戶指紋信息，利用OLED液晶顯示屏和矩陣鍵盤供用戶查看信息和操作，通過門禁驅動電路控制柜門的開關。整體系統結構如圖1所示。單片機與指紋識別模塊通過串口進行通信，發送指令驅動模塊完成指紋錄入、指紋識別、指紋刪除等操作，并通過WiFi模塊將儲物柜存儲信息上傳。用戶能夠通過OLED液晶顯示屏查看當前儲物柜空柜數量和分配柜號，并通過按鍵鍵盤輸入存入和取出指令。

圖1 系統結構

系統在空柜狀態下，當接收到存入指令后，用戶將手指放置在指紋識別模塊上，等待錄入指紋；錄入指紋成功后，系統為用戶分配當前空柜柜號，同時打開對應門禁，等待用戶存放物品后關閉柜門。當系統接收到取出指令，用戶放置手指后，在指紋存儲庫中識別并匹配用戶指紋信息，打開指紋對應柜號的柜門，等待用戶取出物品；在用戶關閉柜門后，刪除當前用戶指紋信息并刷新儲物柜空柜數量。系統在滿柜狀態下，禁止用戶使用存放功能，等待用戶完成取出操作時，恢復存放功能。當出現用戶誤操作或緊急情況時，按下管理員按鍵，系統通過WiFi將通知上報到管理中心。

2 硬件電路設計

2.1 單片機的選擇

系統采用STM32F103C8T6單片機作為主控芯片，STM32F103C8T6是基于Cortex-M3內核的32位高性能控制器；與傳統8位的51系列單片機相比，具有功耗低、處理速度快和硬件資源豐富等優點。系統使用了STM32的串口1與指紋模塊進行通信，與OLED液晶顯示屏之間采用IC通信方式進行數據傳輸。單片機采用3.3 V電壓供電，主頻高達72 MHz，擁有64 KB的FLASH和37個GPIO，完全滿足儲物柜系統低功耗、處理能力快的設計需求。

2.2 指紋識別模塊設計

AS608光學指紋傳感器的工作原理是通過內置光源照射，用棱鏡將指紋投射在電荷耦合器件上，形成可被算法處理的多灰度指紋圖像。指紋識別模塊采用高性能的AS608指紋識別芯片，內置DSP運算單元，集成了指紋識別算法，可以高效準確采集和識別指紋信息，處理指紋圖像時間小于0.4 s。模塊配有串行通信接口，接收單片機下發控制指令完成指紋識別操作。AS608指紋識別模塊自帶指紋存儲功能，可容納300枚指紋。指紋識別模塊錄入指紋過程如下：首先，通過模塊內置手指檢測電路，判斷有無手指放置；待手指放置后，發送讀取圖像指令讀取指紋圖像并生成特征指令，成功后發送存儲模板及ID指令，否則重新發送讀取圖像指令；最后錄入指紋結束。指紋識別模塊采用典型值3.3 V供電，與單片機使用串口進行通信，模塊的TX數據發送引腳與STM32單片機的USART1_RX連接；RX數據接收引腳與STM32單片機的USART1_TX連接。指紋識別模塊電路原理如圖2所示。

圖2 指紋識別模塊電路原理

2.3 ESP8266WiFi模塊

系統使用ESP8266WiFi模塊進行數據傳輸，模塊集成了32位Tensilica內核處理器，支持三種WiFi工作模式，支持標準的IEEE802.11b/g/n協議和完整的TCP/IP協議棧。單片機通過串口與模塊傳輸數據，WiFi模塊再將數據通過無線網上傳至管理中心。ESP8266模塊工作性能穩定并且具有省電模式，適用于低功耗場景。

2.4 顯示模塊

本設計使用OLED液晶顯示屏作為儲物柜顯示界面，分辨率為128×64。OLED液晶顯示屏具有對比度高、反應速度快等特點，性能優于傳統LCD屏幕，功耗低于TFT顯示屏，廣泛應用于數碼家電、儀器儀表等方面。單片機與OLED之間采用IC接口進行通信，這種通信方式簡單高效，兩線式接口節省硬件引腳資源。

3 軟件設計

系統軟件設計使用Keil5開發工具完成，采用C語言編寫單片機程序。系統主程序包括指紋識別子程序、OLED顯示屏驅動程序、按鍵子程序和門禁驅動子程序。指紋識別儲物柜系統操作流程包括存柜、取柜和管理員三種模式。存柜流程如圖3所示，用戶在存柜時，按下存柜鍵，系統進入存柜模式，讀取當前儲物柜是否已裝滿。若所有柜門已裝滿，則顯示屏提示用戶此儲物柜已裝滿；若有柜門未裝滿，則顯示屏提示用戶“請按手指”，待采集用戶指紋信息后，存入指紋信息庫中并為用戶分配空柜柜號。取柜流程如圖4所示，用戶在取柜時，按下取柜鍵，系統進入取柜模式，此時顯示屏提示用戶“請按手指”，待采集用戶指紋信息后，與指紋信息庫中指紋進行匹配，指紋相似度大于80%，認定指紋匹配成功，讀取當前指紋對應柜號并打開柜門，若指紋相似度小于80%，認定指紋匹配失敗，顯示屏提示用戶請重試或聯系管理員。按下管理員鍵，系統通過WiFi發送管理員請求，管理員可在上位機中進行緊急開柜和刪除指紋等操作。

圖3 存柜流程

圖4 取柜流程

指紋識別子程序實現錄指紋、刷指紋、刪除指紋等指紋識別功能，單片機通過串口讀取指紋識別結果后再做相應處理。單片機接收到錄指紋指令后，指紋模塊獲取指紋信息并生成特征圖像，此時用戶再次放置手指獲取指紋，指紋模塊生成第二次特征圖像，將兩次指紋特征進行對比，對比成功則生成指紋模板并儲存指紋，失敗則重新錄入指紋。

4 系統測試及結果分析

為測試本系統中指紋識別的速度以及準確性，對系統進行了多次測試，測試結果見表1所列。

表1 系統測試記錄

從測試結果可以看出，指紋錄入時間平均，指紋識別時間短，指紋匹配結果均成功，表明系統響應速度靈敏，具有一定的可靠性。

5 結 語

本文設計了一款基于指紋識別技術的智能超市儲物柜，通過STM32單片機結合AS608指紋識別模塊實現儲物柜智能控制。與傳統條形碼儲物柜相比，指紋的唯一性提高了儲物柜的安全性；使用指紋代替條形碼，避免了紙張資源的浪費。指紋識別儲物柜可被廣泛應用在超市、大型商場、展覽館等公共場所，具有較大的市場潛力。

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