具有远程开启功能的指纹应用系统设计

引言
    指纹识别是一种有效的身份识别技术。随着光电技术和半导体技术的发展，自动指纹识别技术越来越多地被应用到人们的日常生活之中。指纹锁和指纹保险箱是指纹识别应用中比较重要的产品。与指纹门禁不同，应用于锁具中的指纹系统一般采用电池供电，具有功耗低、体积小等特点。本文设计和实现了一个功耗低、人机界面良好的指纹识别应用系统，系统可以应用于门锁和保险箱。
    在实际生活中，经常碰到人在异地，但是需要别人进门或者取用保险箱里财物的情况。以前常用的做法是提前将钥匙借给别人或者临时告诉别人密码，这样的做法增加了安全隐患，一旦以后出了问题，谁也说不清。本文在基本指纹识别系统之上增加了一个可选的远程开启模块，用户可以通过手机进行远程开启操作，解决了上述问题。

1 系统硬件结构设计
1．1 系统功能设计
    根据背景需求和目标，整个应用系统可分为3部分：主控制模块、指纹处理模块和远程通信模块，它们的功能如下：指纹处理模块负责对指纹的采集、指纹图像的特征提取和存储，以及指纹特征的匹配；远程通信模块负责应用系统和远程通信设备之间的信息交换；主控制模块负责系统的人机交互、逻辑控制、功能管理，还负责对整个系统的电源管理分配。外围设备与机构，是指与指纹锁或者保险箱相关的电机、振动传感器等。主控制模块通过UART接口对指纹处理模块和远程通信模块进行控制操作。
1．2 主控制模块
    主控制模块选用MSP430F149作为主控芯片。MSP430F149是美国TI公司开发的一款16位RISC微控制器，它的低功耗特点能够满足我们的要求。主控制模块需要完成的功能有控制电源供电、按键输入、液晶显示、电压检测、电机驱动、时间信息芯片等。
    MSP430F149使用8 MHz晶振作为主工作频率，另外还有1个辅助晶振32768 Hz接在XIN和XOUT端，作为串口的波特率发生器产生源。
    系统选用台湾悠景公司的UG-2864HSWEG01作为显示屏。UG-2864HSWEG01是一款128×64像素的单色OLED显示屏，OLED拥有能耗低、体积轻薄、响应速度快等优点，十分适合电池系统。UG-2864HSWEG01面板显示有两种供电模式：外部供电和内部升压供电方式。当使用外部电源给面板供电时，需要9 V电源；使用内部DC／DC转换器时外部需要接3．5～4．2 V电源，实际使用时外部接3．3 V也能正常显示。考虑到本系统的实际情况，采用内部升压供电方式。UG-2864HSWEG01有多种方式与主控MCU通信，具体通过设置BS0、BS1和BS2引脚来选择。本系统中选用8080并行接口方式与MSP430F149通信，通过设置BS0=0、BS1=1、BS2=1来实现。
    本系统中的键盘由一个3x4的矩阵键盘和4个独立按键组成，分别是数字键“0”～“9”、“*”、“#”、“取消”、“向上”、“向下”、“确认”，由于MSP430F149只有P1口和P2口有端口中断源，因此将矩阵键盘的3个行信号和4个独立功能按键放置在P1口。
    系统选用的EEPROM为AT24C08，时间芯片为DS1302，两者均支持I2C总线协议。MSP430使用I／O模拟I2C总线协议与它通信。主控制模块使用MSP430F149的UART0与指纹处理模块通信，UART1与远程通信模块通信。
    为了延长系统电池的使用寿命，系统采用自动下电方式，在待机时直接隔断电源。使用了一个P沟道场效应管FDN336，其关断时DS漏电流为1μA左右，电源控制电路如图1所示。当键盘按键按下时，信号KEY_wakeup将接地拉低，此时，由于电阻的分压作用，场效应管GS两极的电压约为-5～-4．5 V，场效应管导通，系统上电。系统上电后，MSP430F149立即将信号POWER_EN置高，三极管9013接通，系统维持上电。MSP 430F149处理完相关操作后，将信号POWER_EN置低，三极管阻断，场效应管GS两极的电压为0，FDN336截止，系统自动下电。

1．3 指纹识别模块
    指纹识别模块选择FSC7002作为指纹识别处理芯片。FSC7002是成都方程式电子有限公司开发的专用指纹识别芯片，内含一个8位FMCU8KB嵌入式微控制器以及FID116KMG指纹识别处理模块，并且兼容多种指纹传感器。FSC7002内置微控制器与8051系列兼容，易于开发，通过UART可方便地对其进行指令控制。
    综合成本因素，本系统选用现成的基于FSC7002的指纹识别模块BLH9003D。它是一种一体化的光学指纹处理模块，它将光学传感器和指纹处理器集成在一起，使得指纹识别模块的体积、成本和开发成本都大大降低。BLH9003D内置感应芯片，对手指的按捺可进行自动识别，并将识别结果通过信号通知控制方，当无手指按捺时输出低电平，有手指按捺时输出高电平。
1．4 远程通信模块
    远程通信模块采用华为公司的MG323作为GSM的收发模块。MG323模块是华为公司推出的一款工业级的GSM／GPRS模块，电源电压3．3～4．8 V(推荐值3．8 V)，平均待机电流47μA。MG323提供一个UART接口和标准SIM卡接口，短消息模式支持TEXT和PDU。MG323不仅支持GSM协议，还支持GPRS协议，并且内置TCP／IP协议栈，为将来进一步开发提供了空间。MG323的接口电路如图2所示，MG323的UART口定义是针对MCU而言的，故而它与MSP430的连接不用交叉。MG323必须采用额外的电池供电，主控系统通过GSM_EN信号来控制远程通信模块的电源通断。

