基于指纹识别的无人机指令控制仪

刘鼎 康晟祥

【摘要】：主要探讨设计了一个不用打卡、插卡，只需用手指轻轻一按就能完成的无人机指令控制仪系统。这样，可以在无人机操作演练中杜绝进行重要和危险指令时产生的意外误操作。本无人机指令控制仪系统的结构由：指纹识别模块、单片机控制器、PC显示三部分组成。本系统采用了STC89C51单片机作为该指令控制仪系统的核心部件，与单片机相连接的指纹识别模块内部集成了指纹识别采集头，可以快速准确的采集指纹信息。指纹模块将采集的指纹特征值，送单片机进行处理，通过与存储器内已有的信息特征进行比对，确定是哪一枚指纹信息，从而确定是哪位操作员进行操作，并把指令操作记录存储下来。同时方便单片机通过串口能把操作记录上传给计算机。这样，装备管理人员就很清楚知道当天操作的情况了。该系统由于使用方便，价格合理，维护费用少，在实际的操作中，相比其他种类指令控制仪有更大的优点，使它得有广泛的应用，因而，具有良好的应用前景和推广价值。

【关键词】：无人机 单片机 指令控制仪 指纹识别模块

“T—18”无人机在国庆阅兵中的亮相表明无人机在我国的使用越来越受到重视。在近几年内将有不同型号的无人机在炮兵、空军、海军、二炮被使用。同其他军事装备一样，无人机的维修、保养、操作演练需要有相应保障，同时无人机与其武器系统相比有着不同的使用要求，有许多新的特点，如何进行培训、维修、操作演练，最大限度地发挥武器系统的作战潜能，这些问题都是亟待解决的。

由于无人机组成复杂，高新科技含量多，涉及十几个学科专业领域。按照功能分，全系统一般由飞行器系统、地面站测控系统、信息处理系统和地面保障、维修系统等几大部分组成。所以无人机演练操作时一般分为飞行器系统操作、动力装置系统操作、发射回收系统操作、飞行器航电设备操作、无线电数据链系统操作、地面控制导航系统操作、地面接收系统操作、信息处理系统操作、地面电源及保障车辆维操作以及火工品的检查操作等主要方面。于是，在种类繁多的各种操作中，人为的直接操作很难避免产生误操作。在这里面尤其是涉及到一些重要操作、危险操作时，一旦由于非相关操作人员进行误操作就很有可能带来机毁人亡的悲剧。为了确保这些重要、危险指令必须由专门操作手完成，而避免其他非专门操作手误操作，我们该如何呢？

有问题出现就有解决问题的对策，基于指纹识别的指令控制仪的出现就是针对确保无人机操作时一些重要、危险指令正确进行而设计的。其原理是依据生物指纹识别技术，通过与数据库里面的指纹样品备份进行比较，来分析是不是专门操作手的指纹，进行提取、比对、验证通过，最后最后发出正确可靠地指令确保装备演练时的安全。目前这种技术的应用已经非常成熟。

指纹识别系统通过特殊的光电转换设备和计算机图像处理技术，对活体指纹进行采集、分析和比对，可以迅速、准确地鉴别出个人身份。系统一般主要包括对指纹图像采集、指纹图像处理、特征提取、特征值的比对与匹配等过程。现代电子集成制造技术使得指纹图像读取和处理设备小型化，而优秀的指纹处理和比对算法保证了识别结果的准确性。 指纹自动识别技术正在从科幻小说和好莱坞电影中走入我们实际生活中，也许有一天，您不必随身携带那一串钥匙，只需手指一按，门就会打开;也不必记住那烦人的密码，利用指纹就可以提款、计算机登录。相信这一天，不会太远。

一、总体设计方案

该系统为基于指纹识别的无人机指令控制仪，采用STC89C51单片机为核心，通过指纹识别模块来获取指纹信息，然后单片机通过串口通信把操作记录发送给计算机，进行操作记录备案方便管理人员查询。单片机采用宏晶公司生产的低功耗，高性能的CMOS 8位单片机（STC89C51）。指纹识别模块采用深圳十指科技公司的TF-MD-12型号的指纹识别模块，此模块内集有指纹的采集、指纹存储、指纹比对等功能，但是不能独立工作，必须要有上位机（PC或单片机）的控制和操作才行，所以本指纹模块还配有指纹各类操作的用于第二次开发的指令集。本模块适用于开发指纹锁具、开发指纹柜体及开发指纹门禁系统等各类需要身份认证的各类产品。

