基于光伏发电供电的指纹锁的设计

黄 楚，张艳杰

(天津理工大学中环信息学院，天津 300380)

0 引言

锁具是指能起封闭作用的器具，主要包括锁、钥匙及其附件。以往的传统锁具通常为机械锁，需要由专门对应的机械钥匙开启，若钥匙遗失或忘记携带将为开锁带来极大不便。随着电子技术的飞速发展，人们逐渐开始青睐指纹锁，其可采用指纹、密码等方式开启，无需随身携带机械钥匙，开锁方式相对便捷。

由于每个人的指纹在其胎儿时期就已经成形，且在个体的成长中不会因为外界因素而发生变化，再加上指纹具有唯一性，因此这些特性使指纹成为识别身份的最重要证据。单片机技术的进步与光学扫描技术的革新使生物识别成为可能，而相对于其他识别方式，指纹识别这种生物识别方式较为成熟且成本较低，更加适合于大范围的使用，并且现有的成熟的算法可为指纹识别提供支撑。

常规的指纹锁一般是由碱性电池供电，随着光伏技术的不断发展，光伏组件的光电转换效率不断提高，作为一种清洁能源的利用方式，采用光伏发电对设备进行供电既环保又便捷，只要有光照的地方就可以进行供电。基于此，本文设计了一款基于光伏发电供电且具有指纹识别功能的指纹锁，并对其可行性与稳定性进行了论证。

1 基于光伏发电供电的指纹锁的工作原理

本文设计的指纹锁主要以光伏发电作为供电方式，将光伏组件在光照下通过光电转换得到的电能存储在锂电池中，可以长时间为指纹锁供电。该指纹锁以单片机 STC89C52 作为控制端芯片，单片机的程序由Keil 软件进行编程，并通过STC_ISP 软件烧录到STC89C52 中，从而实现整个指纹锁的功能。采用串口通信的方式使单片机与指纹识别模块进行实时的数据交换，使用比独立键盘更实用的矩阵键盘作为密码输入的载体；辅助硬件中有按键可以实现准确发送指纹录入信号及识别信号；使用继电器及小灯泡来提示指令是否已经完成；采用LCD12864液晶显示屏作为交互界面。本设计可以完成指纹的录入，并且可以在已录入的基础上准确识别出相应的指纹ID。本文设计的指纹锁适用于可移动的应用场景，比如旅行箱、自行车锁等。

该指纹锁包含一般模式与高级模式2 种不同操作权限的模式。一般模式的操作权限为：用户只能够使用指纹进行解锁，指纹是否识别成功将在液晶显示屏上进行反馈；识别成功后将通过继电器进行解锁，识别失败则不进行解锁。高级模式的操作权限为：按下矩阵键盘中高级模式选择键(按键A)，进入高级模式后输入高级权限的6 位数密码，确认使用者权限在高级模式下后，用户可以使用指纹录入、指纹删除、应急开锁和修改密码这些功能。

2 基于光伏发电供电的指纹锁的构成

本文设计的指纹锁由指纹识别模块、液晶显示屏模块、矩阵键盘模块、带电可擦可编程只读存储器(EEPROM)，以及供电模块组成。

2.1 指纹识别模块

该指纹锁的指纹识别模块的型号为ZFM60，指纹识别模块的电路图如图1 所示。

图1 指纹识别模块的电路图Fig.1 Circuit diagram of fingerprint recognition module

指纹识别模块外部使用CMOS 芯片对指纹进行采样；内部采用型号为AS606 的DSP 芯片对采集到的指纹图像进行处理，并对库内指纹进行比对。当录入指纹时，DSP 芯片将采样得到的指纹图像处理后保存到FLASH 芯片中。识别指纹时，DSP 芯片在采集到指纹信息后将其与库内已保存的指纹信息进行比对，若找到相应指纹则进入指纹编号程序；若未找到指纹则“返回-1”。

2.2 液晶显示屏模块

本文设计的指纹锁的液晶显示屏型号为LCD12864，液晶显示屏模块的电路图如图2 所示。

该液晶显示屏能显示点阵汉字与图形，相比于其他同类型的液晶显示屏模块，本文设计的指纹锁的液晶显示屏模块的显示屏方案具有硬件电路结构简单、显示程序编写容易等优势。该液晶显示屏模块的任务是完成指纹锁与用户的信息交互工作。

图2 液晶显示屏模块的电路图Fig.2 Circuit diagram of liquid crystal display module

2.3 矩阵键盘模块

键盘交互设计一般采用独立键盘或矩阵键盘。虽然在使用上独立键盘比矩阵键盘更加灵活，程序设计也更加简单，但是考虑到本指纹锁所使用的按键数量，同时考虑到键盘模块的可靠性，最终决定采用矩阵键盘。矩阵键盘模块的电路图如图3 所示。

本矩阵键盘模块采用逐行扫描法实现按键的检测功能。

图3 矩阵键盘模块的电路图Fig.3 Circuit diagram of matrix keyboard module

2.4 EEPROM

由于指纹识别模块无法保存过多的指纹模板且在断电后会清除已经保存的指纹模板，所以需要外接一枚只读存储器(ROM)，以实现存储更多指纹模板及断电后的保存功能。综合容量需求与价格等因素，本文设计的指纹锁使用双列直插(DIP)封装的型号为CAT24WC32 的EEPROM。使用IIC 总线与单片机连接，进行数据读写。