2 系统软件设计
2．1 系统软件层次结构
    MSP430F149内置2 KB内存，不太适合使用操作系统，因此本系统在软件设计上采用前后台系统和状态机相结合的方式。在整体上，系统软件分为硬件驱动层，功能函数层和应用程序层，如图3所示。

2．2 主应用程序
    主应用程序完成指纹锁具的所有功能，图4表示的是主应用程序流程的示意图。当系统启动时，首先进行一系列的初始化，然后根据系统设置选择默认的开启方式，之后根据按键的不同，或切换开启方式，或进入管理模式，或进入远程开启模式。

    系统分为密码开启和指纹密码开启两种方式，密码开启只允许密码开启，指纹密码开启既可以用指纹开启也可以用密码开启。之所以分2种开启方式，是因为密码开启方式十分省电，实际使用中可能有的用户为了省电而使用这种方式。用户使用管理功能来维护锁具，包括系统信息的设置，用户信息的建立、删除和修改，远程开启和报警功能的设置等。管理功能使用菜单来进行人机交互，只有管理员才能使用管理功能。
2．3 用户信息结构
    用户数据信息存储的是用户的具体信息，包括用户名字、用户对应的指纹ID、开启密码、用户创建时间以及用户属性，总共长度为24个字节。用户创建时间表示用户创建的具体时间或者用户最近的修改时间，采用BCD码用7个字节表示，分别是秒、分、时、日、月、星期、年具体格式和DS1302对外输出的格式相同。用户属性property使用1个字节记录了用户的权限级别、用户的有效期和用户默认验证方式。系统通过用户创建时间和用户有效期判断用户是否到期失效。用户数据的结构定义如下：
   

2．4 指纹模块通信协议
    控制模块和指纹处理器FSC7002通过UART接口通信，它们之间的通信遵循一定的协议。FSC7002提供了一个标准通信协议，本文直接采用了这个协议。上位机(MSP430F49)向下位机(FSC7002)发送的指令，采用指令包的形式进行。指令包的长度为8字节，其格式如下所示。

    下位机收到指令包后，将有关指令执行情况与结果采用应答包的形式上报给上位机。下位机只对符合自身地址码的指令包做出应答，其他地址的指令包不会给予应答；对于不符合协议要求的指令码，下位机也不会应答。应答包的长度是不定的，应答包将返回它应答的指令码，以及此指令码的执行结果代码，还会返回一些必要的参数。应答包的格式如下所示。

    控制模块(上位机)和指纹处理模块(下位机)不停地通过指令包和应答包的传送，完成一系列的功能任务。

3 远程报警和开启
3．1 远程报警
    远程报警是指当传感器检测到侵入或者输入报警密码时，系统向预先设置的手机号码发送报警信息。所谓报警密码是指预先设置的一组密码，使用这组密码同样也能开启锁具，但是在开启的同时，它将启动远程通信模块，并向远程手机发送报警的信息。报警密码主要用在被挟持开锁的情况下，既能保证人身安全，又能有一定的反制措施。
3．2 远程开启
    远程开启是指使用手机发送开机指令，在远距离情况下开启门锁或者保险箱。远程开启功能的一大安全漏洞是使用GSM短信方式并不安全，因此本系统中对传输的数据进行了安全加密，使得安全性大大提升，加密算法使用256位DES加密。
    远程开启功能包括锁具部分和用户手机部分，两部分必须相互配合才能完成预期目标。锁具部分在前述章节建立的基础上开发完成，用户手机部分使用Android平台作为开发对象。远程开启功能包括注册流程和远程开启流程，分别如图5和图6所示。

    由于MSP430F149没有随机数生成器，因此使用内部的计时器，对用户按键间隔计时，使用这个间隔时间作为随机数种子。
3．3 基于Android的远程开启程序设计
    本文基于Android平台，针对指纹锁远程开启的应用需求，采用DES算法加密通信数据，设计了符合安全要求的指纹锁手机端软件。
    手机端软件主要实现3个功能：远程开启、注册、删除。软件的总体结构如图7所示。

    注册：手机端软件接收锁体短信，将锁体名称、密钥和短信来源号码保存到数据库。
    开启：获取用户输入的随机数和密码，用随机数和保存的密钥对密码进行加密，发送到指纹锁对应的号码。
    删除：手机端软件删除对应锁体的信息，包括保存的密钥。
    软件中涉及短信接收和短信发送，必须在项目配置文件中添加SEND_SMS和RECEIVE_SMS权限。
    接收系统广播，需要向系统申请广播接收者权限。申请的方式有静态和动态两种。静态方式在软件的项目配置文件声明即可。静态方式下，软件在整个运行过程中都将响应系统广播。动态方式是在需要的时候使用registerReceivei方法向系统申请权限，在结束的时候使用unregisterReceiver方法注销即可，本文中采用动态方式。接收到短信的系统广播为android．provider．Telephony．SMSRECEIVED，用它生成过滤器IntentFilter类，即可使软件只对该广播进行响应。
    发送短信功能通过短信服务SmsManager类实现。该类中sendTextMessage方法即可控制手机硬件，实现短信的发送。

结语
    本文设计的指纹识别和控制系统(不包括远程通信模块)使用4节1．5 V干电池串联供电。经测试，在使用指纹按捺感应启动功能的前提下，待机功耗为10．4μA，密码识别过程功耗为8．9 mA，指纹识别过程功耗为131．2mA。系统主要功耗指标已达到商业水平，具有较高的实
用价值。