指纹锁的设计与实现毕业论文Word文件下载.doc
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4.1.1 嵌入式系统简介 18
4.1.2 单片机技术 18
4.2系统硬件结构设计 20
4.2.1人机接口部分 22
4.2.2电源监视电路 23
4.2.3看门狗定时电路 23
4.2.4开锁执行机构 23
4.3指纹识别模块 25
4.3.1指纹识别模块原理 25
4.3.2系统处理流程 26
第5章指纹锁系统软件设计 28
5.1系统整体软件结构设计 28
5.2系统初始化 29
结论 30
参考文献 31
致谢 32
附录 33
.专业.专注.
第1章绪论
1.1课题的来源和意义
随着人们对安全性和私密性的要求越来越高，生物特征识别技术的应用愈来愈显现出其智能化、人性化的强大优势，毫无疑问，指纹锁也将成为IC卡门锁和感应卡门锁之后电控锁具的新主角。
丢了钥匙不仅打不开门，还要当心坏人拾到你的钥匙盗取你的家财，其他使用钥匙的场合同样也有如此的问题……
这些问题都说明，现行的系统安全性技术己经遭遇严峻的挑战!
因此，门锁，作为人类安全卫士，从以前的简单机械门锁发展到今天的种类和功能都趋于多样化的智能门锁。
机械门锁是使用机械钥匙开门，而机械钥匙容易丢失和复制，同样的电子密码锁的密码也会因为被别人偷盗，而被非法打开。
而人体锁具有的生物特征——指纹，是与生俱来，终生不变，人各有异的，它绝不会被丢失好复制。
1.2国外的研究现状
1.2.1指纹锁技术概述
指纹识别技术是生物识别技术的一种，众所周知生物识别技术是依靠人体的身体特征来进行身份验证的一种解决方案。
人体的生物特征包括指纹、人脸、声音、虹膜、角膜、掌纹、骨架、静脉等，行为特征有签字、声音、按键力度、运动姿势等，同时包括法医学.的血液、DNA等都属于身体的特征。
所谓的生物识别的核心在于如何获取这些生物特征，并将之转换为数字信息，存储于存储器中，微处理器利用可靠的匹配算法来完成验证与识别个人身份的过程。
由于人体特征具有人体所固有的不可复制的唯一性，这一生物密钥无法复制，失窃或被遗忘。
而常见的口令、IC卡、条纹码、磁卡或钥匙则存在着丢失、遗忘、复制及被盗用诸多不利因素。
因此采用生物"
钥匙"
，您可以不必携带大串的钥匙，也不用费心去记或更换密码。
而系统管理员更不必因忘记密码而束手无策。
指纹锁作为第三代安全产品，打破了传统意义上的机械锁单一开门的功能，是集光学、机械、电子及指纹核心算法技术为一身的高科技产品。
现在的指纹锁有很多的功能，比如联网功能，开门记录功能、远程遥控、智能报警、多人模式、管理者级别等等。
这些都是与IT行业电子信息技术紧密相连的。
那么随着人们安防意识的加强、生活水平及需求的不断提高，新的功能、新的需求也在不断的应运而生，同时受国家政府职能机构的要求，也有很多相关的需求。
1.2.2指纹锁的应用
近年来，互联网发展迅猛，在带给人们的方便与利益的同时，逐渐融入到人们生活中，由此带出了很多的问题，主要体现在在信息安全方面。
无论是团体或者个人的信息，都害怕在四通八达的网络上传送信息而发生权益被损害的事情。
由于指纹特征数据可以通过电子或其他传输方法在计算机网络上进行传输和验证，通过指纹识别技术，限定只有指定的人才能访问相关信息，可以极大地提高网上信息的安全性，这样，包括网上银行、网上贸易、电子商务的一系列网络商业行为，就有了安全性保障。
在医院里，指纹识别技术可以验证病人身份，例如输血管理。
指纹识别技术也有助于证实寻求公共救援、医疗及其他政府福利或者保险金的人的身份确认。
