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摘 要:指纹锁具有快速、方便、精确等优点，随着智能家居的快速发展，指纹锁系统也得到了广泛的应用。本文对智能家居指纹锁系统展开了研究，分析了智能家居指纹锁系统的功能需求，并对智能家居指纹锁系统硬件及软件的设计进行了详细的介绍，旨在为其他类似指纹锁系统设计提供参考。
关键词：智能家居；指纹锁系统；设计
随着社会经济的快速发展以及人们生活水平的日益提高，人们对生活品质的要求也日益增加，传统的家居模式已无法满足人们对居家生活的需求。而智能家居具有智能、多功能、舒适、安全等优点，逐渐得到广泛应用，并成为未来家居发展的趋势。当前，指纹锁系统因其稳定性、可靠性、准确性得到越来越多人的重视，并在智能家居中得到广泛的应用。基于此，笔者对智能家居指纹锁系统展开了研究。
1 智能指纹锁系统功能需求
开门方式主要包含指纹开门，密码开门和钥匙开门(应急使用，会触发警报)。指纹开门需要杜绝假指模即需要活体识别，对真皮层、体温、血液流动都有着感应；密码开门需要具备防尾随功能，比如密码为12345678，那么在正确密码之后加入最多8位数字都可以打开门，比如增加至12345678等等，这样防止了密码被偷窥的情况。
指纹最多可以录入99枚，其中ID号为1～3的为管理员指纹，可用于授权指纹和密码操作，ID为1的指纹可以授权所有用户，ID为2、3的指纹可以授权除ID为1以外的所有用户；其他ID号为用户指纹，只能开门，不能添加、删除指纹。密码最多可以录入10组，位数为8位。
时间设置用于通过USB导出开门记录。
整个系统还带有语音导航功能，全智能语音提示操作系统帮助用户更方便的进行操作。例如添加或删除指纹、重设密码等，避免了用户的错误操作，老人小孩也能轻松操作；TOUCHPAD触摸屏技术，背光非机械式触摸面板，反应灵敏，触感极佳。简洁、流畅、硬朗的设计，彰显出锁具的高贵、典雅、安全、健康。
2 智能指纹锁系统硬件设计与实现
2.1 FPC1011F指纹传感器及其接口
FPC1011F是瑞典FINGERPRINT CARDS AB(简称FPC)公司推出的基于半导体硅电容效应的指纹传感器(目前国内大多数银行，航空公司等均已采用此款传感器)。其采取了独创的反射式测量法，就像回声原理一样，发出的声音越大，回声就越大，这就增强探测信号。保证取得稳定清晰的指纹图像，同时探测信号增强也带来了另一个好处，芯片表面的保护膜可以做得更厚(比同类厚10倍～25倍)，拥有更厚的保护层这就意味着有更强的耐磨性(＞100万次)和抗静电能力(大于15kV)。每个硅传感器等效于电容的一个极板，手指则是另一个极板，由于手指谷与脊离传感器阵列的距离不同，产生不同的电容值，经过运算放大电路，形成不同的电压值，通过内部的A/D转换，获得高质量的数字指纹图像。FPC1011F在指纹采集质量、耐用性等方面，均得到业内人士的肯定，因此，本系统也采用FPC1011F作为指纹传感器。FPC1011F采用4线制SPI接口，与FSC7002指纹识别芯片连接通信，接口电路如图1所示。.png)
图1 FPC1011F接口电路
2.2 FSC7002指纹处理芯片及其接口
FSC7002芯片是成都方程式公司为指纹USBKEY等应用领域推出的32bitRISC处理器内核的安全芯片。其内部集成指纹识别引擎，可以直接在芯片内部实现指纹身份认证。内嵌1Mbyte大容量FLASH，支持USB2.0协议的USB全速从控制器。芯片还集成了对称和非对称加解密硬核，可以硬件实现MD5算法、RSA算法。芯片支持多级基于硬件的保护机制，可以有效保护内部数据、代码的安全性。本系统利用FSC7002芯片来进行指纹处理，而整个系统的逻辑功能则主要通过MC9S08SH16CTL MCU来实现。FSC7002支持UART模式，可以与微控制器进行信息传送。FSC7002的基本配置电路与接口电路分别如图2。
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图2 FSC7002的基本配置电路
(1)UART_TD、UART_TD是与微MCU MC9S08SH16CTL进行通信的串口端口。
(2)SPI-MISO,SPI-RST#,SPI-MOSI,SPI-SCK是FSC7002与指纹传感器FPC1011进行通信的端口。
2.3 电容式触摸屏设计与实现
与传统的机械按键相比，电容式触摸感应按键不仅美观时尚，而且寿命长、功耗小、成本低、体积小、持久耐用。人的手指触碰后会改变其电容，从而通过检测触摸板的电容来确定是否有手指按下。其电容组成如下:
C=CB+ΔC (1)
