基于wifi的智能指纹密码锁设计

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摘 要

近年来随着社会经济的迅速发展，信息，安防产品的在安全性方面的风险越来越高，人们对个人隐私的保护意识也越来越强，同时随着物联网技术的发展，人们对安全的，方便的安防产品的需求越来越迫切。本课题主要研究基于WiFi的智能指纹密码锁的设计，致力于利用指纹识别技术和WiFi技术对指纹密码操控门锁和手机操控门锁的实现和设计，使门禁系统更加安全，更加方便。
论文系统地阐述了指纹识别技术和WiFi通信的发展，指纹识别技术的与单片机的结合使用技术、WiFi实现手机与单片机通信的技术、系统硬件设计和软件实现等。通过研究论证、设计实现了利用WiFi通信技术和指纹识别技术对门锁进行操控。通过不断地实验、分析、调试以及对各子模块电路设计。最终实现了通过指纹模块FPM10A进行指纹添加，搜索，比对，删除功能，实现对门锁的控制，以及通过WiFi模块ESP8266实现手机app对门锁的控制，成功设计出WiFi与指纹识别技术相结合实现物联网的控制系统。

关键词：物联网、WiFi、单片机、指纹识别、门锁

ABSTRACT

In recent years, with the rapid development of social economy, information, security products in the security risk is more and more high, people’s awareness of the protection of personal privacy is also more and more strong, also with the development of networking technology, people on the safety and convenient security products demand more and more urgent. The main content of this paper is to study the design of WiFi intelligent fingerprint password lock based on, is committed to by using fingerprint identification technology and WiFi technology of fingerprint password control lock and control the phone lock implementation and design, so that access control system more secure, more convenient.
Paper systematically describes the development of fingerprint identification technology and WiFi communication are systematically elaborated in this thesis, the combination of fingerprint identification technology and Microcontroller use WiFi, achieve the realization of mobile phone communication with the MCU technology, hardware design and software system. Through research and demonstration, the design and implementation of the WiFi communication technology and fingerprint identification technology to control the door lock. Through continuous experiment, analysis, debugging and the design of the circuit of each sub module. Realize through fpm10a fingerprint module to the fingerprint add, search, comparison, delete function, the door lock control, and realize mobile app to the door lock control through the WiFi module esp8266 and successfully design a WiFi and fingerprint recognition technology are combined to realize the controlling system of Internet of things.

Keywords: Things, WiFi，Microcontroller, fingerprint identification, door lock

目 录

第一章 绪论 1
1.1 引言 1
1.2 选题背景与意义 1
1.3 门禁系统技术的研究状况 1
1.4 本文的结构 3
第二章 系统总体方案设计 4
2.1 指纹识别技术和WiFi通信技术概述 4
2.1.1 指纹识别技术的原理和特点 4
2.1.2 WiFi通信技术的原理及特点 5
2.2 基于wifi的智能指纹密码锁设计的整体方案 5
第三章 系统硬件设计 6
3.1 基本工作原理和框图 6
3.1.1 系统工作原理 6
3.1.2 系统原理框图 7
3.2 主控芯片的选择及电路设计 7
3.2.2 振荡电路设计 10
3.2.3 显示部分电路设计 11
3.2.4 继电器电路设计 12
3.2.5 按键电路设计 13
3.3 功能模块设计 13
3.3.1无线传输模块的选取及设计 13
3.3.2 指纹模块的选取及设计 16
第四章 软件系统设计 19
4.1WiFi模块的程序设计 19
4.1.1 ESP8266模块配置 19
4.1.2数据通信 21
4.1.2 数据解析 22
4.2 手机APP程序设计 25
4.2.1 APP的界面设计 25
3.1.2 与ESP8266连接 27
4.3 指纹模块程序设计 29
4.3.1 初始化配置 29
4.3.2 数据通信 30
4.3.3 指纹录入功能软件设计 31
4.3.4 指纹录入功能软件设计 35
功能函数代码如下： 36
4.3.4 指纹删除功能软件设计 37
4.4 系统整体软件设计 38
第五章 调试过程 40
5.1 硬件调试 40
5.2 软件调试 40
5.3 软硬件联合调试 43
第六章 总结 46
6.1 工作总结 46
6.2 感想与体会 46
致谢 47
参考文献: 48
附录A：基于WiFi的智能指纹密码锁设计实物图片 49
附录B：硬件设计原理图与PCB图 50
附录C：程序部分清单 51

