一种基于电容数字转换器的手势密码锁的制作方法

本实用新型涉及密码锁领域，具体而言，涉及一种基于电容数字转换器的手势密码锁。

背景技术：

随着科技水平的不断提高，人们的安全防范意识日益增强。而传统的机械锁按键触点易损坏，钥匙易丢失，易撬锁，安全性、保密性不高，已经不能满足人们日益增长的财产保护要求。电子密码锁是在传统机械锁的基础上改进的采用密码输入的控制电路实现开锁、闭锁的电子产品。电子密码锁较传统机械锁而言，安全性好、稳定性高、保密性好，可以满足人们的财产保护需求。

从锁的发展趋势来看，目前主要向刷卡、指纹、电子等方向发展，这三种密码锁的方式较传统机械锁有很好的保密性，但也有一定的局限性。刷卡式密码锁可以用自己的IC卡来开锁，操作简单，但对IC 卡的要求比较高，如果和强磁的物体接触，IC卡有可能磁性减弱，无法打开密码锁。电子密码锁具有操作快、修改密码简单随意、只需输入0-9数字即可开锁等优点，但稳定和耐用性不好。指纹作为钥匙，保密性强，易用，但对手的干湿度要求比较严，对手指放的位置的识别也比较呆板。

技术实现要素：

为了提高锁具的保密性和安全性，降低对钥匙的依赖，本实用新型设计了一种基于电容数字转换器的手势密码锁。

为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案如下：

一种基于电容数字转换器的手势密码锁，其特征在于，包括手势识别模块、传感器模块、主控单元、解锁控制单元、报警单元和按键输入单元；

所述手势识别模块输出端与传感器模块的输入端连接；

所述主控单元输入端分别与传感器模块的输出端和按键输入单元的输出端连接；

所述主控单元输出端分别与解锁控制单元的输入端和报警单元的输入端连接。

优选的，所述手势识别模块包含有铜制探头，所述铜制探头分为两部分，分别为用于检测指尖部位的上部与用于检测手心部位的下部。

优选的，所述铜制探头上方1cm处设有一层亚克力板。

优选的，所述按键输入单元采用4*4矩阵键盘。

优选的，所述传感器模块为FDC2214电容数字转换器。

优选的，所述主控单元采用STM32单片机。

优选的，所述报警单元采用蜂鸣器与发光二极管。

有益效果：

1.本实用新型采用电容数字转换器将手势信息转化为数字量，降低功耗与成本、提高转化稳定性和精度。

2.本实用新型采用手势识别与数字密码相结合的双重身份验证方法，若密码输入多次失败，则驱动报警单元进行声光报警，保密性好且稳定性高，可广泛应用于商业办公、小区公寓、密码箱等诸多行业。

3.本实用新型在铜制探头上方1cm处设有一层亚克力板，亚克力板与探头位置适中，既有利于探头灵敏检测到不同手势，又减少了亚克力板的微小形变对输入电容值产生较大的影响，采用此种结构增强了手势识别的稳定性和可靠性。

附图说明

图1为系统结构框图

图2为手势识别区域示意图

图3为手势放置方式示意图

图4为传感器模块电路图

图5为单片机最小系统电路图

图6为解锁控制单元电路图

图7为报警单元电路图

图8为按键输入电路图

图9为手势识别流程示意图

图10为系统程序流程图

具体实施方式

针对现有技术中的上述问题，本实用新型目的在于提供一种基于电容数字转换器的手势密码锁，为使本实用新型的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本实用新型进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

如图1所示系统结构框图，包括手势识别模块、传感器模块、主控单元、解锁控制单元、报警单元和按键输入单元。所述手势识别模块输出端与传感器模块的输入端连接；所述主控单元输入端分别与传感器模块的输出端和按键输入单元的输出端连接；所述主控单元输出端分别与解锁控制单元的输入端和报警单元的输入端连接。

手势识别模块：手势识别区域如图2所示，两片铜制探头上下分布，分别与电容数字转换器通道相连接。手势放置方式如图3所示，中心的椭圆区域用以放置手心，中上方区域用以放置指尖，采用这种结构，将手掌与手指区分开，使输入不同手势时，转换出的数字量区分度更高，以增加手势识别的精度。表面是一层亚克力板置于探头上方约1cm处，此距离若过大，则探头难以灵敏地检测到不同的手势，若过小，则会使亚克力板的微小形变对输入电容值产生较大影响。因此，采用此种结构增强了手势识别的稳定性和可靠性。

