基于ATmega162的指紋識別電子機(jī)械鎖設(shè)計

　　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。

　　指紋圖像預(yù)處理是最重要的一步，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(qiáng)，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(jìn)行修正和濾噪。Gabor函數(shù)是惟一能達(dá)到時頻測不準(zhǔn)關(guān)系下界的函數(shù)，二維表達(dá)式為：

　　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(qiáng)目標(biāo)物體，而奇Gabor函數(shù)適于增強(qiáng)物體邊緣。

　　Gabor濾波器系數(shù)分量為：

　　式中：x=mcosφ+nsinφ;y=-msinφ+ncosφ;(i，j)為當(dāng)前點的坐標(biāo)，φ為當(dāng)前點(塊)的方向，f為當(dāng)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(biāo)(i，j)取值范圍相同。σx，σy增大，對噪聲的適應(yīng)能力增強(qiáng)，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(dāng)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(qiáng)，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(jìn)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：

　　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(jìn)行系統(tǒng)初始化，然后進(jìn)入正常工作狀態(tài)，如圖6所示。

　　轉(zhuǎn)動機(jī)械鎖上的金屬轉(zhuǎn)接口會改變單片機(jī)ATmega162的P4.5的狀態(tài)。開啟金屬轉(zhuǎn)接口，單片機(jī)ATmega162處理來自機(jī)械鎖發(fā)送的信息;關(guān)閉金屬轉(zhuǎn)接口，單片機(jī)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(jī)械鎖進(jìn)行匹配，只接收來自指定的機(jī)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(jī)械鎖兩個部分的前提，初次安裝電子機(jī)械鎖必須進(jìn)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(jìn)入匹配中斷如圖7所示。

　　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。

　　多特征電子機(jī)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(dāng)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(jìn)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(jìn)行可靠性測試實驗。

　　用示波器精確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(xì)計算延時函數(shù)，確保時間的準(zhǔn)確性。在實際調(diào)試過程中，進(jìn)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(dá)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(jī)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(jī)ATmega162為核心，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(jī)械鎖部分。多特征電子機(jī)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(qiáng)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。