在这些应用中，指纹识别系统将会取代或者补充许多大量使用照片和ID的系统。
人们外出旅游度假住酒店或宾馆的时候，也不用为忘了带房卡或丢了房卡而烦恼。
在入住酒店，到前台登记的时候采集指纹，就可以到指定的房间开门（房卡的节电功能完全可以用红外感应装置来实现）。
在酒店里吃饭，进行购物、娱乐、健身等消费活动，就用指纹来记录，省去了随身带现金的麻烦。
离开酒店的时候就可以一并结算。
用指纹取代会员卡来验证酒店的会员，更为方便可靠。
在一些中高档楼盘，以及别墅，指纹防盗门锁已经取代了传统的挂锁、电锁、卡锁，除了房主的指纹之外，其他任何人都不能打开房门，可以向携带大串钥匙的时代告别了，即使是开锁技术再高的小偷也只能是望门兴叹。
为楼盘配备指纹锁也成了房产开发商吸引业主的一大亮点，如博瑞的----优品道楼盘，华人房产的----加洲山庄别墅，中铁八局双龙湾电梯公寓等都采用了爱迪尔电子公司生产的指纹防盗门锁，这里的人们都已经提前享受到了指纹识别技术所带来的安全、可靠、便捷的生活。
总之，随着许多指纹识别产品的开发和投入生产，指纹识别技术的应用已经开始进入民用市场，逐渐渗透到我们生活的各个领域，并且发展迅猛，相信这一技术的普及应用已经指日可待。
1.2.3指纹锁的发展前景
目前，众多商家在自身市场拓展上都坚持不应“为别人做嫁衣”，这样的概念可能是并不全面的，在市场启动之初，如果能有效地把人力、物力、财力进行整合是不影响其在市场扩展层面力度的强弱。
市场是完全存在的，只是看选择什么样的方式来切入市场，切入的是哪一部分市场、哪一部分区域，这些都需要有明确的区分与比对，以此才可以起到以点带面的整体营销效果。
指纹锁从最初的试验性推广到目前的小围使用，已经经历了十年的风风雨雨。
其间发生的变化的确不小。
就拿众音指纹锁来说，1999年时刚刚开始向市场上推广时，指纹处理芯片的处理速度远不如现在的快。
当时在大学做过一项测试，录入了500枚学生的指纹，使用1：
N的比对速度进行测试，如果使用一枚未曾录入过的指纹进行验证，返回结果的时间高达10秒。
不过当时受限于计算机运算速度的整体趋势。
这个结果还算不错的了，当然是在脱机的情况下。
指纹锁的产品价格也高的惊人，每套指纹锁的销售价格高达8000元人民币以上，市场销售量非常低。
到了2004年左右，随着计算机运算速度的提升，单片机的运算速度也得到了长足的发展，加上指纹算法的不断优化，使的指纹的比对速度明显提高了不少。
进入2009年以后，中国的指纹锁市场似乎发生了本质的变化，人们渐渐的开始主动的寻找这类产品。
如果你问一下你身边的人是否知道指纹锁是什么，基本上都会说知道或者见过。
而且国的许多小区也开始成批的投入使用。
不可以否认的前景，相对于传统的锁具，指纹锁系列技术产品的应用优势极其明显。
单体指纹的唯一性大大提高了用户在安防上的性能要求，而指纹的独特生理附属性，又彻底避免了遗失、被盗、被复制的隐患，同时由于“指纹”随身携带，使用方
便，这些巨大的优势使得指纹锁技术越来越被人们所接受，并在全球围引起一场安防革命，有人预测，指纹生物识别产品在未来几年中仍然将保持高速增长的趋势，预计每年大约以300%的速度增长，所以我坚信其市场的前景是不可否认、不容置疑的。
1.3系统总体设计方案和论文结构
硬件平台大致可以分为5个部分：
指纹识别模块、核心部分（AT89C51单片机）、执行开锁机构、人机接口，电压监测部分。
该系统具有指纹开锁，应急密码开锁（指纹受损、指纹被盗、主人未在家允许客人进入），智能报警，电压监测等功能。
整个系统基本工作原理：
当用户使用时，首先开启电源,整个系统开始上电工作。
单片机首先检测电源电压是否正常，如果电压过低,则向用户报警更换电池。