第一章 绪论

引言
随着科技的进步和社会的发展，在我们的工作和日常生活中有许许多多的方面都需要身份的认证，而现在以往相对传统的身份认证，识别技术却受到了不法分子身份伪造和密码破解等非法方式和行为的影响，出现了很多漏洞。为了保护自身的隐私和资料不被泄露和窃取，同时让用户更方便的使用产品，门禁、安防、智能设备应用等领域都引入了很多新技术。
指纹识别技术和WiFi通信技术的发展为解决这一系列问题提供了非常大的支持，目前，如何将这些技术应用于门禁，安防系统中成为了许多学者研究的方向。利用这些技术可以实现对门锁的安全且方便地控制，使用户使用得更加放心，便捷。

选题背景与意义
指纹研究是生物识别技术的发展的开始，目前它亦是世界上应用最为广泛的生物识别技术之一。指纹识别技术的迅速发展主要是得益于现代电子制造技术和快速可靠的算法的研究。尽管人类的指纹只是人体皮肤的小部分，然而在识别的数据量却是相当的大，而对这些数据的比对和处理也很不容易，需要模糊匹配算法的大的量运算。我们现在可以制造很微型的指纹图像识别读取设备，同时随着快速提升的用户计算机运算速度也为在计算机甚至单片机上可以进行两个指纹的比对运算提供了的可能。另外，匹配算法的精确性和可靠性也不断提升，指纹识别技术己变得非常成熟。
同时由于2015年后，国家大力扶持物联网行业，物联网行业迎来了大的机遇和发展空间，物联网产品也进入了高速发展的时代，“物联网”产品越来越多地融入我们的日常生活中，在这种大趋势下我们也可以将门锁与WiFi技术相结合，实现利用手机就能操控开关的门锁。
如今将物联网技术和各类技术结合已成为大趋势，完成基于WIFI的智能指纹密码锁设计具有很重要的意义和良好的市场前景。

