基于DSP指纹识别的智能共享物品柜的设计

袁方琳珂 阮文韬 冉煦 陈浩松 李红火

摘要：本文介绍了一款能够实现共享小物品存取及使用人信息记录的指纹识别自动柜。本设计以STM32、DSP作为数据处理核心，并结合了GSM短信收发模块及液晶显示屏模块。该自动柜具有成本低、功能强、可应用范围广、可拓展功能性等特点，具有广阔的市场前景。

Abstract： This paper introduces an automatic fingerprint identification cabinet which can realize the access of shared small items and the record of user information. This design takes STM32，DSP as the data processing core， and combines the GSM short message receiving and receiving module and the liquid crystal display module. The automatic cabinet has the characteristics of low cost， strong function， wide application range and expandable function. It has a broad market prospect.

关键词：共享;指纹识别;集控系统

Key words： sharing;fingerprint identification;centralized control system

中图分类号：TP391.4                                      文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2019）17-0171-03

0  引言

早在15年前，自动贩卖机就已经是日本便利生活的重要组成部分了，形成了日本特色代表性文化，这种对空间高效率和有利的利用的文化，使其养成良好习惯，让我们深受启发。现在许多小区、学校都拥有取拿快递的快递站;超市有存放物品的储物柜;也有针对单一物品进行共享的柜体，例如充电宝共享盒，但是这些具有储物功能的柜体只适合指定物品的暂时存取或单一物品的共享，且不便管理。

本系统设计了一种新型方案，解决了共享物品柜现在所存在的问题，实现了对柜体的实时监控，并根据数据分析结果协助管理员更好的管理物品。

1  智能共享物品柜系统介绍

智能共享物品柜系统可实现小范围内物品借还情况及借还时间统计，借还信息通过手机短信方式发送给管理员。

智能共享物品系统包括：中央控制器模块、指纹识别模块，液晶显示模块、基于GSM/GPRS的人机交互模块，以及由多个伺服电机和丝杆构成的物品移动机构。这些模块通过中央控制器连接，实现多品种、小范围的物品共享，操作简单且方便。其系统框图如图1所示。

柜体还设置有储物格、取物窗口和还物窗口，储物格与取物窗口之间设置有斜坡结构，物品移动机构能够将储物格中的物品推至斜坡，物品移动机构还能将还物窗口的物品移动至储物格中。如图2所示。

2  系统硬件设计

2.1 硬件平台介绍

该系统选用以STM32处理器为核心的控制中心为硬件平台并配合丝杆等运动控制平台实现柜体中物体的存取。

该自动柜硬件部分主要包括人机交互界面、ARM主控制板、DSP指纹识别模块、SIM800C GSM GPRS短信电话开发板模块和电机驱动器、电机执行机构。整个系统的硬件结构如图 3 所示。

2.2 硬件系统设计方案

硬件系统的总体设计思路是以STM32为核心控制器，并且结合GSM/GPRS短信收发装置，实现数据之间的无线传输与实时监控。

通过物联网对系统实时数据，及稳定性进行监测，在系统CPU内处理，并且在移动后台终端（手机）中显示出借取信息、归还信息、耗材信息、异常信息和维护保障信息等数据;实现共享物品自动柜的实时监控、异常报警和维保提醒等功能。

3  系统软件设计

智能共享物品柜监控所使用的软件是STM32编程软件，该软件可以随时记录并且读取信息数据，并将借物者的信息、物品借还等情况建立成数据日志，同时，在物品借还时还能通过数据终端将借物着信息及物品借还情况发送给管理员。软件完成了物品借取的运动功能、指纹识别功能及短信电话功能。

3.1 借取運动功能

本系统所设计的智能共享物品柜的借取运动功能由三轴定位平台实现。存取物品时的运动主要包括三个方向上的机械运动，即X轴、Y轴与Z轴。

整个三轴定位平台的核心部分是平台主体。该平台主要包括支架、导轨、固定杆、联轴器、限位开关、推杆、滑块等，是一种桥式的结构。三个轴（X轴、Y轴、Z轴）的导轨正交，Z轴通过联轴器与左右两个导轨固定，X轴位于Z轴导轨之上， Y轴导轨固定在底板上，X与Y轴上的滑块用于放置物品并固定推杆。在本文设计的三轴定位平台中，由限位开关来实现限位开关信号和零点信号。根据检测方式，限位开关可以分为接触式和非接触式，接触式限位开关即是行程开关，非接触式的限位开关即是接近开关。本系统均采用接近开关。平台在运行过程中，当某个轴靠近接近开关时将产生一个输出信号，该信号传送到ARM控制器上，控制器接收信号并对信号做出处理，经过处理的信号送入驱动器，并通过驱动器控制电机停转，从而实现限位开关信号和零点信号。[4]

借取物品时，需先从人机交互界面采集需要借取物品所在储物格的位置信息，再获取驱动推杆运动，将借取物品放置运动轴上，确认无误后，通过电机系统驱动X轴、Y轴、Z轴定位到取还物窗口，通过推杆运动将所借取物品放置到取还物窗口，从而实现取物功能。

