基于物聯網的指紋識別系統研究

曾海燕，慕文靜，韋 燚

（廣西民族師范學院，廣西 崇左 532200）

隨著人民生活水平的不斷提高，科學技術不斷地改變人們的生活方式，比如傳統的開鎖只能使用鑰匙進行開鎖，傳統的支付方式從現金支付到線上支付，線上支付需要輸入密碼，輸入密碼即要求使用者要記住繁瑣的密碼，同時又要注意防止不法分子的窺探，過于簡單的密碼容易被破解，復雜的密碼不便于記憶，且不同的系統使用相同的數字密碼，一旦密碼被破解，極易導致嚴重的損失，因此人們往往針對不同的應用設置不同密碼，這種狀態下，密碼存儲、記憶便容易產生混淆，密碼重置流程繁瑣且效率低下，導致智能應用不再智能，而是給人們帶來煩惱。指紋的特點是唯一性、長期穩定性，人的年齡在增長，但其指紋始終保持一致，指紋也不會因為受外力破壞而變化，具備自我修復能力，修復后保持跟原來的指紋特征完全一致，而且世界上沒有指紋完全一樣的兩個人。同時，指紋是每個人隨身攜帶的，不需要記憶，不可隱藏，這對于某些特殊應用領域，比如刑偵辦案等方面，通過指紋識別，便可提供有力證據，指紋不會因某些特殊個體的故意隱瞞或者故意歪曲而變化。指紋自身的特點，給指紋識別這一應用帶來廣闊的前景[1-3]。

基于物聯網的指紋識別技術更是將指紋識別與物聯網技術的優勢結合，將指紋識別應用覆蓋到人們生活的每一個角落。物聯網技術就是借助網絡將萬物互聯，基于物聯網的指紋識別技術就像一把打開世界萬物的鑰匙，這把鑰匙關鍵在于指紋識別技術，鑰匙隨時掌握在使用者手中，可隨時隨地使用，不必擔心被人窺探，不必擔心遺忘密碼。通過指紋識別，從而識別用戶身份，身份匹配后，通過物聯網向受控物體發出指令。物聯網技術的發展對推動該項技術的發展提供了不竭的動力，使得指紋信息識別技術的發展成為可能，如果說指紋識別是一把鑰匙，那么物聯網技術便是將這把鑰匙所控制的范圍不斷拓展的載體，通過物聯網可以將指紋識別技術應用到工業生產、商業活動及金融系統等多個領域，基于物聯網的指紋識別技術在未來的發展和應用場景上甚是可觀[4-5]。

1 系統總體設計思路

本文設計的這一款基于物聯網的指紋識別系統采用具有高精度算法的AS608指紋識別模塊，系統主控模塊采用的是STM32的最小核心板STM32F103C8T6，實現采集錄入、增加刪除、驗證等功能。液晶顯示菜單可以顯示錄入指紋、指紋驗證及指紋刪除的狀態，指紋驗證結果通過LED不同顏色加以區分。控制器串口通信協議和ⅠⅠC通信協議關聯AS608指紋識別模塊和OLED液晶顯示器，通過ⅠO引腳接收按鈕的控制信號。在設計過程中，所提供的液晶顯示模塊應當展示的菜單需要根據用戶輸入的指令改變而改變，所提供的初始的菜單頁面含有3種功能，提供多個按鍵，進行功能的選擇。當用戶點擊某一個功能，便會跳轉到指定頁面，并長時間停留在這個頁面，等待用戶的下一個指令，當停留時間過長，自動退回主菜單界面。頁面展示的文字描述內容也會隨著功能不同而改變，同時會觸發LED燈發光。需要注意的是，要給LED燈串聯一個限流電阻，起到保護作用，避免二極管燒毀。通過不同顏色的LED燈對指紋識別的狀態加以區別，比如狀態錯誤顯示紅燈、狀態正確顯示綠燈。當在錄入指紋、識別指紋的時候，藍色LED狀態燈會閃爍，能夠便于用戶查看狀態。當用戶在錄入指紋成功、驗證指紋成功、刪除指紋成功都會以綠色狀態燈長亮提示。當兩次錄入的指紋不同時或者進行指紋驗證失敗會以紅色狀態燈長亮提示。用戶以非錄入指紋進行多次驗證，系統會以當前驗證的指紋用戶為非法用戶，進行報警處理，此時的紅色狀態燈為閃爍狀態，蜂鳴器也發出鳴聲報警。

