具有远程开启功能的指纹应用系统设计※—

戴晓清，林喜荣，钟文东

（清华大学 深圳研究生院，深圳518055）

戴晓清（硕士研究生），主要研究方向是指纹特征识别及其应用；林喜荣（教授），从事生物特征识别方向的研究；钟文东（硕士研究生），主要研究方向是指纹特征识别及其应用。

引 言

指纹识别是一种有效的身份识别技术。随着光电技术和半导体技术的发展，自动指纹识别技术越来越多地被应用到人们的日常生活之中［1］。指纹锁和指纹保险箱是指纹识别应用中比较重要的产品［2］。与指纹门禁不同，应用于锁具中的指纹系统一般采用电池供电，具有功耗低、体积小等特点。本文设计和实现了一个功耗低、人机界面良好的指纹识别应用系统，系统可以应用于门锁和保险箱。

在实际生活中，经常碰到人在异地，但是需要别人进门或者取用保险箱里财物的情况。以前常用的做法是提前将钥匙借给别人或者临时告诉别人密码，这样的做法增加了安全隐患，一旦以后出了问题，谁也说不清。本文在基本指纹识别系统之上增加了一个可选的远程开启模块，用户可以通过手机进行远程开启操作，解决了上述问题。

1 系统硬件结构设计

1.1 系统功能设计

根据背景需求和目标，整个应用系统可分为3部分：主控制模块、指纹处理模块和远程通信模块，它们的功能如下：指纹处理模块负责对指纹的采集、指纹图像的特征提取和存储，以及指纹特征的匹配；远程通信模块负责应用系统和远程通信设备之间的信息交换；主控制模块负责系统的人机交互、逻辑控制、功能管理，还负责对整个系统的电源管理分配。外围设备与机构，是指与指纹锁或者保险箱相关的电机、振动传感器等。主控制模块通过UART接口对指纹处理模块和远程通信模块进行控制操作。

1.2 主控制模块

主控制模块选用MSP430F149作为主控芯片。MSP430F149是美国TI公司开发的一款16位RISC微控制器［3］，它的低功耗特点能够满足我们的要求。主控制模块需要完成的功能有控制电源供电、按键输入、液晶显示、电压检测、电机驱动、时间信息芯片等。

MSP430F149使用8MHz晶振作为主工作频率，另外还有1个辅助晶振32 768Hz接在XIN和XOUT端，作为串口的波特率发生器产生源。

系统选用台湾悠景公司的UG－2864HSWEG01作为显示屏。UG－2864HSWEG01是一款128×64像素的单色OLED显示屏，OLED拥有能耗低、体积轻薄、响应速度快等优点，十分适合电池系统。UG－2864HSWEG01面板显示有两种供电模式：外部供电和内部升压供电方式。当使用外部电源给面板供电时，需要9V电源；使用内部DC／DC转换器时外部需要接3.5～4.2V电源，实际使用时外部接3.3V也能正常显示。考虑到本系统的实际情况，采用内部升压供电方式。UG－2864HSWEG01有多种方式与主控MCU通信，具体通过设置BS0、BS1和BS2引脚来选择。本系统中选用8080并行接口方式与MSP430F149通信，通过设置BS0＝0、BS1＝1、BS2＝1来实现。

本系统中的键盘由一个3×4的矩阵键盘和4个独立按键组成，分别是数字键“0”～“9”、“＊”、“＃”、“取消”、“向上”、“向下”、“确认”，由于 MSP430F149只有P1口和P2口有端口中断源，因此将矩阵键盘的3个行信号和4个独立功能按键放置在P1口。

系统选用的EEPROM为AT24C08，时间芯片为DS1302，两者均支持I2C总线协议。MSP430使用I／O模拟I2C总线协议与它通信。主控制模块使用MSP430F149的UART0与指纹处理模块通信，UART1与远程通信模块通信。

为了延长系统电池的使用寿命，系统采用自动下电方式，在待机时直接隔断电源。使用了一个P沟道场效应管FDN336，其关断时DS漏电流为1μA左右，电源控制电路如图1所示。当键盘按键按下时，信号KEY＿wakeup将接地拉低，此时，由于电阻的分压作用，场效应管GS两极的电压约为－5～－4.5V，场效应管导通，系统上电。系统上电后，MSP430F149立即将信号POWER＿EN置高，三极管9013接通，系统维持上电。MSP430F149处理完相关操作后，将信号POWER＿EN置低，三极管阻断，场效应管GS两极的电压为0，FDN336截止，系统自动下电。

