引言
隨著生活水平的提高，人們對物質(zhì)生活的要求越來越高，尤為注重住宅安全問題。隨著生物特征識別技術(shù)的發(fā)展，指紋識別技術(shù)逐漸進入人們的生活領(lǐng)域，指紋鎖進入了人們的家庭。常見的指紋鎖，需要管理員指紋或者管理員密碼，才能進行指紋和密碼的添加和刪除操作。本文設(shè)計的電子機械鎖，具有上述功能，還可以用正確鑰匙管理指紋和密碼。
常見的指紋鎖配備的機械鎖，可使用普通的正確鑰匙打開，安全級別較低，很容易被人員破解。本文設(shè)計的基于PIC16F72的機械鎖，配套的鑰匙內(nèi)置編碼芯片，能夠設(shè)置正確鑰匙以及發(fā)送鑰匙編碼信息，只有用正確鑰匙才能打開，不能被鐵絲或其他非法鑰匙打開，安全性大大提高。在非法開門的情況下，機械鎖發(fā)送報警信息。
1 、系統(tǒng)設(shè)計方案
電子機械鎖，分為電子鎖和機械鎖這兩個部分。電子鎖以單片機ATmega162為，通過指紋識別模塊，完成了對指紋管理的操作；通過鍵盤，完成密碼管理的操作；通過超外差接收模塊，能夠接收來自機械鎖的鑰匙編碼信息，完成與機械鎖的通信。
機械鎖以PIC單片機PIC16F72為，獲取鑰匙編碼信息，經(jīng)超外差發(fā)送模塊發(fā)送。超外差發(fā)送和接收模塊的工作頻率在433 MHz，PCB布線時注意超外差模塊，遠離其他器件，不然會影響系統(tǒng)的工作狀態(tài)。另外，該系統(tǒng)要求體積小，供電方便，整個系統(tǒng)的功耗要盡量低。
1．1 電子鎖框圖

電子鎖主體為AVR單片機ATmega162、指紋識別模塊、超外差接收模塊、12 V電子鎖驅(qū)動、門鎖、鍵盤、按鍵和指示燈等，如圖1所示。指紋識別模塊型號為：TFS-M12，采用TI的DSP芯片TMS320VC5501，指紋算法采用TFS-9。穩(wěn)定快速的芯片以及優(yōu)良的指紋算法，不僅提高了整個系統(tǒng)的識別率以及縮短了識別時間，而且大大縮短了整個系統(tǒng)的研發(fā)時間。

電子鎖在不使用的時候，處于睡眠狀態(tài)。用戶打開指紋識別模塊上的金屬防塵罩時，產(chǎn)生喚醒信號，電子鎖進入正常工作狀態(tài)。
正常工作狀態(tài)下，電子鎖支持兩種開門方式：指紋開門和輸入密碼開門。指紋采集頭上輸入指紋，指紋識別模塊將當前指紋與已存指紋進行比較，單片機ATmega162接收到比較結(jié)果，若正確產(chǎn)生開門信號，經(jīng)12 V電子鎖驅(qū)動，打開門鎖。鍵盤輸入密碼，單片機ATmega162將當前輸入密碼和用戶設(shè)置的正確密碼進行比較，若正確產(chǎn)生開門信號，經(jīng)12 V電子鎖驅(qū)動，打開門鎖。輸入指紋和密碼的機會共3次，若3次都錯誤，系統(tǒng)進入睡眠狀態(tài)。
1．2 機械鎖框圖
機械鎖主體為PIC單片機PIC16F72、超外差發(fā)送模塊、設(shè)置鍵、指示燈等，如圖2所示。設(shè)置正確鑰匙步驟：按下設(shè)置鍵，指示燈常亮，插入需要設(shè)置的鑰匙，等待指示燈有規(guī)律的閃爍3下，設(shè)置成功；設(shè)置完成后用正確鑰匙開門1次，恢復正常使用狀態(tài)。當插入錯誤鑰匙或者是鐵絲等非法鑰匙時，指示燈會快速閃爍，并通過超外差發(fā)送模塊發(fā)送報警信息。
通過采用單片機和指紋識別模塊實現(xiàn)電子機械鎖的設(shè)計為了降低整個系統(tǒng)的功耗，機械鎖在不使用時，處于不工作狀態(tài)。在安裝機械鎖的時候，會在機械鎖的鎖芯安裝一個金屬轉(zhuǎn)接口，該金屬轉(zhuǎn)接口連接了電子鎖的防塵罩，轉(zhuǎn)動金屬轉(zhuǎn)接口，不僅給機械鎖供電使之進入正常工作狀態(tài)，還喚醒電子鎖，讓電子鎖進入正常工作狀態(tài)。轉(zhuǎn)動金屬轉(zhuǎn)接口，還使得電子鎖中的單片機ATmega162第4口的第5位（即P4．5）變成高電平，電子鎖只處理來自機械鎖發(fā)出的信息。
機械鎖正常工作狀態(tài)時，插入鑰匙，單片機PIC16F72會識別鑰匙的編碼，若正確，則打開鎖芯上的閥，可以轉(zhuǎn)動鑰匙開門，若錯誤則發(fā)送錯誤鑰匙信息，鎖芯的閥依舊關(guān)閉，不能開門，從而保證了，用戶的安全。
1．3 電子鎖和機械鎖的通信