其中固有寄生电容CB由PCB材质和结构决定，它主要由铜盘与地之间的电容和电路形成的，一般就制作完成的触摸板而言，该值是固定的。变化电容ΔC，主要指外界导体与PAD之间的寄生电容，通常也是检测这个电容值的改变。本系统采用ADPT012芯片来进行触摸按键管理。ADPT012是带自校正的容性触摸感应器，可以检测12个感应盘是否被触摸。它保持自动校正，无需外部干预。它的按键输出经过完全的消抖处理，采用多接口I2C串行接口/BCD码输出。所有按键共用一个灵敏度电容，可以通过选用不同的灵敏电容来改变触摸按键板的灵敏度。接口电路如图3所示。.png)
图3 ADPT012芯片接口电路
表1 触摸板电容结构常数(自上而下)
电介质 介电常数(/pF/m2) 厚度/mm PCB电极 电极 0 黑色橡胶 橡胶:2～3；硬橡胶:4.3 0.5 LED背光板 Plexiglass:2.8 2 白色普通橡胶 橡胶:2～3 1 键盘镂空字模 忽略 0 锁外观面板 Plexiglass:2.8 3 手指 电极 0
注:其中PCB电极面积为11mm×11mm。对于橡胶，在计算时取2.5pF/m2。
CDC是灵敏度设置电容，取值范围是15pF～100pF，电容值越小灵敏度越高。但灵敏度越高，容易受到噪声干扰，本系统中CDC电容选取为20pF。
经过查阅，当CDC取最小值15pF时，芯片可检测到的最小电容为0.2pF，即变化电容ΔC。
利用式(2)可以分别计算出每层介质的电容值:
(2)
式中:C为电容量；d为极板间极距；ε0为空介电常数(8.85pF/m2)；εr为极板间介质的相对介电常数；S为极板的有效面积。
表2 触摸板各介质电容值(自上而下)
电介质 电容值/pF PCB电极 — 黑色橡胶 橡胶:5.35425；硬橡胶:9.20931 LED背光板 Plexiglass:1.49919 白色普通橡胶 橡胶:2.677125 键盘镂空字模 — 锁外观面板 Plexiglass:0.99946 手指 —
各介质电容相当于串联构成变化电容，利用公式(3)可以计算出最终的变化电容ΔC
(3)
经过计算ΔC≈0.428pF≫ΔCmin，大于最小变化电容并有一定的余量。方案可行。
3 智能指纹锁系统软件设计与实现
3.1 MCU与FSC7002的通信协议
智能指纹锁系统中，FSC7002指纹识别芯片始终处于从属地位(Slave mode)，主机(Host)MCU需要通过不同的指令让模块完成各种功能。MCU可以通过UART串口协议与FSC7002通信，UART波特率为57.6kbit/s，数据格式:8bit数据位，2bit停止位，无校验位。
主机的指令、模块的应答以及数据交换都是按照规定格式的数据包来进行的。主机必须按照一定格式封装要发送的指令或数据，也必须按相应格式解析收到的数据包。
整个系统主要用了表3中的8个指令集。
表3 FSC7002指令集
指令名称 指令功能 指令码 PS_VfyPwd 验证口令 13H PS_GetImage 采集录入图像 01H PS_GenChar 特征生成 02H PS_RegModel 指纹合并特征生成模板 05H PS_StoreChar 储存模板 06H PS_Search 搜索指纹 04H PS_DeletChar 删除模板 0cH PS_Empty 清空指纹库 0dH
由于没有操作系统的支持，如果采用面向过程的方法，必然会引入大量的标志位，出现大量、多层的判断、转移语句，导致程序的可读性变差。有限状态机的灵活运用可以减少程序中的判断步骤，缩短程序执行时间，提高单片机处理的实时性。因此，对于指令的发送、解析、应答采用状态机的方式进行处理，这样可以减少标志位与多层判断。
3.2 TEA密码加密的软件设计与实现
如果将开锁密码采用直接存储的方式，存在从EEPROM中直接读取密码的风险。考虑到密码存储的安全性，本系统将密码通过TEA加密算法加密后，再存入EEPROM中。当需要密码验证时，则从EEPROM中提取出密码进行解密再进行比对。由于将密钥固化在code中烧写进单片机中，因此，其他人很难得知密钥，这样就大大提高了系统的安全性。
TEA算法采用扩散和混乱方法，对64bit的明文数据块，用128位密钥分组进行加密，产生64bit的密文数据块，其循环轮数可根据加密强度需要设定。
TEA加密算法过程:
(a)初始化:
待加密的数据分成2部分v(0)和v(1)，各32bits，y=v(0)，z=v(1)，Sum=0；
Delta=0X9E377989；
密钥128比特分成相等4部分:k(0)，k(1)，k(2)，k(3)
a=k(0)，b=k(1)，e=k(2)，d=k(3)，n=32；
(b)若n＞0则转第c)，否则转d)。
(c)Sum=Sum+Delta；
y=y+(z＜＜4)+a^z+Sum^(z＞＞5)+b；
z=z+(y＜＜4)+c^y+Sum^(y＞＞5)+d；
