基于MSP43D的智能化指纹车锁系统的设计与实现

冯峰　许可　张志强　刘志刚

摘要：以一种MSP430为核心处理器的低成本、智能化的指纹自行车锁系统。该系统解决传统自行车锁存在着的操作不便，安全性欠佳等问题所设计的。借用智能手机上的指纹识别模块来担负指纹采集、对比、搜索等功能，选用HC05蓝牙通讯模块为指纹锁与手机建立可靠连接。与此同时，本文提出了密码指纹并行解锁方案与蜂鸣器自动报警方案。最后，在电路设计与软件方面进行了的低功耗设计。实际测试结果表明，本智能化指纹车锁系统使用便捷，可行性高。

关键词：智能化指纹车锁系

；MSP430；HC05；密码指纹并行解锁方案；自动报警机制

指纹锁凭借着其唯一、不可复制、方便、安全等特征成为了目前所有锁具中最具有前景的锁种。指纹锁是古典锁具五金技术与现代计算机控制技术、电子技术、机械技术的结晶。但是当前市场上指纹锁的应用却主要局限于手机与门锁，罕见应用指纹的自行车锁。究其原因是由于指纹车锁的成本居高不下。然而人们对于便捷性需求愈发强烈，于是我们设计了此种低成本智能化的指纹车锁。本智能化指纹车锁系统主要的创新点：1）将现有智能手机的指纹解锁功能与传统机械锁体相结合，节约了成本。2）有自动报警机制，锁身内置陀螺仪，当锁头受到外力强拆时可以触发蜂鸣器及时预警，安全系数高；3）以软硬件相结合的方式来降低系统功耗，使之持久续航。

1.智能化指纹车锁系统的基本构成及其功能介绍

智能化指纹车锁系统，包括有指纹解锁功能的移动终端部分和机械锁体部分。移动终端通过无线蓝牙的方式与机械锁体连接。机械锁体包括无线开关锁部分和报警部分。无线开关锁部分包括MCU、舵机、锁芯活塞、蓝牙模块和LED灯。报警部分则包括三轴加速度电子陀螺仪、蜂鸣器、MCU、舵机和蓝牙模块。三轴加速度电子陀螺仪和蜂鸣器设置于车锁本体内部。LED灯设置于车锁本体表面，锁芯活塞设置于车锁本体的一侧，舵机通过齿轮与锁芯活塞相咬合。

本系统具有指纹开关锁功能、密码开关锁功能以及自动报警功能。具体操作步骤如下：步骤J、通过移动终端进行用户指纹录入：打开手机APP，点击“设置”进行指纹录入，此时LED灯亮黄灯，示意正在录入，当手机提示录入成功时，LED灯亮绿灯；步骤2、解锁时，通过移动终端输入密码或指纹进行比对识别，若成功，则通过蓝牙模块发送指令至MCU，MCU根据指令控制带齿轮的舵机进行转动，实现解锁；如果比对失败，手机将会发送给蓝牙模块一个指令，MCU接收指令并根据指令控制LED灯亮红灯，舵机保持不变，呈闭锁状态。步骤3、关锁时，移动终端通过蓝牙模块发送指令至MCU，MCU根据指令控制带齿轮的舵机进行转动，实现关锁；步骤4、当处于关锁状态并受到外力产生振动时，三轴加速度电子陀螺仪发送信号至MCU，MCU控制蜂鸣器和LED灯进行报警。整个系统外观上还带配备有操作流程图，提示用户更方便地进行操作，一定程度上避免用户的错误操作。