图1 主电源控制电路

1.3 指纹识别模块

指纹识别模块选择FSC7002作为指纹识别处理芯片［4］。FSC7002是成都方程式电子有限公司开发的专用指纹识别芯片，内含一个8位FMCU8KB嵌入式微控制器以及FID116KMG指纹识别处理模块，并且兼容多种指纹传感器。FSC7002内置微控制器与8051系列兼容，易于开发，通过UART可方便地对其进行指令控制。

综合成本因素，本系统选用现成的基于FSC7002的指纹识别模块BLH9003D。它是一种一体化的光学指纹处理模块，它将光学传感器和指纹处理器集成在一起，使得指纹识别模块的体积、成本和开发成本都大大降低。BLH9003D内置感应芯片，对手指的按捺可进行自动识别，并将识别结果通过信号通知控制方，当无手指按捺时输出低电平，有手指按捺时输出高电平。

1.4 远程通信模块

远程通信模块采用华为公司的MG323作为GSM的收发模块。MG323模块是华为公司推出的一款工业级的GSM／GPRS模块，电源电压3.3～4.8V（推荐值3.8V），平均待机电流47μA。MG323提供一个UART接口和标准SIM卡接口，短消息模式支持TEXT和PDU。MG323不仅支持GSM协议，还支持GPRS协议，并且内置TCP／IP协议栈，为将来进一步开发提供了空间［5］。MG323的接口电路如图2所示，MG323的 UART口定义是针对MCU而言的，故而它与MSP430的连接不用交叉。MG323必须采用额外的电池供电，主控系统通过GSM＿EN信号来控制远程通信模块的电源通断。

图2 MG323电路接口

2 系统软件设计

2.1 系统软件层次结构

MSP430F149内置2KB内存，不太适合使用操作系统，因此本系统在软件设计上采用前后台系统和状态机相结合的方式。在整体上，系统软件分为硬件驱动层，功能函数层和应用程序层，如图3所示。

图3 软件层次结构图

2.2 主应用程序

主应用程序完成指纹锁具的所有功能，图4表示的是主应用程序流程的示意图。当系统启动时，首先进行一系列的初始化，然后根据系统设置选择默认的开启方式，之后根据按键的不同，或切换开启方式，或进入管理模式，或进入远程开启模式。

图4 主应用程序流程

系统分为密码开启和指纹密码开启两种方式，密码开启只允许密码开启，指纹密码开启既可以用指纹开启也可以用密码开启。之所以分2种开启方式，是因为密码开启方式十分省电，实际使用中可能有的用户为了省电而使用这种方式。用户使用管理功能来维护锁具，包括系统信息的设置，用户信息的建立、删除和修改，远程开启和报警功能的设置等。管理功能使用菜单来进行人机交互［6］，只有管理员才能使用管理功能。

2.3 用户信息结构

用户数据信息存储的是用户的具体信息，包括用户名字、用户对应的指纹ID、开启密码、用户创建时间以及用户属性，总共长度为24个字节。用户创建时间表示用户创建的具体时间或者用户最近的修改时间，采用BCD码用7个字节表示，分别是秒、分、时、日、月、星期、年，具体格式和DS1302对外输出的格式相同。用户属性property使用1个字节记录了用户的权限级别、用户的有效期和用户默认验证方式。系统通过用户创建时间和用户有效期判断用户是否到期失效。用户数据的结构定义如下：

2.4 指纹模块通信协议

控制模块和指纹处理器FSC7002通过UART接口通信，它们之间的通信遵循一定的协议。FSC7002提供了一个标准通信协议，本文直接采用了这个协议。上位机（MSP430F49）向下位机（FSC7002）发送的指令，采用指令包的形式进行。指令包的长度为8字节，其格式如下所示。

下位机收到指令包后，将有关指令执行情况与结果采用应答包的形式上报给上位机。下位机只对符合自身地址码的指令包做出应答，其他地址的指令包不会给予应答；对于不符合协议要求的指令码，下位机也不会应答。应答包的长度是不定的，应答包将返回它应答的指令码，以及此指令码的执行结果代码，还会返回一些必要的参数。应答包的格式如下所示。

