bob半岛物联网智能指纹锁的设计与制作docx近几年来，智能家居产业迅速发展，越来越多低成本智能家居进入普通家庭，人均智能设备拥有量也逐年升高。智能锁作为智能家居重要组成部分，也得益于产业的快速发展，相关产品的安全性更高、解锁速度更快半岛BOB·中国官方网站、体积更小、功耗更低、功能更多。但2018年的小黑盒破解指纹锁事件，使得大多数人对智能门锁的安全性仍持怀疑态度。智能锁相关产业报告数据显示，截止2018年6月底，在中国四亿家庭里，不到5%的家庭住宅配备了智能门锁；在中国的住房租赁公寓市场里bob半岛，智能门锁的渗透率仅10%左右。这些数据表明，中国的智能锁仍有巨大发展空间，尤其是家用领域。

　　本文设计基于STM32(Cortex-M3)平台，并结合现有的成熟无线网络技术，设计了一种性价比和安全性较高的家用智能指纹锁bob半岛。本文首先简要介绍了指纹识别技术，深入解读了国内外智能锁产业现状，总结了智能锁的功能需求痛点，分析了指纹锁系统的研究背景和意义。然后介绍了所设计智能指纹锁系统的总体框架,之后详细介绍了系统的硬件设计和系统的软件开发。

　　硬件部分，本文对元器件的选型和原理图的设计进行了详细分析。指纹传感器为瑞典FPC1020A电容式指纹模块，MCU采用STM32F103ZET6，图像传感器采用ov7670摄像头模块，非接触式读写卡器采用RC522射频模块半岛BOB·中国官方网站，互联网传输采用ESP8266模块，显示部分采用128*64的OLED屏半岛BOB·中国官方网站，锁模拟部分采用SG90舵机。

　　软件部分半岛BOB·中国官方网站，软件整体采用模块化设计方法，各个模块的驱动及系统整体架构在Keil环境下开发完成，移动终端采用机智云自定义APP，并在机智云的SDK内完成。

　　随着科学技术的进步和互联网产业的迅速发展，人们对提高生活水平也有了新的需求半岛BOB·中国官方网站，那就是生活智能化。智能家居作为智能化生活的重要组成部分，能够直接影响人们的生活质量。智能化的生活也使人们对安全性与便捷性有了新的要求，而日益发展的智能指纹锁也从其他领域进入到家庭，走进人们的生活。

　　指纹，由于其具有终身不变性、唯一性和方便性，已几乎成为生物特征识别的代名词。指纹是指人的手指末端正面皮肤上凸凹不平产生的纹线。纹线有规律的排列形成不同的纹型。纹线的起点、终点、结合点和分叉点，称为指纹的细节特征点（minutiae）[1]。

　　由于每个人的指纹不同且独一无二，即使是同一人的十根手指的指纹也是不同的，因此通过比较不同指纹的细节特征点就就可以鉴别每个人的身份信息半岛BOB·中国官方网站。其实，古中国的唐代就已经开始使用指纹了，古人们在认罪状、商业合同等文件上签字按手印，即签字画押。

　　由于人的手指在每次捺印时产生的方向误差，捺印力度不同，会使读取到的指纹产生不同程度的变形，又存在大量模糊指纹半岛BOB·中国官方网站，如何正确提取指纹的特征值和实现正确匹配半岛BOB·中国官方网站，是指纹识别技术的重点[2]。指纹识别技术涉及图像处理、模式识别、机器学习、计算机视觉、数学形态学、小波分析等众多学科。

　　指纹识别系统是一个典型的模式识别系统，包括指纹图像采集、指纹图像预处理、指纹图像的特征提取、匹配和比对等过程[3]。

　　在众多的生物特征识别技术中，指纹识别技术由于其成本低、采集方便、准确率高等优点而被人们广泛接受bob半岛，已经在各行各业得到了大量的应用。在金融领域，我们日常生活中的移动支付就是典型应用，还有取款机的身份认证等。在机关单位、企事业单位里，指纹识别主要应用在人员身份认证和授权、考勤等。在安全领域，智能锁主要功能就包含指纹识别，保险箱也是必备指纹识别功能，在移动终端和电脑端的隐私安全上，指纹身份认证也有大量应用。

　　智能门锁虽然不同于传统机械锁，但是智能门锁的发展是建立在传统机械锁的基础上，是一种在用户安全性、操作性、管理性方面更加智能化、简便化的锁具。一般认为，具有除了传统钥匙开锁以外开锁方式如指纹解锁、IC卡解锁、密码解锁、蓝牙解锁、远程联网解锁等任一解锁方式的门锁均被称为智能门锁。在智能门锁的产业里，分为家庭锁市场和公寓锁市场，本文仅在家庭锁市场内进行讨论。

　　智能门锁的产生就是为了解决“无钥匙开锁”这个影响了人们千百年的痛点。智能门锁经过几十年发展，紧随互联网潮流，在联网的基础上，智能门锁可实现更多功能半岛BOB，满足人们在不同场景下的功能需求bob半岛，比如分发开锁权限、获得门锁状态、与其他设备联动，安全监控等。智能锁主要功能与应用场景如表1.1所示：

　　由图1.1近十年中国家用智能锁销量图可以清楚地知道，从2014年开始bob半岛，家用智能门锁开始有了明显的增长趋势。在2017年这种增长速度达到了顶峰，销量开始爆发仅2017年的智能门锁销量就达到了800万套，销量同比增速1倍以上；2018年上半年订单量达到了830万套，销量接近800万套[4]。