2.智能化指纹车锁系统硬件设计与实现

2.1部件组成

系统由MSP-EXP430F5529，舵机，锁芯活塞，蓝牙模块，LED灯，MPU6000三轴加速度电子陀螺仪、蜂鸣器、输入、输出端、供电部件等部件组成。

2.2硬件设计

为满足智能化指纹车锁智能程度高、高性能、低功耗的需要，选用了德州仪器所生产MSP430系列超低功耗微控制器。MSP-EXP430F5529混合信号微控制器包含多种器件，特有面向多种应用的不同外设集。这种架构与5种低功耗模式相组合，专为延长电池使用寿命而优化。MSP-EXP430F5529具有一个10位模数（AID）转换器。配合外围电路的设计，采用该器件可以使系统的电路结构、体积和成本极大改善。HC-05嵌入式蓝牙串口通信模块具有两种工作模式：命令响应工作模式和自动连接工作模式。当模块处于自动连接工作模式时，将自动根据事先设定的方式连接的数据传输；当模块处于命令响应工作模式时能执行下述所有AT命令，用户可向模块发送各种AT指令，为模块设定控制参数或发布控制命令。通过控制模块外部引脚（P1011）输入电平，可以实现模块工作状态的动态转换。HC-05在蓝牙通讯质量、耐用性等方面，均得到业内人士的肯定。因此，本系统也采用HC-05作为蓝牙通讯模块。在实际使用过程中此串口模块主要用到的引脚有以下几个：P108、P109连接LED共同指示模块工作状态；P1011模块状态切换脚，高电平->AT命令响应工作状态，低电平或悬空->蓝牙常规工作状态。HC-05蓝牙串口通信模块与MSP-EXP430F5529MCU连接通信，外部接线电路如图1所示。

2.3基于MPU6000电子陀螺仪的自动报警系统设计与实现

当锁关闭状态时，陀螺仪开关打开，进行工作状态，当受到外力产生振动时，陀螺仪将识别振动，并通过MCU控制蜂鸣器发出报警。当锁开启状态时，陀螺仪开关关闭。MPU6000：选用MPU-6000。MPU6000是世界上首个六轴MEMS惯性运动测量组件，功耗低、成本低、性能高。采用超小封装结构，极大地满足了智能化指纹锁系统的空间需求。在12C端口可以以单一数据流的形式，向应用端输出完整的9轴融合演算技术。并且它可以通过MPU6000获取所有的传感器数据而不需要系统主控干预。报警单元：包括一个微型的蜂鸣器。蜂鸣器体积为5 mm×6 mm×1.8 mm，驱动电压为3.0V，驱动电流为100 mA，振荡频率为4000Hz，在10cm处的声压级（SPL）为70dB/min。

3.智能化指纹锁系统软件设计与实现

3.1智能手机系统软件

为建立手机与智能化指纹锁的联系，并以此为媒介将手机内置指纹识别算法应用于车锁，赋予车锁等同于手机的安全性。软件用java语言编写，识别算法为“感知哈希算法”。程序分为3个模块：指纹录入模块，指纹识别模块，关锁模块。管理员通过点击“设置”录人指纹信息，在指纹信息成功录入后，存入相应的数据库，为指纹信息识别做好前期准备。验证过程时用户轻按指纹识别模块进行指纹对比，如果指纹和数据库中的指纹模板相匹配将发送蓝牙信号开锁，并将记录写入日志文件。选用的OpenGL ES由0penGL裁剪得到。对于界面视频效果，采用OpenGLEs 2.0中的贴图技术，以实现2D视频显示聊。

3.2机械锁身信号接收方式

智能化指纹锁系统的信号交互方式为蓝牙通讯，使用HC05蓝牙通讯模块。其基本原理是在机械锁身中内置有芯片，芯片内植入预先选定算法的软件。当手机接收到指纹信息时，发送蓝牙信号。HC05根据接收到的信号进行分析是否为有效数据帧信号。当且仅当识别到的信号为有效信号时才执行相应的解锁动作。

4.结果与测试

根据上述理论与设计，进行了综合测试。测试结果表明，基本达到了所需要的功能要求。实际测试中：手机上的指纹识别模块与锁具上的蓝牙模块通讯稳定，在手机上基本可以实现录入、删除、匹配指紋的功能。经过500次的开关锁实验，仅仅有3次出现了信号丢失、延时开锁的状况，就目前来说基本达到了使用要求。为此我们将继续优化实验方案，使该系统将来有机会得到更好的应用。

5.结束语

目前市面上的指纹识别的自行车解锁装置种类极少、其潜在的市场尚未打开，处在一个即将爆发的瓶颈期。上文所述智能化指纹车锁系统经过功能测试表明其具有成本低、安全性高，可自动报警、等特点。可以说该系统实用性强，是目前人们非常渴望的一种小型智能化设备。