指紋識(shí)別技術(shù)門(mén)禁系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

蔡成煒，范海健，劉必洋

(1.蘇州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子系，江蘇 蘇州 215104;2.蘇州市職業(yè)大學(xué)電子信息工程系，江蘇 蘇州 215104;3.鹽城市廣播電視臺(tái)，江蘇 鹽城 224005)

目前廣電播電視臺(tái)的開(kāi)放式經(jīng)營(yíng)導(dǎo)致進(jìn)入電視塔的人員復(fù)雜，而由于媒體在政治上的特殊性，對(duì)進(jìn)入大樓的人員須經(jīng)過(guò)嚴(yán)格登記管理，然而這樣會(huì)導(dǎo)致工作效率低下。所以在保證安全管理的前提下，提高工作效率顯得尤為重要，本文就此背景下設(shè)計(jì)出一套手紋識(shí)別認(rèn)證系統(tǒng)，此系統(tǒng)不但提高了工作人員的工作效率，還大大減少了門(mén)衛(wèi)管理人員的工作量。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案

整個(gè)課題主要分成兩大部分，即指紋門(mén)禁終端設(shè)計(jì)和PC機(jī)終端數(shù)據(jù)管理軟件設(shè)計(jì)，為了避免傳統(tǒng)的PC機(jī)的串口與指紋識(shí)別設(shè)備直接相接帶來(lái)的復(fù)雜布線(xiàn)以及傳輸不可靠性等缺點(diǎn)，本系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸方式采取的是目前流行的ZigBee無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)。考慮到電視臺(tái)的實(shí)際情況，比如管理終端PC機(jī)不可能每天24 h一直開(kāi)機(jī)，或者出現(xiàn)故障等情況，設(shè)計(jì)時(shí)要求每個(gè)部門(mén)的指紋門(mén)禁終端必須可以獨(dú)立完成指紋的預(yù)處理、特征提取、指紋比對(duì)等功能，然后將最新的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)適時(shí)上傳給PC機(jī)，進(jìn)行統(tǒng)一管理登記［1－5］。下面就筆者負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)室指紋門(mén)禁終端作重點(diǎn)介紹，系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)室的指紋門(mén)禁終端設(shè)計(jì)框圖

2 指紋門(mén)禁終端硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 指紋模塊與單片機(jī)接口電路

本設(shè)計(jì)采用單片機(jī)的串口1與TFS－M12指紋模塊通信，該模塊是以TI公司TMS320VC5501高速DSP處理器為核心，結(jié)合商用指紋算法的光學(xué)指紋傳感器，具有指紋錄入、圖像處理、特征值提取、模板生成、模板儲(chǔ)存、指紋比對(duì)和搜索等功能的智能型模塊。單片機(jī)作為上位機(jī)，而指紋模塊作為下位機(jī)，單片機(jī)發(fā)送命令給指紋模塊，指紋模塊響應(yīng)命令后進(jìn)行命令處理，將處理結(jié)果再傳給單片機(jī)，單片機(jī)根據(jù)響應(yīng)的處理結(jié)果控制語(yǔ)音模塊和液晶顯示模塊。此外，此單片機(jī)內(nèi)部集成了10 bit高速ADC。本設(shè)計(jì)通過(guò)間隔時(shí)間對(duì)電池電壓進(jìn)行檢測(cè)，在電池電量不足、最低輸入電壓時(shí)，開(kāi)始進(jìn)行聲音和指示燈報(bào)警，提醒用戶(hù)及時(shí)更換電池，防止電池電量不足時(shí)，導(dǎo)致指紋門(mén)禁失靈。具體控制電路如圖2所示。

圖2 單片機(jī)控制電路

2.2 液晶屏顯示電路

液晶屏顯示電路如圖3所示，顯示部分采用是48行84列的Nokia 5110 LCD液晶屏顯示，用以顯示系統(tǒng)的操作界面菜單。用軟件編程使單片機(jī)的P0.4口產(chǎn)生1 Mbit/s振蕩信號(hào)作為液晶屏的時(shí)鐘信號(hào)接SLK腳，用P0.0口作為液晶屏的使能控制端接SCE腳，低電平有效。用P0.1口接液晶屏的RST腳，用于初始化液晶屏，低電平有效。數(shù)據(jù)的傳輸采取的是串口方式，單片機(jī)通過(guò)編程使P0.3口模擬成一個(gè)串口接液晶屏的DN腳，用來(lái)發(fā)送需要顯示數(shù)據(jù)和地址，而用P0.2口接接液晶屏的DC腳來(lái)選擇所接收過(guò)來(lái)的內(nèi)容到底是數(shù)據(jù)還是地址。在系統(tǒng)工作過(guò)程中，考慮到節(jié)能，用單片機(jī)的P0.5接開(kāi)關(guān)管Q3接液晶屏的BL腳來(lái)控制其背光的開(kāi)關(guān)，還可以通過(guò)PWM調(diào)制背光亮度。