控制模块（上位机）和指纹处理模块（下位机）不停地通过指令包和应答包的传送，完成一系列的功能任务。

3 远程报警和开启

3.1 远程报警

远程报警是指当传感器检测到侵入或者输入报警密码时，系统向预先设置的手机号码发送报警信息。所谓报警密码是指预先设置的一组密码，使用这组密码同样也能开启锁具，但是在开启的同时，它将启动远程通信模块，并向远程手机发送报警的信息。报警密码主要用在被挟持开锁的情况下，既能保证人身安全，又能有一定的反制措施。

3.2 远程开启

远程开启是指使用手机发送开机指令，在远距离情况下开启门锁或者保险箱。远程开启功能的一大安全漏洞是使用GSM短信方式并不安全，因此本系统中对传输的数据进行了安全加密，使得安全性大大提升，加密算法使用256位 DES加密［7］。

远程开启功能包括锁具部分和用户手机部分，两部分必须相互配合才能完成预期目标。锁具部分在前述章节建立的基础上开发完成，用户手机部分使用Android平台作为开发对象。远程开启功能包括注册流程和远程开启流程，分别如图5和图6所示。

由于MSP430F149没有随机数生成器，因此使用内部的计时器，对用户按键间隔计时，使用这个间隔时间作为随机数种子。

3.3 基于Android的远程开启程序设计

本文基于Android平台，针对指纹锁远程开启的应用需求，采用DES算法加密通信数据，设计了符合安全要求的指纹锁手机端软件。

图5 远程开启功能注册流程

图6 远程开启功能开启流程

手机端软件主要实现3个功能：远程开启、注册、删除。软件的总体结构如图7所示。

图7 Android程序结构

注册：手机端软件接收锁体短信，将锁体名称、密钥和短信来源号码保存到数据库。

开启：获取用户输入的随机数和密码，用随机数和保存的密钥对密码进行加密，发送到指纹锁对应的号码。

删除：手机端软件删除对应锁体的信息，包括保存的密钥。

软件中涉及短信接收和短信发送，必须在项目配置文件中添加SEND＿SMS和RECEIVE＿SMS权限。

接收系统广播，需要向系统申请广播接收者权限。申请的方式有静态和动态两种。静态方式在软件的项目配置文件声明即可。静态方式下，软件在整个运行过程中都将响应系统广播。动态方式是在需要的时候使用registerReceiver方法向系统申请权限，在结束的时候使用unregisterReceiver方法注销即可，本文中采用动态方式。接收到短信的系统广播为android.provider.Telephony.SMS＿RECEIVED，用它生成过滤器IntentFilter类，即可使软件只对该广播进行响应。

发送短信功能通过短信服务SmsManager类实现。该类中sendTextMessage方法即可控制手机硬件，实现短信的发送。

结 语

本文设计的指纹识别和控制系统（不包括远程通信模块）使用4节1.5V干电池串联供电。经测试，在使用指纹按捺感应启动功能的前提下，待机功耗为10.4μA，密码识别过程功耗为8.9mA，指纹识别过程功耗为131.2 mA。系统主要功耗指标已达到商业水平，具有较高的实用价值。

编者注：本文为期刊缩略版，全文见本刊网站www.mesnet.com.cn。

［1］尹义龙，宁新宝，张晓梅.自动指纹识别技术的发展与应用［J］.南京大学学报：自然科学版，2002，38（1）：29－35.

［2］毛巨勇.2011年生物识别市场发展回顾［J］.中国安防，2011（2），61－65.

［3］沈建华，杨艳琴.MSP430系列超低功耗单片机原理与系统设计［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2008.

［4］成都方程式公司.FSC7002datasheet v1.9，2009.

［5］华为技术有限公司.HUAWEI MG323GSM M2M模块硬件指南 ［EB／OL］.（2010－05－24）［2012－04－24］.http：www.huawei.com.

［6］费文坤，陶维青.基于MSP430F149单片机的人机界面设计［J］.微计算机信息，2009，25（2）：116－118.

［7］梁雅，刘岚.基于Java卡DES及3DES算法的实现［J］.武汉理工大学学报：信息与管理工程版，2006，28（11）：63－66.