基于ATmega162的指纹识别电子机械锁设计

　　2 指纹识别算法原理

　　2.1 指纹识别算法

　　指纹识别分为以下4个步骤如图4所示。

　　指纹图像预处理是最重要的一步，关系到后面提取的特征点的正确与否。

　　由于指纹采集设备的不完善性，对于干、湿、脏、老化、磨损的指纹，往往难以采集到清晰的图像，因此需要图像增强，是指纹图像预处理中重要的一步，采用Gabor滤波完成。根据指纹图像局部区域的纹线分布具有较稳定的方向和频率，设计相应的Gabor带通滤波器，能有效地在局部区域对指纹进行修正和滤噪。Gabor函数是惟一能达到时频测不准关系下界的函数，二维表达式为：

　　Gabor函数是二维高斯函数在空间频率域的平移函数，σx，σy为对应于x方向和y方向的角频率平移参数。二维Gabor函数的实部和虚部可各自表示为一个函数，分别称为偶Gahor和奇Gabor函数。偶Gahor函数适于增强目标物体，而奇Gabor函数适于增强物体边缘。

　　Gabor滤波器系数分量为：

　　式中：x=mcosφ+nsinφ;y=-msinφ+ncosφ;(i，j)为当前点的坐标，φ为当前点(块)的方向，f为当前块(整体)的正弦平面波的频率;(m，n)取值范围与指纹图像的坐标(i，j)取值范围相同。σx，σy增大，对噪声的适应能力增强，但有可能会产生伪纹线;减小，消除噪声的作用减弱。

　　对于每一点，根据其方向、频率，求出Gabor滤波器系数，然后根据式(3)计算当前点滤波后的值：

　　从图5可很明显地看出，经过Gabor滤波处理后，图像对比增强，纹理清晰，特征明显，提高了后续提取指纹特征点的正确率。

　　2.2 指纹识别模块的通信协议

　　指纹识别模块作为从设备，通过串口，由主芯片ATmega162发送相关命令对其进行控制。

　　命令接口：19200b/s 1起始位1停止位(无校验位)。

　　主芯片发送的命令及指纹模块的应答数据长度为8 B，数据格式如下：

　　CMD：命令/应答类型;P1.P2，P3：命令参数;Q1，Q2，Q3：应答参数;CHK：校验和，为第2字节到第6字节的异或值;Q3用于返回操作的有效性信息，表示操作是否成功，数据是否存在，采集指纹超时等。

　　3 程序设计

　　系统从睡眠状态启动时，首先进行系统初始化，然后进入正常工作状态，如图6所示。

　　转动机械锁上的金属转接口会改变单片机ATmega162的P4.5的状态。开启金属转接口，单片机ATmega162处理来自机械锁发送的信息;关闭金属转接口，单片机ATmega162处理来自电子锁上指纹识别模块或键盘的信息。

　　系统还开启了两个中断：设置中断和匹配中断。匹配中断就是电子锁和指定的机械锁进行匹配，只接收来自指定的机械锁发出的信息;设置中断就是指纹和密码的管理。

　　3.1 匹配中断

　　匹配中断是链接多特征电子机械锁两个部分的前提，初次安装电子机械锁必须进行匹配中断。在开启该中断前，必须没置好正确钥匙。匹配中断为外部中断，通过按下控制系统模块上的匹配键，进入匹配中断如图7所示。

　　3.2 设置中断

　　设置中断分为两种模式：普通模式和特殊模式。特殊模式就是利用正确钥匙管理指纹和密码，如图8所示。

　　多特征电子机械锁添加了钥匙管理指纹和密码的功能，目前的指纹锁并不具备该功能。当没有管理员指纹，而密码忘记的情况下，该锁可以用正确钥匙进行指纹和密码的添加和删除，给用户带来了方便。

　　4 实验结果与分析

　　超外差发送和接收模块之间的通信，由于外界噪声和系统本身的影响，不是每次都能接收到如图3的信息，可能会出现通信错误的情况，为此进行可靠性测试实验。

　　用示波器精确测量超外差接收模块上的波形的时序，调整代码，使侦测点落在高电平的中间;仔细计算延时函数，确保时间的准确性。在实际调试过程中，进行了5组的实验，每组的测试条件都不同，如温度、环境噪声等，每组测试100次，共计500次的测试，只出现了2次没有正确识别钥匙的情况，可靠性达到99.6%，具有实际应用价值。

　　5 结语

　　本文设计的电子机械锁，巧妙利用超外差发送和接收模块，把两个相对独立的部分链接起来。整个系统以单片机ATmega162为核心，直接控制指纹识别模块和键盘，并通过超外差发送和接收模块，间接控制机械锁部分。多特征电子机械锁不仅可以用管理员指纹和密码管理用户信息，还可以使用正确钥匙管理用户信息，目前市场上还没有具备该功能的锁出现。该锁功能强大，给用户带来了方便和快捷的同时，安全性也得到大大提高。