如果电压正常单片机则等待指纹模块初始化完成，指纹经传感器采集后，从图像传感器输出的指纹图像经过指纹模块对其进行图像采集、图像处理、特征点提取和匹配等一系列操作后，由DSP完成匹配识别算法，并输出处理结果，如果匹配成功，则给执行机构供电，电机正转，将锁打开,然后延迟一段时间，以保证用户有充裕的时间开门后又将门关上。
最后电机反转,将门重新上锁。
通过功能设置可以采取指纹认证和指纹+密码工作方式，其中用户设置的密码经加密后存在E2PROM中。
另外在规定时间，如果没有接收到用户的命令，则系统强制断电退出;
如果在命令期间没有让指纹模块工作，则可以让其强制进入睡眠状态，通过这些措施使得电池使用时间大大延长。
文章第一部分首先介绍了基于细节点特征的指纹识别系统的构成及原理。
重点分析了指纹特征，还有自动指纹识别技术的分类及基本原理，指纹识别技术应用及发展。
第二部分介绍了硬件系统的结构，如：
单片机的连接方法，外设寄存器选取，指纹识别模块的实现，指纹和密码开锁等等。
第三部分介绍了指纹锁系统的软件流程设计和系统初始化。
第2章指纹识别技术
2.1指纹特征分析
每个人包括指纹在的皮肤纹路在图案、断点和交叉点上各不相同，呈现惟一性且终生不变。
据此，我们就可以把一个人同他的指纹对应起来，通过将他的指纹和预先保存的指纹数据进行比较，就可以验证它的真实身份，这就是指纹识别技术。
指纹识别主要根据人体指纹的纹路、细节特征等信息对操作或被操作者进行身份鉴定，得益于现代电子集成制造技术和快速而可靠的算法研究，已经开始走入我们的日常生活，成为目前生物检测学中研究最深入，应用最广泛，发展最成熟的技术。
2.1.1指纹特征分类
指纹识别学是一门古老的学科，它是基于人体指纹特征的相对稳定与唯一这一统计学结果发展起来的。
实际应用中，根据需求的不同，可以将人体的指纹特征分为：
永久性特征、非永久性特征和生命特征。
永久性特征包括细节特征（中心点、三角点、端点、叉点、桥接点等）和辅助特征（纹型、纹密度、纹曲率等元素），在人的一生中永不会改变，在手指前端的典型区域中最为明显，分布也最均匀细节特征是实现指纹精确比对的基础，而纹形特征、纹理特征等则是指纹分类及检索的重要依据。
人类指纹的纹形特征根据其形态的不同通常可以分为“弓型、箕型、斗型”三大类型，以及“孤形、帐形、正箕形、反箕形、环形、螺形、囊形、双箕形和杂形”等9种形态。
纹理特征则是由平均纹密度、纹密度分布、平均纹曲率、纹曲率分布等纹理参数构成。
纹理特征多用于计算机指纹识别算法的多维分类及检索。
非永久性特征由孤立点、短线、褶皱、疤痕以及由此造成的断点、叉点等元素构成的指纹特征，这类指纹有可能产生、愈合、发展甚至消失。
指纹的生命特征与被测对象的生命存在与否密切相关。
但它与人体生命现象的关系和规律仍有待进一步认识。
目前它已经成为现代民用指纹识别应用中越来越受关注的热点之一。
终都归结为在指纹图象上找到并比对指纹的特征。
2.1.2指纹特征分析
我们定义了指纹的两类特征来进行指纹的验证：
总体特征和局部特征。
总体特征是指那些用人眼直接就可以观察到的特征，包括：
（a）环型（b）弓型（c）螺旋型
图2.1三种基本纹路图案
基本纹路图案：
环型（loop）,弓型（arch）,螺旋型（whorl）。
其他的指纹图案都基于这三种基本图案。
仅仅依靠图案类型来分辨指纹是远远不够的，这只是一个粗略的分类，但通过分类使得在大数据库中搜寻指纹更为方便。
模式区（PatternArea）：
模式区是指指纹上包括了总体特征的区域，即从模式区就能够分辨出指纹是属于那一种类型的。
有的指纹识别算法只使用模式区的数据。