n=n—l，转第b)步。
(d)v(0)=y，v(1)=z，加密结束，密文在v(0)和v(1)中，共64位。同时，对对AES，RC5，TEA三种加密算法进行代码实现与性能比较(硬件平台: MC9S08SH16CTL)。
表4 AES，RC5，TEA加密算法性能比较
加密算法 RAM消耗 ROM消耗 加密时间/ms 解密时间/ms AES 894 3565 341.315 1162.173 RC5 326 4282 67.612 69.784 TEA 72 2549 69.414 69.483
注:其中加密时间，解密时间都是10次取平均值。
对表4中测试得到的数据进行分析:
(a)就资源(RAM、ROM)消耗而言，AES，RC5算法远大于TEA算法
(b)就时间(加密、解密)消耗而言，AES算法远高于RC5，TEA算法，RC5，TEA相差几个毫秒
考虑到本系统采用MC9S08SH16CTL单片机，1024字节的RAM，16K字节程序空间。选择TEA加密算法。与AES相比，不存在S盒的“陷门”问题，具有更好的安全性能。另外，无论是硬件实现还是软件实现，TEA都比AES、RC5更简单。因此，整个系统采用TEA算法对开锁密码进行加密处理。
3.3 低功耗的软件设计与实现
动态电源管理在降低嵌入式系统功耗发挥着不可替代的作用，属于操作系统级别的管理方式。动态电源管理的本质是一种电源管理的机制或策略，能够在系统运行时，动态地管理电源。本系统采用MC9S08SH16CTL作为MCU。MC9S08SH16CTL单片机可以运行3种省电模式以降低功耗，它们分别是:空闲模式，低速模式和掉电模式。正常工作模式下，MC9S08SH16CTL系列单片机的典型功耗是2mA～7mA，而掉电模式下的典型功耗是＜0.1μA，空闲模式下的典型功耗是＜1.3mA。因此，可以采用动态电源管理的方式减少整个系统的功耗。如果3s内无任何操作，则将MCU切换到掉电模式，并将外围电路稳压芯片的使能端设为低电平，停止供电(参见硬件部分的电源管理)，使整个系统处于休眠状态，从而大大降低了系统功耗。休眠模式可以通过外部中断进行唤醒。
其次，对程序进行适当优化，如:减少冗余代码，算法优化等等，来实现低功耗的软件设计。
4 测试
4.1 功能测试
对整个系统进行综合性的功能测试，完全可以达到前述智能指纹锁系统功能需求。可以准确的录入、删除指纹，识别指纹ID进行指纹开锁；也可以添加、删除开锁密码，利用密码开锁。每步操作都会有相应的语音提示，若长时间没有操作，会进入休眠状态。
4.2 功耗测试
电池:南孚AA1.5V无汞碱性电池，型号:LR6，数量:8(4节串联形成一组，两组并联)。
表5 初次测试结果 单位:mA
内容 电流 休眠 10.18 等待开锁或设置操作+背光 100 指纹识别+语音提示+电机动作+背光 300～330
表6 不同休眠模式的测试结果
情形 休眠电流/mA 待机时间 优化前 10.19 20.4d 优 化 后 空闲 模式 休眠60s以内 7.62 27.3d 休眠超过60s 6.75～6.85 30.6d 掉电 模式 休眠60s以内 1.4 0.4y 休眠超过60s 0.52 1.1y
注:以上电流均指电池干路输出电流，即电池放电电流。
待机时间理论分析:
表7 各模式理论工作时间
情形 平均值/mA 理论工作时间 休眠电流 (Istdby) 10 2500mAh×2/10mA≈20d 平均电流 (Iav) 200 2000mAh×2/200mA≈20h (每次操作平均2min) 峰值电流 (Imax) 330 1200mAh×2/330mA≈7 (开锁动作序列2×0.7s)
在软件设计过程中，休眠采用掉电模式，假设:每天开锁操作进行3次，功能设置进行3次，其余时间处于休眠状态。经过计算，8节(4节4节并联)理论工作时间达到0.42年。
5 结语
综上所述，当前人们对身份认证提出了更高的要求，生物识别技术作为一种准确、安全、可靠的认证方式，越来越受人们重视，而指纹识别技术作为当前生物识别技术中最为成熟的一个分支，在智能家居中得到了广泛的应用。本文设计了一个高性能、低成本、低功耗、识别速度快的智能家居指纹锁系统，该系统安全性高、可靠性强，对同类指纹锁系统设计具有重要的参考价值。
参考文献
[1]李根柱.一种新型指纹锁电路设计[J].电脑与信息技术.2014(02)
[2]陈邦,戴声奎,吴煌鹏.基于Z-Wave无线技术的指纹锁系统设计[J].微型机与应用.2014(06)
论文作者:叶耀安
论文发表刊物:《基层建设》2016年25期
论文发表时间:2017/2/22
标签：指纹论文; 电容论文; 系统论文; 密码论文; 指纹锁论文; 橡胶论文; 芯片论文; 《基层建设》2016年25期论文;