指紋識別技術門禁系統的設計與應用

蔡成煒，范海健，劉必洋

(1.蘇州工業職業技術學院電子系，江蘇 蘇州 215104;2.蘇州市職業大學電子信息工程系，江蘇 蘇州 215104;3.鹽城市廣播電視臺，江蘇 鹽城 224005)

目前廣電播電視臺的開放式經營導致進入電視塔的人員復雜，而由于媒體在政治上的特殊性，對進入大樓的人員須經過嚴格登記管理，然而這樣會導致工作效率低下。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，本文就此背景下設計出一套手紋識別認證系統，此系統不但提高了工作人員的工作效率，還大大減少了門衛管理人員的工作量。

1 系統整體設計方案

整個課題主要分成兩大部分，即指紋門禁終端設計和PC機終端數據管理軟件設計，為了避免傳統的PC機的串口與指紋識別設備直接相接帶來的復雜布線以及傳輸不可靠性等缺點，本系統數據傳輸方式采取的是目前流行的ZigBee無線通信技術。考慮到電視臺的實際情況，比如管理終端PC機不可能每天24 h一直開機，或者出現故障等情況，設計時要求每個部門的指紋門禁終端必須可以獨立完成指紋的預處理、特征提取、指紋比對等功能，然后將最新的存儲數據適時上傳給PC機，進行統一管理登記［1－5］。下面就筆者負責設計的實驗室指紋門禁終端作重點介紹，系統設計框圖如圖1所示。

圖1 實驗室的指紋門禁終端設計框圖

2 指紋門禁終端硬件電路設計

2.1 指紋模塊與單片機接口電路

本設計采用單片機的串口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，結合商用指紋算法的光學指紋傳感器，具有指紋錄入、圖像處理、特征值提取、模板生成、模板儲存、指紋比對和搜索等功能的智能型模塊。單片機作為上位機，而指紋模塊作為下位機，單片機發送命令給指紋模塊，指紋模塊響應命令后進行命令處理，將處理結果再傳給單片機，單片機根據響應的處理結果控制語音模塊和液晶顯示模塊。此外，此單片機內部集成了10 bit高速ADC。本設計通過間隔時間對電池電壓進行檢測，在電池電量不足、最低輸入電壓時，開始進行聲音和指示燈報警，提醒用戶及時更換電池，防止電池電量不足時，導致指紋門禁失靈。具體控制電路如圖2所示。

圖2 單片機控制電路

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，用以顯示系統的操作界面菜單。用軟件編程使單片機的P0.4口產生1 Mbit/s振蕩信號作為液晶屏的時鐘信號接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。數據的傳輸采取的是串口方式，單片機通過編程使P0.3口模擬成一個串口接液晶屏的DN腳，用來發送需要顯示數據和地址，而用P0.2口接接液晶屏的DC腳來選擇所接收過來的內容到底是數據還是地址。在系統工作過程中，考慮到節能，用單片機的P0.5接開關管Q3接液晶屏的BL腳來控制其背光的開關，還可以通過PWM調制背光亮度。

圖3 液晶屏顯示電路

2.3 MP3語音接口電路

為了讓系統具有更好的實用性，在系統中加入了MP3語言模塊，用來提示操作結果及報警功能。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卡中的語音文件，與單片機采取串口通信模式，有利于程序的調試。整個項目的設計方案中，單片機的串口為兩個，一個用于指紋模塊的通信，另一個用于本MP3模塊電路，接口電路如圖4所示。

圖4 MP3語音模塊接口電路

從圖中可以看出，MP3模塊的串口腳為15腳(RXD)、16腳(TXD)，用來接單片機的第二個串口腳P1.2(TXD2)、P1.3(RXD2)，串口命令為單字節指令。SD卡中錄入開機的提示音樂、指紋提示音、刪除指紋提示音等，并對每一個提示音進行數字編號，根據單片機與指紋模塊的通信信息來發出不同的提示音，MP3模塊根據單片機傳送過來的編碼播放不同的音樂。需要注意的是，語音文件時根據目錄在存儲卡上拷貝的先后順序而定的，所以拷貝文件時，要注意拷貝文件的先后順序與文件的編碼一定要對應起來，否則會出現混亂。另外，串口除了發送語音的編號外，還用來發送語音音量編碼，用來調節音量大小，模塊的17腳和18腳是雙聲道輸出端，由于驅動能力有限，不能直接接喇叭，本設計使用NE5532運放做了一個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，運放B取輸入兩路信號進行放大，當12接通時，運放B取第一個運放的輸出信號進行反向為BTL模式。

圖5 語音信號放大電路

3 軟件設計

3.1 TFS－M12 指紋模塊通信格式

TFS－M12指紋模塊作為從設備，由主設備發送相關命令對其進行控制。命令接口設定為比特率19200 bit/s，主設備發送的命令及指紋模塊的應答按數據長度等于8 byte來設計，數據格式如表1所示，其中CMD為命令/應答類型，P1，P2，P3 為命令參數，Q1，Q2，Q3 為應答參數，Q3多用于返回操作的有效性信息，CHK為校驗和，為第2個字節到第6個字節的異或值。

表1 8 byte的數據格式

3.2 單片機軟件設計

單片機的通信比特率采用的是19200 bit/s，通信方式采取的是查詢方式獲得數據，系統上電后，自動進入指紋搜索狀態，將來訪者得指紋與庫里的指紋進行比對。系統流程圖如圖6所示。

圖6 系統流程圖

4 小結

經測試，本系統有著指紋采集和比對時間非常短(一般小于0.5 s)、指紋誤識率小于1/107、整體性能穩定、制作成本低等優點，所以本系統能夠應用于電視臺門禁安全管理，同時具有較高的推廣應用價值。

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