基于STM32的超市指纹识别储物柜系统设计

2022-09-19张宝宁刘禧冬陈玉成

物联网技术 2022年9期

张乐，张宝宁，杨红，刘禧冬，陈玉成

（沈阳大学，辽宁沈阳 110044）

0 引言

超市是消费者的重要购物场所之一，超市放置储物柜为消费者提供寄存物品服务，以保障顾客的财产安全。目前，多数超市仍使用传统条形码储物柜，这种储物柜通过打印和扫描条形码打印纸实现存取功能。条形码储物柜技术成熟且应用广泛，但仍存在一些不足：打印纸属于一次性耗材，浪费资源；条形码易遗失、破损或失效，存在财产安全隐患问题；扫描枪、打印机设备成本较高。指纹是独一无二的人体特征，具有安全性和稳定性。超市储物柜使用指纹识别技术代替条形码识别，可以减少环境污染、避免纸张资源浪费，指纹的安全性也为顾客财产安全提供保障。为此，本文设计了一种基于STM32的指纹识别储物柜。系统使用AS608指纹识别模块，采集和识别顾客指纹信息，存储指纹信息后驱动门禁电路完成开关柜工作；通过ESP8266WiFi模块，将储物柜存储信息上传到管理中心。指纹识别储物柜与传统储物柜相比，具有可靠性高、识别速度快、成本低、维护方便等特点。本系统应用在超市等场所，能够满足顾客安全便捷的寄存需要。

1 系统总体结构

指纹储物柜系统由控制中心、采集识别、数据传输、人机交互和门禁驱动五部分组成。本设计使用STM32F103C8T6单片机作为主控芯片，采用AS608指纹识别模块采集和识别用户指纹信息，利用OLED液晶显示屏和矩阵键盘供用户查看信息和操作，通过门禁驱动电路控制柜门的开关。整体系统结构如图1所示。单片机与指纹识别模块通过串口进行通信，发送指令驱动模块完成指纹录入、指纹识别、指纹删除等操作，并通过WiFi模块将储物柜存储信息上传。用户能够通过OLED液晶显示屏查看当前储物柜空柜数量和分配柜号，并通过按键键盘输入存入和取出指令。

图1 系统结构

系统在空柜状态下，当接收到存入指令后，用户将手指放置在指纹识别模块上，等待录入指纹；录入指纹成功后，系统为用户分配当前空柜柜号，同时打开对应门禁，等待用户存放物品后关闭柜门。当系统接收到取出指令，用户放置手指后，在指纹存储库中识别并匹配用户指纹信息，打开指纹对应柜号的柜门，等待用户取出物品；在用户关闭柜门后，删除当前用户指纹信息并刷新储物柜空柜数量。系统在满柜状态下，禁止用户使用存放功能，等待用户完成取出操作时，恢复存放功能。当出现用户误操作或紧急情况时，按下管理员按键，系统通过WiFi将通知上报到管理中心。

2 硬件电路设计

2.1 单片机的选择

系统采用STM32F103C8T6单片机作为主控芯片，STM32F103C8T6是基于Cortex-M3内核的32位高性能控制器；与传统8位的51系列单片机相比，具有功耗低、处理速度快和硬件资源丰富等优点。系统使用了STM32的串口1与指纹模块进行通信，与OLED液晶显示屏之间采用IC通信方式进行数据传输。单片机采用3.3 V电压供电，主频高达72 MHz，拥有64 KB的FLASH和37个GPIO，完全满足储物柜系统低功耗、处理能力快的设计需求。

2.2 指纹识别模块设计

AS608光学指纹传感器的工作原理是通过内置光源照射，用棱镜将指纹投射在电荷耦合器件上，形成可被算法处理的多灰度指纹图像。指纹识别模块采用高性能的AS608指纹识别芯片，内置DSP运算单元，集成了指纹识别算法，可以高效准确采集和识别指纹信息，处理指纹图像时间小于0.4 s。模块配有串行通信接口，接收单片机下发控制指令完成指纹识别操作。AS608指纹识别模块自带指纹存储功能，可容纳300枚指纹。指纹识别模块录入指纹过程如下：首先，通过模块内置手指检测电路，判断有无手指放置；待手指放置后，发送读取图像指令读取指纹图像并生成特征指令，成功后发送存储模板及ID指令，否则重新发送读取图像指令；最后录入指纹结束。指纹识别模块采用典型值3.3 V供电，与单片机使用串口进行通信，模块的TX数据发送引脚与STM32单片机的USART1_RX连接；RX数据接收引脚与STM32单片机的USART1_TX连接。指纹识别模块电路原理如图2所示。

图2 指纹识别模块电路原理

2.3 ESP8266WiFi模块

系统使用ESP8266WiFi模块进行数据传输，模块集成了32位Tensilica内核处理器，支持三种WiFi工作模式，支持标准的IEEE802.11b/g/n协议和完整的TCP/IP协议栈。单片机通过串口与模块传输数据，WiFi模块再将数据通过无线网上传至管理中心。ESP8266模块工作性能稳定并且具有省电模式，适用于低功耗场景。

2.4 显示模块

本设计使用OLED液晶显示屏作为储物柜显示界面，分辨率为128×64。OLED液晶显示屏具有对比度高、反应速度快等特点，性能优于传统LCD屏幕，功耗低于TFT显示屏，广泛应用于数码家电、仪器仪表等方面。单片机与OLED之间采用IC接口进行通信，这种通信方式简单高效，两线式接口节省硬件引脚资源。

3 软件设计

系统软件设计使用Keil5开发工具完成，采用C语言编写单片机程序。系统主程序包括指纹识别子程序、OLED显示屏驱动程序、按键子程序和门禁驱动子程序。指纹识别储物柜系统操作流程包括存柜、取柜和管理员三种模式。存柜流程如图3所示，用户在存柜时，按下存柜键，系统进入存柜模式，读取当前储物柜是否已装满。若所有柜门已装满，则显示屏提示用户此储物柜已装满；若有柜门未装满，则显示屏提示用户“请按手指”，待采集用户指纹信息后，存入指纹信息库中并为用户分配空柜柜号。取柜流程如图4所示，用户在取柜时，按下取柜键，系统进入取柜模式，此时显示屏提示用户“请按手指”，待采集用户指纹信息后，与指纹信息库中指纹进行匹配，指纹相似度大于80%，认定指纹匹配成功，读取当前指纹对应柜号并打开柜门，若指纹相似度小于80%，认定指纹匹配失败，显示屏提示用户请重试或联系管理员。按下管理员键，系统通过WiFi发送管理员请求，管理员可在上位机中进行紧急开柜和删除指纹等操作。

图3 存柜流程

图4 取柜流程

指纹识别子程序实现录指纹、刷指纹、删除指纹等指纹识别功能，单片机通过串口读取指纹识别结果后再做相应处理。单片机接收到录指纹指令后，指纹模块获取指纹信息并生成特征图像，此时用户再次放置手指获取指纹，指纹模块生成第二次特征图像，将两次指纹特征进行对比，对比成功则生成指纹模板并储存指纹，失败则重新录入指纹。