传感器模块：传感器模块电路如图4所示，传感器模块包括数据采集模块和与外部模块相连的五个端口，分别为P1-P5，其中P1和主控单元的IIC通信接口及电源相连进行数据的传输，P2、P3、P4、 P5和探头相连接，数据采集模块对手势进行信息的采集，数据采集模块主要由FDC2214电容数字转换器构成，FDC2214采用创新型抗 EMI架构，即使在高噪声环境中也能维持性能不变。FDC2214是面向电容式传感解决方案的抗噪声和EMI、高分辨率、高速、多通道电容数字转换器系列。该系列器件采用基于窄带的创新型架构，可对噪声和干扰进行高度抑制，同时在高速条件下提供高分辨率。该系列器件支持宽激励频率范围，可为系统设计带来灵活性。宽频率范围对于导电液体(例如清洁剂、肥皂液和油墨)感测的可靠性特别有用。

主控单元：主控单元主体为单片机最小系统，单片机最小系统电路图如图5所示，控制器是手势密码锁的核心，该手势密码锁采用 STM32F103ZET6基于ARM架构的微控制器作为核心控制系统。 STM32F103ZET6是ARM Cortex-M系列控制器的一种，具有72M 主频，STM32F103ZET6由5个通用异步收发器(UART)、2个看门狗定时器(独立的和窗口型的)、11个定时器、13个通信接口、多达112 个IO接口、2个12位ADC模块，并具有64KB系统SRAM和256KB 的FLASH，而且支持睡眠、停机和待机模式。

解锁控制单元：解锁控制单元电路如图6所示，解锁控制单元电路的输入与单片机STM32的PB0端口相连。在单片机没有进行解锁操作时，PB0输出低电平，使得VD1截止，SCR1不导通，继电器或接触器K不动作，相当于“断开”状态。单片机给出高电平信号后，电压经R1、AN、VD1为SCR1提供触发电流使其导通，K得电，触点接通负载工作。由于电容两端电压不能突变，因而SCR2在接入高电平时不导通，电流经R3、VD2向C充电。若再次接入高电平时，此时电容C上的电压作为SCR2的触发电压，使SCR2导通，SCR1的阳极电压降低，SCR1截止，K释放。电容C通过R2、SCR2的控制极、阴极进行放电，电路恢复到原来状态，从而实现自锁作用。

报警单元：报警单元电路如图7所示，采用蜂鸣器和发光二极管作为报警装置，其中，单片机PA0端口与蜂鸣器驱动电路相连接，单片机PA1端口与发光二极管驱动电路相连接。在电路中，三极管作开关作用。在报警电路未启动时，单片机向两个电路的输入端口输入低电平，三极管集电极与发射极不导通，故无法启动发光二极管与蜂鸣器。当输入密码次数超过设定次数时，STM32单片机向两个电路的输入端口输出高电平，两个二极管的集电极与发射极导通，使得该电路顺利驱动蜂鸣器与发光二极管。通过声音和灯光达到报警效果。

按键输入单元：按键密码输入电路由4*4矩阵键盘构成，为了减少I/O口的占用，将按键排列成矩阵形式。在矩阵式键盘中，每条水平线和垂直线在交叉处不直接连通，而是通过一个按键加以连接。列线和行线分别接入单片机I/O口，通过软件扫描的方式读取键值。

按键电路如图8所示，8个端口分别与单片机STM32的PF0-PF7 相连，进行信息的输入。其中0-9为数字按键，用于数字密码的输入； ENTER为确定键，用于密码输入完成后，按此键解锁开门及手势信息录入时的按键确认；ESC为取消键，取消当前操作，重新输入；右列四个未标注的键为待扩展功能键。

在本系统确认手势信息正确后，选通按键输入电路，通过矩阵键盘输入数字密码。矩阵键盘采用行扫描法进行键值读取，行扫描法又称为逐行(或列)扫描查询法，是一种最常用的按键识别方法，如图 6所示键盘，介绍过程如下：

1、判断键盘中有无键按下：将全部行线置低电平，然后检测列线的状态。只要有一列的电平为低，则表示键盘中有键被按下，而且闭合的键位于低电平线与4根行线相交叉的4个按键之中。若所有列线均为高电平，则键盘中无键按下。

2、判断闭合键所在的位置：在确认有键按下后，即可进入确定具体闭合键的过程。其方法是：依次将行线置为低电平，即在置某根行线为低电平时，其它线为高电平。在确定某根行线位置为低电平后，再逐行检测各列线的电平状态。若某列为低，则该列线与置为低电平的行线交叉处的按键就是闭合的按键。