電子鎖和機械鎖之間的通信是通過超外差發(fā)送和接收模塊完成。機械鎖發(fā)送如圖3所示的信息，每位數(shù)據(jù)寬度為1 ms。由于噪聲的影響，單片機ATmega162只能通過查詢方式接收。

前導碼是由23位數(shù)據(jù)組成。數(shù)據(jù)碼由FAH碼、地址碼以及KEY碼組成，每個數(shù)據(jù)碼有10位，分別由8位數(shù)據(jù)、起始位（1）和結(jié)束位（0）組成。
地址碼就是機械鎖的識別碼，識別碼是惟一的，每次讀取KEY碼，都會將當前地址碼和存儲的地址碼進行比較，若相同才能讀取KEY碼，因此不會接收來自其他用戶的鎖發(fā)出的信息。
KEY碼就是鑰匙的編碼，每個鑰匙的編碼是惟一的，因此可以記錄用戶家庭成員的開門信息，方便用戶查詢。電子機械鎖應(yīng)用在辦公場合時，若發(fā)生偷竊情況，可以查詢近的開門信息，來確定懷疑對象；也可以查詢特殊鑰匙開門情況，比如保姆工作的具體時間。若發(fā)生非法開門時，KEY碼為0x00，接收到該KEY碼時，產(chǎn)生報警信號。
2、 指紋識別算法原理
2．1 指紋識別算法

指紋識別分為以下4個步驟如圖4所示。

通過采用單片機和指紋識別模塊實現(xiàn)電子機械鎖的設(shè)計指紋圖像預(yù)處理是重要的一步，關(guān)系到后面提取的特征點的正確與否。

由于指紋采集設(shè)備的不完善性，對于干、濕、臟、老化、磨損的指紋，往往難以采集到清晰的圖像，因此需要圖像增強，是指紋圖像預(yù)處理中重要的一步，采用Gabor濾波完成。根據(jù)指紋圖像局部區(qū)域的紋線分布具有較穩(wěn)定的方向和頻率，設(shè)計相應(yīng)的Gabor帶通濾波器，能有效地在局部區(qū)域?qū)χ讣y進行修正和濾噪。Gabor函數(shù)是惟一能達到時頻測不準關(guān)系下界的函數(shù)，二維表達式為：

通過采用單片機和指紋識別模塊實現(xiàn)電子機械鎖的設(shè)計Gabor函數(shù)是二維高斯函數(shù)在空間頻率域的平移函數(shù)，σx，σy為對應(yīng)于x方向和y方向的角頻率平移參數(shù)。二維Gabor函數(shù)的實部和虛部可各自表示為一個函數(shù)，分別稱為偶Gahor和奇Gabor函數(shù)。偶Gahor函數(shù)適于增強目標物體，而奇Gabor函數(shù)適于增強物體邊緣。

Gabor濾波器系數(shù)分量為：

通過采用單片機和指紋識別模塊實現(xiàn)電子機械鎖的設(shè)計式中：x=mcosφ+nsinφ；y=-msinφ+ncosφ；（i，j）為當前點的坐標，φ為當前點（塊）的方向，f為當前塊（整體）的正弦平面波的頻率；（m，n）取值范圍與指紋圖像的坐標（i，j）取值范圍相同。σx，σy增大，對噪聲的適應(yīng)能力增強，但有可能會產(chǎn)生偽紋線；減小，消除噪聲的作用減弱。