2 系統硬件設計

2.1 硬件設計過程

本文設計的指紋識別系統包含單片機主控模塊，用于控制整個系統協同工作；指紋識別模塊用于指紋數據的識別、對比；LED狀態模塊根據指紋識別的結果控制LED顯示顏色，從而對指紋識別結果加以區分；通過按鍵模塊將輸入信息轉換為數字控制指令；報警模塊根據識別結果輸出聲音報警；傳感器模塊負責采集數據。

設計的系統主要實現指紋錄入、指紋刪除、指紋驗證、液晶菜單顯示、報警功能、狀態燈顯示及實時監測等功能。液晶主界面顯示當前的信息、指紋功能菜單，通過按鍵來控制指紋的功能并跳轉到指紋功能界面，指紋驗證結果是否匹配則通過不同的LED燈顏色直觀體現，驗證結果匹配則亮綠燈，結果不匹配則亮紅燈。系統電路原理如圖1所示。

圖1 系統電路原理圖

2.2 系統采用的主要模塊及其功能

主控模塊采用的是STM32的最小核心板STM32F103C8T6，單片機主控模塊對整個系統起到控制的作用，協調各個模塊的正常運行，將數據解析并對其進行處理。指紋識別模塊采用的是AS608，通過光學成像技術，采集指紋的曲線、折點等關鍵信息，生成指紋特征文件，該模塊采用的是串口通信協議，方便與系統對接，數據傳輸延時率低。結合LED模塊，通過指紋錄入、刪除、驗證操作是否成功給出不同顏色的LED顯示。系統采用了5個輕觸按鍵，每一個按鍵都具有不同的功能，并且切換到功能界面會影響的按鍵對應不同的功能，提供按鍵的可復用性。按鍵采用一組常開狀態的2個引腳，采用低電平輸入的方式。當按鍵按下，常開的2個會閉合，形成短路的狀態，會將低電平輸入到主控模塊，從而進行下一步操作。報警模塊采用的是有源蜂鳴器，當多次指紋驗證失敗后，會認為當前指紋并不存在于指紋庫，會做報警處理，當作非法驗證的指紋處理。液晶顯示模塊采用的是OLED顯示屏，主要是展示當前的信息，并提供功能菜單，每一個功能都有對應的界面。首頁展示的是添加指紋、刪除指紋、驗證指紋，通過和按鍵配合使用，按下不同的按鍵可跳到不同的界面。

3 系統軟件設計

3.1 系統主程序設計

主程序運行的流程如圖2所示：首先初始化SHT30傳感器、單片機輸入輸出引腳、AS608指紋識別模塊、OLED液晶顯示屏。初始化成功之后液晶顯示屏會實時顯示溫濕度數據及功能目錄，有“K1鍵添加指紋”“K3鍵刪除指紋”“K5鍵驗證指紋”。顯示結果如圖3所示。

