基于ATmega162的指紋識別電子機械鎖設計

　　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。

　　指紋圖像預處理是最重要的一步，關系到后面提取的特征點的正確與否。

　　由于指紋采集設備的不完善性，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，是指紋圖像預處理中重要的一步，采用Gabor濾波完成。根據指紋圖像局部區域的紋線分布具有較穩定的方向和頻率，設計相應的Gabor帶通濾波器，能有效地在局部區域對指紋進行修正和濾噪。Gabor函數是惟一能達到時頻測不準關系下界的函數，二維表達式為：

　　Gabor函數是二維高斯函數在空間頻率域的平移函數，σx，σy為對應于x方向和y方向的角頻率平移參數。二維Gabor函數的實部和虛部可各自表示為一個函數，分別稱為偶Gahor和奇Gabor函數。偶Gahor函數適于增強目標物體，而奇Gabor函數適于增強物體邊緣。

　　Gabor濾波器系數分量為：

　　式中：x=mcosφ+nsinφ;y=-msinφ+ncosφ;(i，j)為當前點的坐標，φ為當前點(塊)的方向，f為當前塊(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(i，j)取值范圍相同。σx，σy增大，對噪聲的適應能力增強，但有可能會產生偽紋線;減小，消除噪聲的作用減弱。

　　對于每一點，根據其方向、頻率，求出Gabor濾波器系數，然后根據式(3)計算當前點濾波后的值：

　　從圖5可很明顯地看出，經過Gabor濾波處理后，圖像對比增強，紋理清晰，特征明顯，提高了后續提取指紋特征點的正確率。

　　2.2 指紋識別模塊的通信協議

　　指紋識別模塊作為從設備，通過串口，由主芯片ATmega162發送相關命令對其進行控制。

　　命令接口：19200b/s 1起始位1停止位(無校驗位)。

　　主芯片發送的命令及指紋模塊的應答數據長度為8 B，數據格式如下：

　　CMD：命令/應答類型;P1.P2，P3：命令參數;Q1，Q2，Q3：應答參數;CHK：校驗和，為第2字節到第6字節的異或值;Q3用于返回操作的有效性信息，表示操作是否成功，數據是否存在，采集指紋超時等。

　　3 程序設計

　　系統從睡眠狀態啟動時，首先進行系統初始化，然后進入正常工作狀態，如圖6所示。

　　轉動機械鎖上的金屬轉接口會改變單片機ATmega162的P4.5的狀態。開啟金屬轉接口，單片機ATmega162處理來自機械鎖發送的信息;關閉金屬轉接口，單片機ATmega162處理來自電子鎖上指紋識別模塊或鍵盤的信息。

　　系統還開啟了兩個中斷：設置中斷和匹配中斷。匹配中斷就是電子鎖和指定的機械鎖進行匹配，只接收來自指定的機械鎖發出的信息;設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械鎖兩個部分的前提，初次安裝電子機械鎖必須進行匹配中斷。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，通過按下控制系統模塊上的匹配鍵，進入匹配中斷如圖7所示。

　　3.2 設置中斷

　　設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行指紋和密碼的添加和刪除，給用戶帶來了方便。

　　4 實驗結果與分析

　　超外差發送和接收模塊之間的通信，由于外界噪聲和系統本身的影響，不是每次都能接收到如圖3的信息，可能會出現通信錯誤的情況，為此進行可靠性測試實驗。

　　用示波器精確測量超外差接收模塊上的波形的時序，調整代碼，使偵測點落在高電平的中間;仔細計算延時函數，確保時間的準確性。在實際調試過程中，進行了5組的實驗，每組的測試條件都不同，如溫度、環境噪聲等，每組測試100次，共計500次的測試，只出現了2次沒有正確識別鑰匙的情況，可靠性達到99.6%，具有實際應用價值。

　　5 結語

　　本文設計的電子機械鎖，巧妙利用超外差發送和接收模塊，把兩個相對獨立的部分鏈接起來。整個系統以單片機ATmega162為核心，直接控制指紋識別模塊和鍵盤，并通過超外差發送和接收模塊，間接控制機械鎖部分。多特征電子機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。該鎖功能強大，給用戶帶來了方便和快捷的同時，安全性也得到大大提高。