门禁系统技术的研究状况
如今是科学技术迅速进步、不断发展的信息化时代。高新科学技术在给人类的带来的非常多的帮助和好处，与此同时，人们对于高新科学技术与生活联接的要求也是越来越高。但是随着科技的飞速发展，也带来了许多不安全的因素，例如，有些不法分子运用高科技手段进行的抢劫、间谍和盗窃等非法犯罪行为与日增多。
门禁系统，又可以被称作出入口控制系统。在何时拒绝某些人通行，放某些人通行，何时要发出报警，记忆出入的人员信息，从而达到保障安全的目的，是门禁系统的最重要以及最关键的功能。
目前国内人们生活中所使用的门锁设备主要有以下几种：
（1） 铁锁和暗锁等门锁设备。相对传统的门锁，也是现在中国人们使用最多的，它是单纯的匹配性机械设备，无论它的构造再怎么坚固，一把在店里配置的钥匙就能够打开，而且不会留下开锁的痕迹，如果钥匙丢了就得连带着门锁一起要换，所以非常的不安全。
（2） 磁卡门禁。利用磁卡来控制门锁，虽然各种性能都有所提高，但是由于磁条储存能够储存的信息量很小，读卡器与磁卡间会产生无法修复的磨损，并且读卡器容易被为破坏掉，所以它的可靠性和安全就会受到很大的限制。
（3） 密码解锁门禁。采用键盘输入密码的方式来进行门禁的解锁，但和钥匙解锁一样，存在密码遗忘，密码泄漏等安全问题。
（4） 接触式智能IC卡门禁系统。智能IC卡具有存储数据和数据运算的功能，经过授权和初始化之后能够成为控制门锁打开和关闭的钥匙，计算机作为控制管理主机，通过读卡器的联接管理门锁。但存在接触磨损、难以维护、基础设施投入大的缺点。
（5） 非接触式智能IC卡门禁系统。采用新开发的NFC近场通信技术，与接触式类似，减少了磨损，但成本投入依旧很大。
（6） 生物识别技术门禁系统。生物识别因为它的安全性不断提高及价格的降低，越来越多地应用于门禁系统中，生物识别技术主要包括了指纹、脸型、掌型、虹膜等，目前应用最广泛的要数指纹识别技术，因为人类指纹的唯一性，使得了指纹识别技术成为了门禁系统的绝对安全保障。
针对以上的传统门禁安全控制技术存在的缺点，我们可以利用指纹识别技术和WIFI通信技术的结合更见完美地解决门禁系统的很多问题。指纹技术与WiFi技术的发展现况如下：
目前为止，指纹识别技术和WiFi通信技术已经得到了长足的发展。由于其相对于传统技术的优越性，多技术的融合在未来必然有个璀璨的发展前景，它的发展主要体现各个方面。
在指纹识别技术方面，有很多对其进行的研究：随着图像处理技术研究的发展，各种相关的指纹识别的算法百家争鸣，例如方向性图过滤，频率域滤波，时域滤波等；另一方面，在当今数字信号处理器的出现与快速发展中，通用数字信号处理器芯片越来越多地应用于指纹图像处理中[13]。如基于DSP的指纹识别系统，对指纹识别的主要包括算法和应用2个方面进行研究。如基于 ARM9 的指纹采集和识别系统，采用三星公司ARM9核心的S3C2440A处理器组建了嵌入式硬件结构完成了该款新型指纹传感器FPC1011F在ARM9 系统的硬件和软件设计，并在 MATLAB 中将采集到的指纹数据进行了还原，证明采集性能优良[16]。也有基于Finchos IC-Bus Rev.A2总线结构、8BITS FMCU8KB嵌入式微控制器、FID116KMG指纹识别处理模块的专用指纹识别集成电路进行开发的防盗门，提供32可编程接口，SPIFLASH接口，SPI指纹传感器接口，光电传感器通讯接口，DMA数据命令控制通道，UART通讯调试接口，PWM音频输出接口，通过内嵌的微控制器对片上各功能单元与外部芯片的协调[4]。
在WiFi通信技术的使用方面，很多都是应用到了Android设备上。在Android系统移植到其他嵌入式设备中，Android系统中wi-Fi的底层驱动移植是其中一个关键部分，通过对底层Wi-Fi接口以及对wi-Fi驱动移植的研究，将更有效地实现Android系统在其他嵌入式设备上的移植及开发相应wi-Fi网络的应用程序[11]。WiFi通信技术具有独特的优势：（1）无线电波的覆盖范围广，比蓝牙，nrf等应用到移动设备上的通信技术传播距离都远；（2）WiFi的传输速度很快，最高可以达到速度54Mbps，符合个人和社会信息化的需求[12]；（3）健康并且安全；（4）无须布线，可以不用受到地理条件的限制，因此非常适合移动办公人群的需要；（5）WiFi应用现在已经非常普遍。但门禁系统对于WiFi技术的应用还不成熟，有很大的发展空间。
本文的结构
本文以门锁控制系统为前提，研究基于Wifi通信技术和指纹识别技术的智能门禁系统设计。全文共分为七章，各章的主要内容介绍如下：
第一章扼要地介绍了引言和课题的选题背景与意义及门禁系统控制技术的研究状况；
第二章涉及了指纹识别技术和WIFI通信技术的概述以及整个系统的设计蓝图等；
第三章为全文的最重要的部分，即系统硬件设计，该部分先对整个系统原理进行详细地论述，设计系统硬件框图，然后设计主控电路，EPM10A指纹识别模块原理及使用，ESP8266Wifi模块原理及使用，以及电磁门锁电路等；
第四章为软件设计部分，该部分主要是实现单片机与EPM10A模块通信及控制程序设计，与ESP8266模块通信及控制程序设计，单片机主程序设计，手机app程序设计，系统软件流程图和软件的部分代码；
第五章介绍了软件和硬件，以及软硬件结合的整体调试过程还有许多我在调试期间遇到的问题，以及解决过程；
第六章总结本次毕业设计的研究工作，还有感悟。

第二章 系统总体方案设计

2.1 指纹识别技术和WiFi通信技术概述
每一个人类的指纹的纹路在断点、交叉点和图案上都是不一样的，呈现其唯一的特性且一辈子不会改变。这样，我们就能够把每一个人和他的指纹对应，再通过把他的指纹和预先保存的指纹数据进行对比，这样就可以验证出它的真实身份，这就是指纹识别技术。指纹识别主要根据人的指纹的

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