Aetex的指纹识别算法使用了所取得的完整指纹而不仅仅是模式区进行分析和识别。
核心点（CorePoint）：
核心点位于指纹纹路的渐进中心，它用于读取指纹和比对指纹时的参考点。
三角点（Delta）：
三角点位于从核心点开始的第一个分叉点或者断点、或者两条纹路会聚处、孤立点、折转处，或者指向这些奇异点。
三角点提供了指纹纹路的计数和跟踪的开始之处。
式样线（TypeLines）：
式样线是在指包围模式区的纹路线开始平行的地方所出现的交叉纹路，式样线通常很短就中断了，但它的外侧线开始连续延伸。
纹数（RidgeCount）：
指模式区指纹纹路的数量。
在计算指纹的纹数时，一般先在连接核心点和三角点，这条连线与指纹纹路相交的数量即可认为是指纹的纹数。
局部特征局部特征是指指纹上的节点。
两枚指纹经常会具有相同的总体特征，但它们的局部特征——节点，却不可能完全相同。
节点（MinutiaPoints）：
指纹纹路并不是连续的，平滑笔直的，而是经常出现
中断、分叉或打折。
这些断点、分叉点和转折点就称为“节点”。
就是这些节点提供了指纹唯一性的确认信息。
2.2自动指纹识别技术的分类及基本原理
由于人体的身体特征具有不可复制的特点，人们把目光转向了生物识别技术，希望可以籍此技术来应付现行系统安全所面临的的挑战。
要把人体的特证用于身份识别，这些特征必须具有唯一性和稳定性。
研究和经验表明，人的指纹、掌纹、面孔、发音、虹膜、视网膜、骨架等都具有唯一性和稳定性的特征，即每个人的这些特征都与别人不同、且终生不变，因此就可以据此识别出人的身份。
基于这些特征，人们发展了指纹识别、面部识别、发音识别等多种生物识别技术，目前许多技术都己经成熟并得以应用，其中的指纹识别技术更是生物识别技术的热点。
指纹识别技术的发展得益于现代电子集成制造技术和快速可靠的算法的研究。
尽管指纹只是人体皮肤的一小部分，但用于识别的数据量相当大，对这些数据进行比对也不是简单的相等与不相等的问题，而是使用需要进行大量运算的模糊匹配算法。
现代电子集成制造技术使得我们可以制造相当小的指纹图象读取设备，同时飞速发展的个人计算机运算速度提供了在微机甚至单片机上可以进行两个指纹的比对运算的可能。
另外，匹配算法可靠性也不断提高，指纹识别技术己经非常实用。
2.2.1自动指纹识别系统的分类
按照用途的不同可以将自动指纹识别系统分为两类，即身份验证系统（verification）和身份辨识（identification）系统。
身份验证就是通过把一个现场采集到的指纹与一个己经登记的指纹进行一对一的比对（one-to-onematching），来确认身份的过程。
作为验证的前提条件，他或她的指纹必须在指纹库中已经注册。
指纹以一定的压缩格式存贮，并与其或其标识（ID，PIN）联系起来。
随后在比对现场，先验证其标识，然后，利用系统的指纹与现场采集的指纹比对来证明其标识是合法的。
验证其实是回答了这样一个问题：
"
他是他自称的这个人吗？
这是应用系统中使用得较多的方法。
身份辨识则是把现场采集到的指纹同指纹数据厍中的指纹逐一对比，从中找出与现场指纹相匹配的指纹。
这也叫“一对多匹配（one–to-manymatching）”。
“他是谁？
”辨识主要应用于犯罪指纹匹配的传统领域中。
一个不明身份的人的指纹与指纹库中有犯罪记录的人指纹进行比对，来确定此人是否曾经有过犯罪记录。
验证和辨识在比对算法和系统设计上各具技术特点。
身份验证系统主要于应用民用领域，因此一般只考虑对完整指纹进行对比更强调易用性。
身份辨识系统主要应用于警用领域，因此还要对残纹的比较，易用性和安全性都要兼顾。