圖3 液晶屏顯示電路

2.3 MP3語(yǔ)音接口電路

為了讓系統(tǒng)具有更好的實(shí)用性，在系統(tǒng)中加入了MP3語(yǔ)言模塊，用來(lái)提示操作結(jié)果及報(bào)警功能。該模塊采取的核心芯片是AU6850B(芯片集成USB Host接口、SD接口、MP3解碼電路)可直接讀取SD卡中的語(yǔ)音文件，與單片機(jī)采取串口通信模式，有利于程序的調(diào)試。整個(gè)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)方案中，單片機(jī)的串口為兩個(gè)，一個(gè)用于指紋模塊的通信，另一個(gè)用于本MP3模塊電路，接口電路如圖4所示。

圖4 MP3語(yǔ)音模塊接口電路

從圖中可以看出，MP3模塊的串口腳為15腳(RXD)、16腳(TXD)，用來(lái)接單片機(jī)的第二個(gè)串口腳P1.2(TXD2)、P1.3(RXD2)，串口命令為單字節(jié)指令。SD卡中錄入開(kāi)機(jī)的提示音樂(lè)、指紋提示音、刪除指紋提示音等，并對(duì)每一個(gè)提示音進(jìn)行數(shù)字編號(hào)，根據(jù)單片機(jī)與指紋模塊的通信信息來(lái)發(fā)出不同的提示音，MP3模塊根據(jù)單片機(jī)傳送過(guò)來(lái)的編碼播放不同的音樂(lè)。需要注意的是，語(yǔ)音文件時(shí)根據(jù)目錄在存儲(chǔ)卡上拷貝的先后順序而定的，所以拷貝文件時(shí)，要注意拷貝文件的先后順序與文件的編碼一定要對(duì)應(yīng)起來(lái)，否則會(huì)出現(xiàn)混亂。另外，串口除了發(fā)送語(yǔ)音的編號(hào)外，還用來(lái)發(fā)送語(yǔ)音音量編碼，用來(lái)調(diào)節(jié)音量大小，模塊的17腳和18腳是雙聲道輸出端，由于驅(qū)動(dòng)能力有限，不能直接接喇叭，本設(shè)計(jì)使用NE5532運(yùn)放做了一個(gè)放大電路為雙聲道立體聲模式，如圖5所示，圖中P2接口的23接通，運(yùn)放B取輸入兩路信號(hào)進(jìn)行放大，當(dāng)12接通時(shí)，運(yùn)放B取第一個(gè)運(yùn)放的輸出信號(hào)進(jìn)行反向?yàn)锽TL模式。

圖5 語(yǔ)音信號(hào)放大電路

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 TFS－M12 指紋模塊通信格式

TFS－M12指紋模塊作為從設(shè)備，由主設(shè)備發(fā)送相關(guān)命令對(duì)其進(jìn)行控制。命令接口設(shè)定為比特率19200 bit/s，主設(shè)備發(fā)送的命令及指紋模塊的應(yīng)答按數(shù)據(jù)長(zhǎng)度等于8 byte來(lái)設(shè)計(jì)，數(shù)據(jù)格式如表1所示，其中CMD為命令/應(yīng)答類(lèi)型，P1，P2，P3 為命令參數(shù)，Q1，Q2，Q3 為應(yīng)答參數(shù)，Q3多用于返回操作的有效性信息，CHK為校驗(yàn)和，為第2個(gè)字節(jié)到第6個(gè)字節(jié)的異或值。

表1 8 byte的數(shù)據(jù)格式

3.2 單片機(jī)軟件設(shè)計(jì)

單片機(jī)的通信比特率采用的是19200 bit/s，通信方式采取的是查詢(xún)方式獲得數(shù)據(jù)，系統(tǒng)上電后，自動(dòng)進(jìn)入指紋搜索狀態(tài)，將來(lái)訪(fǎng)者得指紋與庫(kù)里的指紋進(jìn)行比對(duì)。系統(tǒng)流程圖如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)流程圖

4 小結(jié)

經(jīng)測(cè)試，本系統(tǒng)有著指紋采集和比對(duì)時(shí)間非常短(一般小于0.5 s)、指紋誤識(shí)率小于1/107、整體性能穩(wěn)定、制作成本低等優(yōu)點(diǎn)，所以本系統(tǒng)能夠應(yīng)用于電視臺(tái)門(mén)禁安全管理，同時(shí)具有較高的推廣應(yīng)用價(jià)值。

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