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摘要：在21世纪的今天，随着社会经济与科技的发展，家庭财产的安全越来越成为一个热门的话题。身份认证所需要的安全性、可靠性在日常生活中无处不在，如登录操作系统、到银行取钱、家庭保险柜等。传统的安全防护技术，主流的有机械锁、密码锁等，对于单纯的以指纹为密码的锁具存在着较大的安全风险，因为市场上存在了太多的可以采集指纹的工具（比如假指纹、指纹膜等），倘若将人的某个想法赋予指纹，使指纹成为携带了特定信息的加密工具，那么，若只是单纯的使用指纹而不能用指纹将特定信息表达出来，是无法实现解密的。这便提高了指纹密码锁具的安全性能。
关键词：指纹信息单片机密码锁
前言：随着现代电子技术的不断进步，目前市场上已经出现了各类电子密码锁，如磁控锁、声控锁、红外线锁、电子卡片锁、遥控锁等，这些锁具备传统机械锁无法比拟的高保密性能，
但其普遍还是需要一种“电子钥匙”实现开锁，且有的开锁方式识别成功率不高或受限于外界条件，为此本文提出一种基于指纹识别功能的密码锁来解决上述问题。
1指纹密码锁具的简述
1.1指纹密码锁具的基本功能结构
现在市场上的主流指纹密码锁具是选用单片机作为系统的核心部件，实现控制与输入、输出的处理功能。单片机依靠内部的随机存储器（RandomAccessMemory）和只读存储器（ReadOnlyMemory）及其引脚资源，外接液晶显示（LED），指纹、键盘输入设备等实现数据的处理传输和显示及开锁功能。
1.2指纹密码锁具的指纹识别原理
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很小部分，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。对于指纹密码锁具，使用者首先需要将指纹存储在单片机内，然后再进行指纹输入解密。
首先，通过指纹输入设备采集到人体指纹的图像，并对采集到的图像进行初步的处理，这样使指纹图像中蕴涵的特征信息更明显。然后，运用指纹特征提取算法建立指纹的数字表示特征数据，而且两枚不同的指纹绝对不会产生相同的特征数据。指纹纹路的分叉、终止或转弯处的坐标位置，也就是通常被专家称为“细节点”（minutiae）的数据点，同时拥有7种以上的唯一特征。有的算法把节点和方向信息组合产生了更多的数据，这些方向信息能够表明各个节点之间的关系，有的算法还可以处理整幅指纹图像。这些数据通常称为模板，保存为1k或者0.5k大小的记录。这就形成了之后进行指纹比对的参照，即相当于是用户设置的密码。在锁具的使用过程中，当用户需要解锁时，需要进行指纹输入，在输入指纹后，系统再次进行指纹图像处理产生相应的特征数据并传送到锁具的核心元件——单片机。接下来单片机便将接收到的数据与储存的模板数据进行比对，计算出它们之间的相似程度，最终得到两个指纹的匹配结果。
2指纹锁的工作流程
键盘用于指纹传感器开启的密码。当按对密码时，液晶显示屏显示OK，指纹传感器的仓门开启，露出指纹传感器和摄像头，指纹传感器被上电，进行指纹的识别，也可以按键K1（录入）和K3（确定）完成指纹的录入，录入指纹的同时，广角摄像头进行拍照，当指纹识别正确时，CPU输出脉冲信号给驱动电路，驱动电路给出开锁脉冲，驱动锁内电机或电磁线圈，锁被打开。同时广角摄像头会瞬间拍下你的图片，手机通过智能控制系统绑定门锁，手机就可以直接查看图片，再通过K2（删除）和K3（确定）完成指纹删除。如果连续三次输入错误的密码，液晶显示屏显示EER，报警电路发出声音报警同时摄像头进行录像锁定电路十分钟，在此期间指纹锁不接受密码的输入，十分钟后电路回复正常，如下图所示。