例如验证系统一般只考虑对完整的指纹进行比对，而辨识系统要考虑残纹的比对；
验证系统对比对算法的速度要求不如辨识系统高，但更强调易用性；
另外在辨识系统中，一般要使用分类技术来加快查询的速度。
除了验证的一对一和辨识的一对多比对方法，在实际应用中还有“一对几个匹配（one-to用户的系统中-fewmatching）”。
一对几个匹配主要应用于只有“几个（few）”，比如一个家庭的成员要进入他们的房子。
一对几个匹配一般使用与一对一匹配相同的方法。
指纹是人体独一无二的特征，其复杂度足以提供用于鉴别的特征。
，指纹识别技术经过多年的发展已成为目前最方便、可靠、非侵害和价格便宜的生物识别技术解决方案，对于广大市场随着相关支持技术的逐步成熟的应用有着很大的发展潜力。
2.2.2指纹识别的原理和方法
指纹识别技术主要涉及四个功能：
读取指纹图象、提取特征、保存数据和比对。
指纹采集
指纹图像预处理理
特征点提取
存入数据库
匹配特征点
提取特征点
匹配结果
图2.2自动指纹识别原理框图
在一开始，通过指纹读取设备读取到人体指纹的图象，取到指纹图象之后，要对原始图象进行初步的处理，使之更清晰。
接下来，指纹辨识软件建立指纹的数字表示——特征数据，一种单方向的转换，可以从指纹转换成特征数据但不能从特征数据转换成为指纹，而两枚不同的指纹不会产生相同的特征数据。
软件从指纹上找到被称为“节点”（minutiae）的数据点，也就是那些指纹纹路的分叉、终止或打圈处的坐标位置，这些点同时具有七种以上的唯一性特征。
因为通常手指上平均具有70个节点，所以这种方法会产生大约490个数据。
有的算法把节点和方向信息组合产生了更多的数据，这些方向信息表明了各个节点之间的关系，也有的算法还处理整幅指纹图像。
总之，这些数据，通常称为模板，保存为1K大小的记录。
无论它们是怎样组成的，至今仍然没有一种模板的标准，也没有一种公布的抽象算法，而是各个厂商自行其是。
最后，通过计算机模糊比较的方法，把两个指纹的模板进行比较，计算出它们的相似程度，最终得到两个指纹的匹配结果。
1．采集指纹图像的技术
获得良好的指纹图像是一个十分复杂的问题。
因为用于测量的指纹仅是相当小的一片表皮，所以指纹采集设备应有足够好的分辨率以获得指纹的细节。
目前所用的指纹图像采集设备，基本上基于三种技术基础：
光学技术、半导体硅技术、超声波技术。
1）光学技术
借助光学技术采集指纹是历史最久远、使用最广泛的技术。
将手指放在光学镜片上，手指在置光源照射下，用棱镜将其投射在电荷耦合器件（CCD）上，进而形成脊线（指纹图像中具有一定宽度和走向的纹线）呈黑色、谷线（纹线之间的凹陷部分）呈白色的数字化的、可被指纹设备算法处理的多灰度指纹图像。
光学的指纹采集设备有明显的优点：
它已经过较长时间的应用考验，一定程度上适应温度的变异，较为廉价，可达到500DPI的较高分辨率等。
缺点是：
由于要求足够
长的光程，因此要求足够大的尺寸，而且过分干燥和过分油腻的手指也将使光学指纹产品的效果变坏。
2）硅技术（CMOS技术）
20世纪90年代后期，基于半导体硅电容效应的技术趋于成熟。
硅传感器成为电容的一个极板，手指则是另一极板，利用手指纹线的脊和谷相对于平滑的硅传感器之间的电容差，形成8bit的灰度图像。
硅技术优点是可以在较小的表面上获得比光学技术更好的图像质量，在1cm×
1.5cm的表面上获得200~300线的分辨率（较小的表面也导致成本的下降和能被集成到更小的设备中）。
缺点是易受干扰，可靠性相对差。
表2.1三种技术的比较
比较项目
光学全反射技术
硅晶体电容传感技术
超声波扫描
体积
大
小
中
耐用性
非常耐用
容易损坏
一般