系统组成框图如图1所示：

单片机部分为核心模块，它通过I/O口与外围电路和指纹模块连接，通过串口与计算机连接。接通电源后，微控制器实时检测并接收指纹识别模块对指纹采集、比对的数据，并将操作记录存到模块存储器中。然后该指令控制仪系统再通过串口与计算机通信，可将操作记录传到计算机中方便管理人员的查阅。该单片机外围电路接有数码管，指示灯，蜂鸣器，和按键。其中数码管是每登记一个人操作自动加1，最后显示的是最终本次演练操作总次数。指示灯亮显示电源正常工作。蜂鸣器每发出一次声音表示操作成功一次。按键用来开关本指令控制仪系统。

以往的指令控制仪装置是用打卡或条形码的方式实现，打卡类指令控制仪虽然有简单直观，无须计算机知识，价格相对较低的优点，但是它的缺点确很严重：统计烦琐，每月更换卡片，机械故障率较高（插卡口易受破坏）。条形码指令控制仪具有优点光电读取条形码卡号，故障率低。虽然解决打卡指令控制仪某些难以解决的缺点，但是卡片易伪造（专用掩股条码除外），容易产生其他操作人员替打卡现象，易产生操作，而且条形码脏了后灵敏度下降并有错码。

在该课题研究的是基于指纹识别的无人机指令设计控制仪设计。该系统装置在无人机操作应用时无须卡片首先就解决了非本人代替操作的现象。并且该系统装置使用维护成本非常低，具有时间准确、操作数据不易由于受到干扰就丢失或混乱（偶尔出现难免）、与计算机通讯稳定的优点。

二、实现功能

该指纹识别的无人机指令控制仪主要利用单片机控制指纹识别模块构成整个指令控制仪系统。其中系统软件是必不可少的组成部分，也是本次设计重要解决的问题之一。系统软件主要包括单片机与指纹识别模块之间通信程序设计和考勤机软件程序设计。该系统软件需要完成的主要功能有：

1） 能够预先存储一定数量（80枚左右甚至更多）的操作人员预先登记的指纹在指纹识别模块芯片存储器中。

2） 当操作人员在指纹采集处再次按压指纹后，指令控制仪能够做到提取新的指纹信息并与预先登记在存储器中的指纹信息进行比对，并在验证通过之后，通过指纹终端设备发出操作信号，以表示操作成功。

3） 进行指纹识别之后，能将操作记录存储在指纹识别模块芯片内部，以便查询记录时可查询。

三、设计特点

该设计切实考虑了当前无人机操作演练时，在发出一些重要、危险操作指令时的一些混乱弊端，针对克服非相关操作人员直接误发重要、危险操作指令，而设计了一个基于指紋识别无人机指令控制仪系统，用于减少消除这些弊端的发生。设计过程中比较充分考虑了各种可能出现的意外情况，根据具体情况设计了相应的功能。具有以下突出的功能特点：

该装置借助最可靠、最成熟的单片机外围系统，使系统运行稳定。

该系统装置还增加了AT24C04，可以方便用户扩展操作次数到数百次。

该系统操作方便、简单，维护费用少。

因此在实际的工程中，相比其他种类指令控制仪系统有更大的优点，使得有广泛的应用。因而，具有良好的应用前景和推广价值。

但是由于本人的知识和能力有限，对其中的某些问题，如对本系统实际运行中的维护问题等，未能进行深入分析研究，此系统也只达到了一部分的实际效果。

文中定有许多不足之处，敬请各位老师和读者不吝赐教。

【参考文献】

【1】张毅刚等.MCS-51单片机应用设计.哈尔滨工业大学出版社，1990

【2】王波涛，蔡安妮，孙景鳖.指纹图像识别技术及应用.计算机工程与应用，2001

【3】朱建新，杨小虎.基于指纹的网络身份认证田.计算机应用研究，2009

【4】祝恩.自动指纹识别术  长沙：国防科技大学出版社，2016

【5】彭寿星.基于USB接口的指纹采集与识别系统的设计.南京大学出版社，2017