系统软件设计

本系统以STM32F103ZET6单片机为主控芯片，配合FDC2214 电容数字转换器，对手势进行识别、分析、判断等一系列操作。

手势检测系统的工作原理：当密码输入者将手放到检测装置上时，探头下极板(椭圆极板)与地之间的电容值增加，随后通过单片机内置定时器完成1秒延时以等待卡尔曼滤波器的输出值稳定，再将输入的电容值与初始化时录入的阈值进行比对，以此快速的获得检测的手势。

手势信息录入工作原理：在系统初始化时，需对密码输入人员的不同手势信息进行录入，以确定阈值。密码输入人员按照规定的顺序在检测装置上比分别比出“1、2、3、4、5”的手势，并通过按键确认，在所有手势录入完成后，单片机自动退出录入模式，进入识别模式， FDC2214模块获取电容值后将数字量输入单片机，随后单片机计算生成阈值。

具体阈值确定流程如下：阈值确定公式如式(1)所示，

式(1)中，T(n)为阈值，C(n)为传感器读出的当前手势电容值， C(n+1)为传感器读出的下一手势的电容值。在读取C(n)、C(n+1)值后，将数值代入式(1)计算出阈值T(n)，即为系统阈值。手势判别密码输入过程中，单片机通过如图9所示流程完成对输入手势的判别。

卡尔曼滤波器是一种由卡尔曼(Kalman)提出的用于时变线性系统的递归滤波器。卡尔曼滤波器不断的将协方差递归，从而估算出变量的最优值。设计中的总体思路如图9所示：

首先要利用系统的过程模型，来预测下一状态的系统。

假设现在的系统状态是k，根据系统的模型，可以基于系统的上一状态而预测出现在状态：

X(k|k-1)＝AX(k-1|k-1)+BU(k) (2)

式(2)中，X(k|k-1)是利用上一状态预测的结果，X(k-1|k-1)是上一状态最优的结果，U(k)为现在状态的控制量，如果没有控制量，可以为0。到现在为止，系统结果已经更新了，而对应于X(k|k-1)的协方差尚未更新。

用P表示协方差：

P(k|k-1)＝AP(k-1|k-1)A′+Q (3)

式(3)中，P(k|k-1)是X(k|k-1)对应的协方差，P(k-1|k-1)是X(k-1|k-1) 对应的协方差，A’表示A的转置矩阵，Q是系统过程的协方差。式子 (2)、(3)就是卡尔曼滤波器5个公式当中的前两个，也就是对系统的预测。

有了现在状态的预测结果，然后再收集现在状态的测量值。结合预测值和测量值，可以得到现在k状态下的最优化估算值X(k|k)：

X(k|k)＝X(k|k-1)+Kg(k)(Z(k)-HX(k|k-1)) (4)

其中Kg为卡尔曼增益(KalmanGain)：

Kg(k)＝P(k|k-1)H′/(HP(k|k-1)H′+R) (5)

至此，已经得到了k状态下最优的估算值X(k|k)。

但是为了要令卡尔曼滤波器不断的运行下去直到系统过程结束，还要更新k状态下X(k|k)的协方差：

P(k|k)＝(I-Kg(k)H)P(k|k-1) (6)

其中I为1的矩阵，对于单模型单测量，I＝1。当系统进入k+1状态时，P(k|k)就是式子(3)的P(k-1|k-1)。这样，算法就可以自回归的运算下去，最终得出最优值。

本系统的程序流程图如图10所示，系统启动初始化后，判断是否有手势输入，当有手势输入时，单片机通过电容数字转换器采集手势信息，将采集到的手势信息与设定手势进行数据比对，如果符合，选通按键输入电路，进入密码输入界面；否则重新进行手势输入。在密码输入界面，通过按键输入单元输入密码，设定输入次数，若在设定次数内输入正确的密码，主控单元发送控制信号驱动解锁控制单元开锁；否则单片机发送控制信号驱动报警电路进行声光混合报警。实验测试

为检测本实用新型的安全性，采取以下实验：实验分甲、乙两组进行，每组各5次实验。甲组实验对已进行手势录入的人员进行手势识别，乙组实验对未进行手势录入的人员进行手势识别，实验测试结果数据如下：

表1甲组实验测试结果

表2乙组实验测试结果

由表1与表2数据可知，只有对指定人员进行手势识别，系统才可以保持高准确性；对其他人员的手势有很高的不确定性。实验结果表明，基于电容数字转换器的手势密码锁有更高的安全性和保密性。

对于本领域技术人员而言，显然本实用新型不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本实用新型的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本实用新型。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本实用新型的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本实用新型内。不应将权利要求中的任何标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。