圖2 系統主程序流程圖

圖3 主界面結果圖

3.2 添加指紋程序設計

指紋錄入流程如圖4所示，首先對指紋識別模塊、LED狀態模塊、按鍵控制模塊初始化，此時OLED液晶顯示屏會展示功能菜單。按下K1按鍵之后會進入到指紋錄入界面，OLED液晶顯示屏顯示“請按手指”的漢字并且藍色的狀態燈長亮。當長時間沒有按下手指會跳轉回到功能菜單，需要重新按下K1鍵才能再次進到指紋錄入界面。當按下指紋之后，指紋錄入正常則需要再按下一次，如果錄入失敗則導致紅色狀態燈長亮，并回退到功能菜單主界面。每次采集過程將進行2次采集，若2次采集結果不一致，則紅色狀態燈長亮。當指紋比對成功會自動生成指紋模板，并將指紋添加到指紋模板，此時需要設置指紋模板ⅠD，可通過K2，K4鍵設置指紋模板ⅠD，ⅠD值從00—99，可以存100個指紋，按下K4鍵指紋模板ⅠD加1、按下K2鍵指紋模板ⅠD減1、按下K3鍵保存當前的指紋模板ⅠD，如果當前指紋模板ⅠD已有指紋，會直接覆蓋之前的指紋，按下K3鍵保存指紋之后，藍色狀態燈熄滅，綠色狀態燈會長亮，然后退回到功能主界面。

圖4 指紋錄入流程圖

3.3 指紋刪除程序設計

指紋刪除流程如圖5所示，首先對指紋識別模塊、LED狀態模塊、按鍵控制模塊初始化。然后在功能界面按下K3鍵，跳轉到指紋刪除界面。此時頁面顯示的內容包含以下幾種：按下K4對指紋模板ⅠD加1操作、按下K2鍵對指紋模板ⅠD減1操作、按下K1鍵返回功能主界面、按下K3鍵確認刪除當前指紋模板ⅠD下的指紋、按下K5鍵刪除指紋庫的所有指紋。指紋模板的ⅠD長度從00—99，通過K2、K4指定想要刪除的指紋，按下K3鍵刪除當前指定的指紋。指紋刪除成功之后，顯示屏會展現“指紋刪除成功”字樣，綠色狀態燈會發光，否則紅色狀態燈發光，并返回到主界面。

圖5 指紋刪除流程圖

3.4 指紋驗證程序設計

在功能主界面按下K5鍵，進入到指紋驗證界面，如圖6所示，指紋驗證流程首先對指紋識別模塊等模塊進行初始化，以清除之前的緩存，此時界面顯示的是“驗證指紋”字樣，藍色狀態燈發光，將手指放入AS608光學指紋模塊的平板上，通過光學模塊生成指紋圖像，提取指紋圖像的特征并與事先存儲的指紋庫進行比對，通過特征篩查輸出匹配結果。當按下一個已經錄入的指紋，也就是相匹配成功，綠色狀態燈會發光。當按下一個并沒有錄入的指紋，指紋尋找不到相匹配的指紋，會錄入失敗，紅色狀態燈會長亮。驗證成功之后，液晶顯示屏會展示當前的指紋模板ⅠD并顯示當前指紋驗證成功的得分，當連續5次指紋驗證失敗，蜂鳴器會做報警處理。

圖6 指紋驗證流程圖

4 結束語

本文從系統設計原理、思路及系統的軟硬件設計等方面對指紋識別系統進行具體介紹，本系統提供指紋采集錄入、增加刪除、修改及驗證等功能。通過對采集的指紋與指紋庫進行特征匹配，輸出指紋是否符合的結果，同時，系統可對指紋庫進行增加、刪除，確保指紋識別的準確、安全。本系統具有較強可擴展性，將指紋識別技術和物聯網技術相結合，旨在構建一套基于物聯網的指紋識別系統，結合物聯網技術及指紋識別技術的優勢，將指紋識別系統應用到更多領域。從本文所介紹指紋識別技術的特點、應用前景等，可見指紋識別系統是提高人民生活便捷性的必然趨勢，因此指紋識別系統設計的可靠性決定了其具備廣泛推廣的潛力，相信在不久的將來，會有越來越多的關于指紋識別的應用在物聯網技術加持下，走進尋常百姓生活的每一個領域。