3Gabor滤波器的指纹图像增强设计对于指纹图像，局部区域的纹路分布具有较稳定的方向和频率，根据这些方向和频率数值，对局部区域指纹进行修正和滤波。具有良好的带通性和方向选择性。
2.1固定纹线频率滤波Gabor滤波不同人的指纹对同一指纹采集设备来说，指纹的脊线频率差别满足这个误差范围。因此，使用Gabor滤波时，使用固定的脊线频率，减少运算量，提高了效率。
滤波前滤波后
3系统硬件设计
系统的硬件主要包括六大部分，核心是基于STM32F103微控制器的指纹识别模块，外扩供电电路、按键电路、OLED显示器、伺服舵机控制电路构成整个指纹识别密码锁的硬件。整个系统的硬件组成结构框图如图2所示。
图1系统硬件组成结构框图
单片机及指纹识别模块以STM32F103处理器为核心，构建最小单片机系统电路，如图2所示，单片机最小系统由供电、时钟晶振、串行接口电路、按键接口电路组成。其中供电电路使用MIC5219-LG33稳压芯片将电池提供的3.7-5V直流电变换为3.3V，晶振接口OSC_IN接入8MHz晶振作为单片机的时钟参考。图3是各组成模块的接口电路，STM32F1单片机通过UART1串口P1接收指纹识别模块的识别结果信息。单片机通过GPIO_Reset、GPIO_KEY接口与按键连接组成按键电路，当系统需要进行初始复位和模式切换时可以启动硬件开关。OLED显示屏通过P2接口与单片机连接，用于显示目前指纹识别密码锁的工作状态，便于用户作出下一步操作。舵机通过P3接口与单片机连接组成开锁电路，当指纹模块检测到即时指纹与用户存储的指纹相匹配时，单片机程序控制执行机构舵机开锁电路做出开锁反应，完成一次完整的开锁操作。
图3各组成模块接口电路
图4是根据设计的电路图使用PCB设计软件AltiumDesigner完成设计的指纹锁核心控制电路板PCB设计图，PCB采用双层板设计结构使得整个核心控制电路板体积达到最优，整个核心控制电路板体积为49mm*49mm，符合指纹识别密码锁的体积要求。
图4指纹锁核心控制电路板设计图
机械结构采用带有滑轨的壳体固定所有的零部件，呈双层结构并通过铜柱固定于壳体，核心电路板安装于下层，指纹识别模块位于电路板上方，方便用户手指触摸并进行识别，开锁模块由弹簧和锁头滑块组成，滑块与皮筋位于壳体的导轨中，开始时弹簧处于拉伸状态，当指纹匹配成功，单片机程序控制执行舵机旋转，在固连弹簧的拉力作用下，锁头滑块沿导轨滑动完成开锁。壳体及锁头滑块通过微软自带3DBuilder建模软件进行建模并通过3D打印制作，质量轻且坚固耐用，壳体的三视图结构如图5所示。
图5指纹识别智能锁结构图
4系统软件设计
基于指纹识别的电子密码锁系统软件工作流程图，如下图6所示。当我们指纹输入正确时，才可以进行其他操作，比如修改指纹，删除指纹等等，而当我们输入指纹不对的情况下，会显示错误，具体流程如下：系统初始化系统，输入指纹，如果指纹输入错误，则会启动错误显示，当指纹输入正确后，开锁程序启动，舵机转动，然后系统返回开始状态，开锁后也可以修改指纹，启动指纹修改程序，当指纹修改完成后，即可返回初始状态。
图6指纹识别智能锁软件工作流程图
5结语
指纹作为人体独特的生物特征，具有唯一性，在门禁系统监控系统等安全性能要求越来越高的条件下显示了其独特的性能条件，通过单片机程序控制，可以根据所需自主控制锁的功能，还可以实现网路化管理，其外围可以扩展更多的功能电路，可以广泛的应用于社区，学校，酒店的管理，其市场将会越来越广阔。
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