成像能力
干手指差，但汗多的和稍脏的手指成像模糊
干手指好，但汗多的和稍脏的手指不能成像
非常好
耗电
较多
较少
成本
低
很高
3）超声波技术
为克服光学技术设备和硅技术设备的不足，一种新型的超声波指纹采集设备已经出现。
其原理是利用超声波具有穿透材料的能力，且随材料的不同产生大小不同的回
波（超声波到达不同材质表面时，被吸收、穿透与反射的程度不同），因此，利用皮肤与空气对于声波阻抗的差异，就可以区分指纹脊与谷所在的位置。
超声波技术所使用的超声波频率为1×
104Hz～1×
109Hz，能量被控制在对人体无损的程度（与医学诊断的强度相同）。
超声波技术产品能够达到最好的精度，它对手指和平面的清洁程度要求较低，但其采集时间会明显地长于前述两类产品。
总之，各种技术都具有它们各自的优势，也有各自的缺点。
2．特征拾取
一个高质量的图像被拾取后，需要许多步骤将它的特征转换到一个复合的模板中，
这个过程，被称为特征拾取过程，它是手指扫描技术的核心。
当一个高质量的图像被拾取后，它必须被转换成一个有用的格式。
如果图像是灰度图像，相对较浅的部分会被删除，而相对较深的部分被变成了黑色。
脊的像素有5~8个被缩细到一个像素，这样就能精确定位脊断点和分岔了。
微小细节的图像便来自于这个经过处理的图像。
在这一点上，即便是十分精细的图像也存在着变形细节和错误细节，这些变形和错误细节都要被滤除。
除细节的定位和夹角方法的应用以外，也可通过细节的类型和质量来划分细节。
这种方法的好处在于检索的速度有了较大的提高，一个显著的、特定的细节，它的惟一性更容易使匹配成功。
还有一些生产商采用的方法是模式匹配方法，即通过推断一组特定脊的数据来处理指纹图像。
2.3指纹识别技术应用及发展
随着全球对身份认证的需求越来越多，应用生物特征识别技术做身份认证将被逐步推广。
生物特征识别技术在现在和未来提供安全解决方案方面占据着越来越重要的地位。
所谓生物特征识别技术就是，通过机与各种传感器和生物统计学原理等高手段密切结合，利用人体固有的生理特性和行为特征，来进行个人身份的鉴定。
生理特征与生俱来，多为先天性的；
行为特征则是习惯使然，多为后天性的。
将生理和行为特征统称为生物特征。
而指纹在所有的生物特征中，相对稳定、不随年龄而变化和采集较为便捷，同时它的研究历史最长、相对更为成熟。
因此，与同类产品相比，指纹识别的性价比最高，也更适于应用到大众生活中。
因此指纹识别以其革命性的便捷和安全性成为一个理想的卓越的解决方案。
2.3.1指纹识别技术的应用
自动指纹识别系统正广泛应用于刑侦领域和民用领域。
在刑侦领域，自动指纹识别系统可以进行查十指查十指、十指查现场、现场查十指以及现场现场。
刑侦用指纹识别系统的特点是：
（1）可以快速从指纹数据库中查询安印指纹或现场指纹，获取犯罪嫌疑人的信息；
（2）能够管理几十万、甚至上百万人的十指指纹；
（3）可以实现联网，在更大的围实现指纹信息共享；
（4）可以与其它信息系统联网，形成综合犯罪信息网络系统。
在西方发达国他家的刑侦部门中指纹识别系统已经得到广泛应用。
在过去主要应用于刑侦系统。
近几年来已逐渐走向民用市场，主要应用在考勤、门禁、保险箱柜等领域。
相信，随着指纹识别技术的完善，还会广泛的应用在身份证，机动车，家居等更多的领域。
指纹技术在现代生活和工作中的应用已越来越普遍，指纹考勤、指纹社保、指纹银行、指纹商场、指纹接送幼儿等等生活和工作的新现象已广为人知，指纹技术正在日益刷新着我们的现代化生活方式。
指纹开门，渐成
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