学生公寓指纹开启式智能门锁及其管理系统_范利良_陈德传

分 为 C觹R 个 子 图 ，并 得 到 每 个 子 图 的 起 始 坐 标 f（Xs，Ys）和 终 止 坐标 f（Xe，Ye）后，对每个子图采用 OTSU 算法进行阈值计算，同
时算出其均值和方差，若方差较大说明子图含有边界信息，此时
进行二值化分割， 若方差较小， 则通过均值判断是前景还是背
景，图 4a、图 4b 分别为分割、二值化后的图。 对于图像增强，本
（2）
7×7
为了满足 7觹7 掩膜能处理图像边缘像素， 对图像边缘进行
填充，图 4c 为增强后的图。 图像细化是将指纹纹线边缘像素删
除，只留下一个像素宽度，本文通过构建 8 个消除模板和 6 个保
留模板实现图像的细化处理［1］，如图 4d 所示。 指纹特征提取是
获取纹路分叉、打圈处等具有唯一性特征的“节点”数据，通过对
指纹识别是把现场采集到的指纹同指纹特征库中的指纹逐 一对比，从中找出与现场指纹相匹配的指纹，其识别过程为：读 取指纹图像、指纹预处理、指纹特征提取和比对。 图 1 为一幅指 纹原图，通 过 VC6．0 平 台 实 现 指 纹 的 预 处 理 算 法 。 读 取 原 图 灰 度 图 的 高 为 bmpHeight,宽 为 bmpWidth，像 素 的 灰 度 级 数 据 起 始地址为 pBmpBuf。 在内存中，觹（pBmpBuf）存放第一个像素的 灰度级数据，对 应 二 维 数 组 中 的 f（0，0）元 素 ；觹（pBmpBuf＋bmpHeight觹bmpWidth－1）存 放 最 后 一 个 像 素 的 灰 度 级 数 据 ，对 应 二维数组中的 f（bmpHeight－1，bmpWidth－1）元 素 。 故 二 维 数 组 中 第 x 行 第 y 列 元 素 f（x，y）对 应 内 存 地 址 为 觹 （pBmpBuf＋ x觹bmpWidth ＋y）， 其 中 x ∈［0，bmpHeight －1］，y ∈［0，bmpWidth－1］，如图 2 所示。 本文指纹预处理包括指纹分割、图像二 值化、图像增强、图像细化等步骤。 对于前两步本文采用 OTSU 算法［4］，如图 3 所示，其主要根据公式（1）：
人机界面以 LCD 液晶屏与若干只按键为主，可以实时显示 时钟、电池电量，扫描指纹成功时会显示用户姓名，画面效果好、 抗干扰能力强。 3．2 指纹锁的控制电路方案
图 5 为指纹锁的控制电路组成框图， 利用三星公司 ARM9 内 核 S3C2440 为 控 制 器 ，其 外 围 配 置 有 指 纹 采 集 模 块 、摄 像 头 模块、电机驱动模块、电源模块、通信模块、存储模块及人机界面 等环节。 其中，图像采集模块以 FPS200 为主，通过 USB 口与控 制器通信； 摄像头采用飞利浦公司的视频解码专用芯片 SAA7113H 控制器进行数据传递与监控； 直流电机由驱动电路 控制其正、反转，该驱动电路以驱动芯片 LM298 为主设计而成， 锁舌的左、右限位开关是为了限制锁舌行程与保护电机；而通信 模块基于 TCP ／ IP 协议， 通过网络控制芯片 DM9000 扩展网络 接 口 连 接 至 门 锁 管 理 系 统 ，以 实 现 联 网 管 理 ；利 用 S3C2440 本 身内置的 A ／ D 转换器，对电池进行监测以判断电池余量，并通 过人机界面显示。 报警模块的作用是：当出现非法入门、连续几 次（可设）输入指纹失败时，输出逻辑电平的报警信号及通过蜂 鸣器报警。
图 2 灰度图坐标映射示意图
图 3 子图划分示意图
2
g＝w1 w2 （μ1 －μ2 ）
（1）
其中 w1 为前景的像素点数占整幅图像的比例，μ1 为前景的
平 均 灰 度 ，w2 为 背 景 像 素 点 数 占 整 幅 图 像 的 比 例 ，μ2 为 背 景 的 平均灰度，μ 为图像的总平均灰度 ，g 为类间方差 。 若将图像划
指纹门锁及其管理系统，使得指纹式门锁可灵活配置、重复 利用，特别适于在学生公寓中使用，这也符合智慧城市、智慧校 园的建设目标，具有重要的技术、经济与社会效益。 1 指纹门锁的组成与功能
Galton 最早估计了指纹的唯一性， 两枚指纹之间完全相同 概率小于 1．45×10－11［2］，指纹门锁正是依此特性设计而成 。 其使 用的方便性、开启方式的多样性和安全性以及智能管理功能，正 越来越受到人们的关注与重视［3］。 本文的指纹 门锁系统主要由指纹识别及人机界面模块、微 控制器、锁舌执行机构、报警模块、电源管理模 块、锁体等组成。 相应地，该门锁系统除了有指 纹识别开锁功能外， 还具有报警功能、 网络功 能、视频监控功能等，其中的网络功能也大幅提 图 1 指纹原图 升了门锁管理水平。 2 指纹门锁的识别原理
参考文献 ［1］马文科．基于 ARM 的指纹 识 别 门 禁 系 统 的 设 计 与 实 现 ［D］．长 沙 ：湖