2.5 供电模块

随着光伏组件技术的不断提高，以及光伏组件原材料成本的不断降低，综合光伏组件成本及其光电转换效率后，本指纹锁选用单晶硅光伏组件作为提供电能的发电装置，其平均充电功率为0.621 W。供电模块中的储能电池选择5000 mAh 的锂聚合物电芯。光伏组件与锂电池的降压稳压电路图如图4 所示。

图4 降压稳压电路图Fig.4 Circuit diagram of step-down voltage stabilizing

在光线照射下，光伏组件中的太阳电池由于电子迁跃使自由电子在p-n 结两端聚集，从而形成电势差，经由DC-DC 降压稳压电路与光伏组件正、负极连接，从而输出电能到锂电池，实现光伏电力的存储；然后经过电芯自带的输出控制电路为指纹锁供电。经过对指纹锁各模块的多次改进，指纹锁的功耗在350～500 mW 之间。

3 本文设计的指纹锁的工作流程

本文设计的指纹锁的主程序流程图如图5所示。

3.1 矩阵键盘模块的工作流程

矩阵键盘模块的工作流程图如图6 所示。

指纹锁与使用者之间交互时将进入图6 所示的流程，单片机在读取到按键按下的信息后，通过调用键盘识别子函数，对所读取信息进行编码。

图5 本文设计的指纹锁的主程序流程图Fig.5 Main program flow diagram of fingerprint lock designed by this article

图6 矩阵键盘模块的工作流程图Fig.6 Workflow diagram of matrix keyboard module

3.2 液晶显示屏模块的工作流程

液晶显示屏模块的工作流程图如图7 所示。

图7 液晶显示屏模块的工作流程图Fig.7 Workflow diagram of liquid crystal display module

液晶显示屏模块需要写指令与写数据，这部分代码在该项目中封装为2 个子函数，在主函数需要操作液晶显示屏时调用2 个子函数，该设计能大幅减少代码数量，也能减少错误的出现。

3.3 指纹识别模块的工作流程

指纹识别模块与单片机间的串口数据的接收与发送均通过串口通信进行。图8、图9 分别为串口数据的发送、接收流程图。其中，TI、RI 分别为发送、接收中断标志位；SUBF 为数据缓冲寄存器。

图8 串口数据的发送流程图Fig.8 Flow chart of serial data sending

图9 串口数据的接收流程图Fig.9 Flow chart of serial data receiving

单片机与指纹识别模块间的串口通信是本指纹锁最为重要的部分之一，综合考虑使用环境、通信距离及传输数据量，本指纹锁采用通用异步收发传输器(UART)作为通信接口，采用半双工异步通信时的默认波特率57600 bps。

在使用指纹识别功能时涉及到的注册与搜索选项分别采用自动注册与自动搜索的方式。

4 测试

4.1 功能测试

基于光伏发电供电的指纹锁已制作出样品，并成功应用于旅行箱上，样品如图10 所示。对整个样品进行了功能测试，测试的结果与预期设计相符合。整个样品能够稳定运行，指纹录入、指纹删除等功能均可正常发挥作用，且该指纹锁可根据操作进行信息提示，即使断电后密码也能正常保存，2 种模式均能正常开锁。当打开液晶显示屏界面后，若长时间未进行操作，则指纹识别模块会进入休眠模式。

图10 应用于旅行箱的指纹锁样品Fig.10 Sample of fingerprint lock applied to suitcase

4.2 功耗测试

对本文设计的指纹锁样品进行20 次的功耗测试。功耗测试中，将光伏电力储存在容量为5V/5000mAh 的锂电池中，并以此进行供电。指纹锁中指纹识别模块、单片机、液晶显示屏模块、光伏组件的功耗情况如表1 所示。测试结果表明，该指纹锁主要模块的功耗较低，能够使指纹锁长时间工作。

表1 指纹锁各模块的功耗情况Table 1 Power consumption of each module of fingerprint lock

在室内环境下，各模块均正常工作时，该指纹锁可持续工作63 h；休眠模式(仅单片机工作，指纹识别模块及液晶显示屏模块不工作)下，指纹锁预计可持续工作30 天(测量休眠模式时的功耗后得出)。

5 结论

本文介绍了一种基于光伏发电供电的指纹锁。将光伏组件所发电能储存在锂电池中作为供电电源，可以长时间对指纹锁进行供电；使用的单片机型号为STC89C52；依靠指纹识别模块具有的功能实现了指纹数字化与所储存的指纹进行匹配；显示部分使用LCD12864 液晶显示屏搭配中文字库来完成；辅助硬件中有按键可实现准确发送指纹录入信号及识别信号；继电器及指示灯用来提示是否已完成指令。通过制作该指纹锁样品并利用仿真使用环境对其可行性与稳定性进行了论证，结果表明，该指纹锁的稳定性良好，能够减少对供电设备的需求。