　　下表1.2为世界主要国家和地区的家用智能锁渗透率。这里的市场渗透率是指我国所有家庭中有多少比例正在使用智能锁，是存量数据，截至2018年6月。

　　得益于半导体指纹传感器在移动终端上的迅速普及，指纹传感器供应商激烈竞争，已经使产品价格降低到不足2美元。半导体指纹锁的占比也从2015年的10%上升到2018年的60%。指纹传感器市场的主要供应商包括苹果（2012年收购了指纹传感器供应商Authentec）、FingerprintCards和SynapTIcs，以及中国地区的汇顶科技、地区的敦泰、神盾和义隆电子。其中Synaptics主要向三星供应指纹传感器，苹果则使用自家解决方案。

　　根据我国宽带发展联盟数据显示，2017年3季度，我国固定宽带家庭用户3.2亿户，普及率达到了70%以上，但凡有固定宽带的家庭，绝大多数都安装了无线路由器发射WiFi信号REF_Ref4494477\r\h0。在目前的智能家居市场上，各大厂商主要还是使用Wifi和ZigBee两种网络连接方式。蓝牙技术虽然已经发展到了现在的蓝牙4.2半岛BOB，但是信号连通性仍然是个亟待解决的大问题半岛BOB·中国官方网站，但由于其低功耗的特性，因此在可穿戴智能设备上半岛BOB·中国官方网站，蓝牙一直是必备功能。几乎各家各户都有的Wifi，由于其带宽高bob半岛，信号稳定的特性，常用于大型智能家居和对传输带宽有较高要求的智能家居上。由于智能家居一般需要7*24小时在线，因此功耗较高的Wifi技术就不能部署在每一个智能家居产品上，一般用于智能家居网关。对于小型智能家居产品如智能开关、智能传感器等，就需要ZigBee这种低功耗和高可靠性的通讯技术，且ZigBee组网可以容纳非常多的智能设备，是物联网技术应用的典型代表。从物联网技术快速发展以来，NB-IoT技术就一直在发展，但其应用场更多地是在智慧城市。表1.3为目前市面上的几种主流联网技术。

　　总的来说，得益于国内指纹识别大范围的应用和庞大的市场，指纹传感器研发投入加大，更新换代快，不少指纹传感器供应商跻身世界一流bob半岛。国内指纹锁市场经过几年的野蛮发展，已有五大派系、上千家企业、数千个品牌涌入。互联网巨头、老牌家电巨头、安防巨头和老牌门锁企业纷纷涉足智能门锁领域，智能锁行业形成了“巨头众多，杂牌更多”的不均匀发展的状况。

　　大多数人对指纹的印象是每个人的指纹是唯一的，因此指纹识别会被人们认为是一种安全性极高的身份认证方式。但是随着科技的进步，指纹模板的复制已经是一种成本较低的技术，再加上大众普遍缺乏保护个人隐私意识，以及在生活环境中无意识地留下许多指纹信息，单纯的指纹识别已经无法应对各种仿指纹套和指纹模了。甚至有些研究机构可以凭借简单的手指指腹图片就能制作出高精度的“假手指”，以此绕过指纹识别。单一生物特征识别的结果取决于传感器采集的信息，而采集信息可能含有噪声或失真、也可能遭受假冒攻击的侵害（比如被构造了一个人造手指或指纹）等，这样就使单一生物特征识别的可靠性和安全性遭到严重的挑战[6]。

　　因此，为了能够解决单一指纹识别身份认证在安全性方面存在的问题，就必须引入更复杂的身份认证机制，以此提高指纹锁的安全性bob半岛。具备生物识别功能的智能锁的成本是高昂的，比如视网膜和虹膜识别技术、掌纹识别技术、静脉识别技术、3D人脸识别技术半岛BOB·中国官方网站、步态识别技术等，这些新技术仍处于新兴阶段或者尚未成熟阶段，无法满足大多数人的需求。所以，设计一个安全性更高、性价比更高的智能门锁已成为急需解决的问题。鉴于此，我认为不同低成本身份认证技术的有机组合能以较低成本提供一种高安全性的身份认证系统。

　　据相关报道，广州的国家通用电子元器件及产品质量监督检验中心,对全国范围内的智能门锁产品进行了一次风险监测。监测结果显示，15%智能门锁被轻易打开,抽检人脸识别开锁无一合格[7]。这次广泛传播的智能门锁被小黑盒攻破事件，让人们对智能锁的安全性有了更高的要求。应对这类小黑盒电磁攻击，最好的防护方案就是增加屏蔽设计和增加系统内部纠错功能。目前2D人脸识别在智能门锁上的应用还不成熟且不安全，而3D人脸识别成本又太高，仅在一些高端锁中应用bob半岛，所以门锁上的普通2D摄像头应该用来安全监控和报警拍照。IC卡开锁需要经过一定加密才能应用在锁上，以防IC卡被非法读取复制。传统的静态密码开锁也有很大安全隐患，容易泄露，需要经常更换密码。所以需要引入一种动态密码机制，第三方终端如手机APP上生成有效期较短的随机动态密码，解决了传统密码锁保密性不足的缺点。智能锁应该分为联网模式和脱机模式，联网模式能提供各种便利的功能，脱机模式为网络中断或者外部供电停电时使用。

　　任意解锁方式多次解锁失败半岛BOB，发送警报信息到终端半岛BOB·中国官方网站，并启动扬声器进行警报，摄像头拍照和传输实时视频

　　门锁长时间未关紧发出警告，判定主人出门而未关门及时发警示音提醒，门锁未关紧时LED闪烁，终端可查