南 大 学 ，2009 ［2］Bozhao Tan, Stephanie Schuckers．Spoofing protection for fin-
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Abstract Based on the problems of replacing locks frequently in students＇ apartment,which results in great waste of money,plus poor security,large amount of maintenance,unable monitoring,a scheme the fingerprint door locks replace the traditional mechanical locks is proposed in this paper．The composition scheme of functions,structures,working principle,fingerprint identification method,technology realization of the fingerprint door lock and the intelligent door lock management system is introduced．The fingerprint lock scheme of students＇ apartment proposed by this paper conforms to the goal of smart city and smart campus＇s building． Keywords:fingerprint lock,intelligent door lock,electronic lock,electronic lock management system,smart campus
如图 7 所示， 通过指纹门锁管理系统可以对进住公寓的学 生有效提取指纹，以建档保存信息，统一管理。
图 7 指纹提取流程图 上述设计的指纹门锁系统， 利用以太网完成数据采集、传 递、管理，实现对电子门锁的网络控制和远程控制。 首先，管理系 统可以对指纹进行授权和撤销，解决了频繁更换门锁的问题；其 次，对出入记录进行查询，包括查询进出人员的基本信息（姓名、 专业等）和进出时间、地点等；最后，可以对非法侵入、低电量等 予以报警，起到更好、更有效的管理作用。
摘要 针对学生公寓存在的频繁更换门锁造成大量资金浪费，以及安全性差、维护量大、无法监控等问题，提出在学生公寓中 以指纹门锁取代现有机械门锁的“换锁”方案，进而介绍了指纹门锁的功能、组成结构与工作原理、指纹识别方法、技术实现 以及智能门锁管理系统的组成方案等。 提出的学生公寓指纹锁方案，符合智慧城市、智慧校园的建设目标。 关键词：指纹锁，智能门锁，电子锁，电子锁管理系统，智慧校园
文采用均值滤波［5］的方法。 若采用 3*3 掩膜均值滤波，则 滤 波
《工业控制计算机》2015 年第 28 卷第 2 期
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后中心像素点的取值为该 3*3 模板内 9 个像素点的平均值。本
文采用 7觹7 均值滤波，则 g（x，y）的s，y＋t）
g（x，y）＝ s＝－3 t＝－3
时间是控制在休眠模式，以等待外来中断的唤醒，增加电池的使 用寿命。
图 6 供电电路 4 学生公寓的指纹门锁管理系统
对电子门锁科学化管理，可节约大量资金并提高安全性。 所 谓电子门锁管理系统， 就是一种门锁使用授权与撤销以及日常 管理的数字化智能管理系统。 本文将管理系统应用于门锁，通过 控制器传来的信息进行处理分析， 进而有效监视并控制门的开 与关，确保授权人员自由出入 ，并 对 出 入 人 员 的 ID、出 入 时 间 与 门位置进行登记存储，实现对门锁的有效管理。
比模板计算出相似程度，决定开门与否。
图 4 指纹预处理 3 指纹门锁的技术实现 3．1 指纹识别芯片及电子门锁人机界面方案
指纹采集仪的核心为指纹传感器芯片， 而半导体指纹传感 器图像质量好、尺寸小、设备集成容易。 本文选用 Veridicom 公 司开发的 FPS200 半导体指纹采集仪，其表面坚固耐用，可 防 止 各 种 物 质 对 芯 片 的 划 伤 、腐 蚀 、磨 损 等 ，并 且 采 用 CMOS 技 术 ， 分辨率可达 500DPI。
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