對于每一點，根據(jù)其方向、頻率，求出Gabor濾波器系數(shù)，然后根據(jù)式（3）計算當前點濾波后的值：

從圖5可很明顯地看出，經(jīng)過Gabor濾波處理后，圖像對比增強，紋理清晰，特征明顯，提高了后續(xù)提取指紋特征點的正確率。

2．2 指紋識別模塊的通信協(xié)議
指紋識別模塊作為從設(shè)備，通過串口，由主芯片ATmega162發(fā)送相關(guān)命令對其進行控制。
命令接口：19200b／s 1起始位1停止位（無校驗位）。
主芯片發(fā)送的命令及指紋模塊的應(yīng)答數(shù)據(jù)長度為8 B，數(shù)據(jù)格式如下：
通過采用單片機和指紋識別模塊實現(xiàn)電子機械鎖的設(shè)計CMD：命令／應(yīng)答類型；P1．P2，P3：命令參數(shù)；Q1，Q2，Q3：應(yīng)答參數(shù)；CHK：校驗和，為第2字節(jié)到第6字節(jié)的異或值；Q3用于返回操作的有效性信息，表示操作是否成功，數(shù)據(jù)是否存在，采集指紋超時等。
3 、程序設(shè)計
系統(tǒng)從睡眠狀態(tài)啟動時，首先進行系統(tǒng)初始化，然后進入正常工作狀態(tài)，如圖6所示。
通過采用單片機和指紋識別模塊實現(xiàn)電子機械鎖的設(shè)計轉(zhuǎn)動機械鎖上的金屬轉(zhuǎn)接口會改變單片機ATmega162的P4．5的狀態(tài)。開啟金屬轉(zhuǎn)接口，單片機ATmega162處理來自機械鎖發(fā)送的信息；關(guān)閉金屬轉(zhuǎn)接口，單片機ATmega162處理來自電子鎖上指紋識別模塊或鍵盤的信息。
系統(tǒng)還開啟了兩個中斷：設(shè)置中斷和匹配中斷。匹配中斷就是電子鎖和指定的機械鎖進行匹配，只接收來自指定的機械鎖發(fā)出的信息；設(shè)置中斷就是指紋和密碼的管理。
3．1 匹配中斷
匹配中斷是鏈接多特征電子機械鎖兩個部分的前提，初次安裝電子機械鎖必須進行匹配中斷。在開啟該中斷前，必須沒置好正確鑰匙。匹配中斷為外部中斷，通過按下控制系統(tǒng)模塊上的匹配鍵，進入匹配中斷如圖7所示。
通過采用單片機和指紋識別模塊實現(xiàn)電子機械鎖的設(shè)計3．2 設(shè)置中斷
設(shè)置中斷分為兩種模式：普通模式和特殊模式。特殊模式就是利用正確鑰匙管理指紋和密碼，如圖8所示。
通過采用單片機和指紋識別模塊實現(xiàn)電子機械鎖的設(shè)計多特征電子機械鎖添加了鑰匙管理指紋和密碼的功能，目前的指紋鎖并不具備該功能。當沒有管理員指紋，而密碼忘記的情況下，該鎖可以用正確鑰匙進行指紋和密碼的添加和刪除，給用戶帶來了方便。
4、 實驗結(jié)果與分析
超外差發(fā)送和接收模塊之間的通信，由于外界噪聲和系統(tǒng)本身的影響，不是每次都能接收到如圖3的信息，可能會出現(xiàn)通信錯誤的情況，為此進行可靠性測試實驗。
用示波器測量超外差接收模塊上的波形的時序，調(diào)整代碼，使偵測點落在高電平的中間；仔細計算延時函數(shù)，確保時間的準確性。在實際調(diào)試過程中，進行了5組的實驗，每組的測試條件都不同，如溫度、環(huán)境噪聲等，每組測試100次，共計500次的測試，只出現(xiàn)了2次沒有正確識別鑰匙的情況，可靠性達到99．6％，具有實際應(yīng)用價值。
5 、結(jié)語
本文設(shè)計的電子機械鎖，巧妙利用超外差發(fā)送和接收模塊，把兩個相對獨立的部分鏈接起來。整個系統(tǒng)以單片機ATmega162為，直接控制指紋識別模塊和鍵盤，并通過超外差發(fā)送和接收模塊，間接控制機械鎖部分。多特征電子機械鎖不僅可以用管理員指紋和密碼管理用戶信息，還可以使用正確鑰匙管理用戶信息，目前市場上還沒有具備該功能的鎖出現(xiàn)。該鎖功能強大，給用戶帶來了方便和快捷的同時，安全性也得到大大提高。