归还物品时，工作平台先从人机交互界面采集需要归还物品所在储物格的定位信息，再通过电机系统来驱动X轴、Y轴、Z轴，先定位到对应储物格，再确认位置是否正确，若准确无误最后通过推杆运动，将归还物品放置储物格内，从而实现还物功能。

针对三轴定位平台的特点，并结合实际的应用背景，该系统选用永磁式步进电机。通过永磁式步进电机实现平台的运动。三轴定位平台不会产生较大的噪声和振动，具有精准、平稳、快速的特点。

3.2 指纹识别功能

指纹识别算法包括细节特征提取算法和细节匹配算法两部分。

在原始图像之前还拥有最重要的一步——那就是图像的采集，图像采集模块是本系统中最为重要的组成部分之一，并且高质量的指纹图像能使指纹识别算法简单化，并且可以提高整体性能。指纹图像采集设备各种各样，在其优缺点上也存在很大的不同，一般取象设备最常用的有超声波传感器、光学、半导体传感器三类。

细节特征提取算法包括四个步骤，分别为滤波增强、二值化、细化、提取细节点，如图4所示。在指纹图像的采集中，采集的图像会受到各种因素的影响干扰，从而改变输入指纹结构。实际的指纹图像需要通过滤波增强的步骤来改善图像质量，将图像转化为灰度图。把灰度图像经过二值化处理，转变成二值图像。再通过细化算法进行图像的细化处理，把二值图像变成细化图像。经过细化后的图像细节特征明显，容易被提取出细节点特征。[2]

该系统通过ATK-AS608指纹识别模块实现。模块芯片内置 DSP 运算单元，此DSP芯片还具有如下很多的优点：（DSP芯片①在内部采用的哈佛结构中，程序和数据的存储空间相对独立，取指令和取操作数可同时进行;②多总线结构，在一个机器周期内多次访问程序和数据存储空间;③同时也支持多级流水操作，还能够使取指、译码和执行等操作重叠执行;④可以并行执行多个操作;⑤可同时访问两块芯片;⑥可进行硬件I/O支持并进行快速的中断处理;⑦可在单周期内对多个硬件地址进行操作;⑧低开销或无开销循环及跳转的硬件支持;）该芯片还具有以下更大的一个特点：价格低廉、外围就能够采集、存储，控制设备易于集成、低功耗、计算速度可调节，正所谓真正的物美价廉。ATK-AS608指纹识别模块集成了指纹识别算法，能有效高速的采集图像，同时识别指纹特征。指纹模块流程图如图5（a）所示。

3.3 短信电话功能

本系统通过GSM 模块实现短信收发。GSM 模块在实时性要求不高的测控系统及远程监控中被广泛应用。现如今，移动通信技术、无线局域网络技术飞速发展，给计算机远程数据的采集提供了更加丰富、合理的数据传输手段，并且这些先进手段逐渐渗入到各类系统当中并形成跨地域、跨视界的无线远程采集和控制系统。全球移动通信系统（GSM）已经发展的十分成熟和完善，是现代无线远程通讯技术的代表。采用GSM网络传输信息价格便宜，技术可行。基于GSM的无线远程采集及控制系统与传统的有线控制系统相比，具有以下优点：系统的经济性能好、通讯范围广泛、总体结构简单、可拓展性功能强。 [5]

在本文设计的智能共享物品柜，GSM采用ATK-SIM900A模块，主要实现智能共享物品柜借出物品时，通过STM32控制器以AT命令的形式发送借取信息、归还信息、耗材信息、异常信息、维护保障信息等数据到ATK-SIM900A模块，ATK-SIM900A模块再将信息以短信方式发送给管理员。

GSM 模块短信收发模块流程图如图5（b）所示。

4  结论

基于DSP指纹识别的智能共享物品柜不仅提升了学校实验室钥匙的工作效率，同时也给广大师生带来了便捷，时刻可查询钥匙借取情况。虽然目前市面上仅有用于超市的根据条码的借还物品柜，但价格较为的昂贵，同时仅在大型超市。因此，通过设计基于移动互联网的指纹识别智能自动柜，用户可根据情况定制，可以随时随地实时更新自动柜共享物品情况，最终实现以互联网为基础，以APP为载体，实现全民共享。未来，隨着智能共享物品柜的不断建设一定会为市民提供更好的个性化服务，为共享物品带来更加新颖、开放、精准、高效的客户使用体验。

参考文献：

[1]潘浩，张侃健，魏海坤，方仕雄.用于探针自动定位的三轴运动平台设计[J].工业控制计算机，2017.

[2][4]张堂辉，田捷，刘旭.基于DSP指纹识别核心算法的设计与实现[J].计算机工程与应用，2003（06）：25-27.

[3]ATK-AS608指纹模块用户手册.

[5]宋维，崔晓坤.基于STM32的GSM模块综合应用[J].计算机工程与应用，2012（06）：4536.

作者简介：袁方琳珂（1998-），女，四川成都人，成都纺织高等专科学校学生，研究方向为电气自动化技术。