指紋識別模塊的二次開發與應用研究

張學斌

(懷化學院物理與信息工程系, 湖南懷化 418008)

早期人們采用密碼對自己的信息等進行加密保護或安全認證,“密碼”一詞對人們來說并不陌生,如個人在銀行取款使用 “密碼”,開啟保險箱使用 “密碼”,等等.這里指的是一種特定的暗號或口令字.由于這些密碼僅僅由數字或字母數字組合而成,存在被破解或被他人竊取的風險,因此人們開始使用指紋識別技術,指紋識別技術是通過計算機實現的身份識別手段,也是當今應用最為廣泛的生物特征識別技術[1].指紋識別現已經廣泛應用在門禁系統、保險柜等領域.每個人的指紋獨一無二的,他人不能替代,且不能輕易被仿制,因此指紋識別技術相對與密碼來說,它的安全性大大提高了,基于指紋的安全密鑰系統也成為數字化生活中最高級的安全密鑰系統[2].但是,隨著現在科技的發展,特別是立體打印技術的不斷成熟,使得指紋被仿制成為可能.如果指紋一旦被泄露而且被成功仿制,那么基于指紋識別技術的加密產品將是形同虛設.針對密碼和指紋存在的安全風險,本文設計了一種將密碼和指紋模塊結合實現二者雙重加密的功能,只有在指紋匹配和數字密碼正確的情況下,才能執行相應的操作,大大提高了安全性.

1 系統總體方案設計

1.1 系統總體結構及工作原理

本系統的硬件主要由微處理器、指紋識別模塊、液晶顯示模塊、4＊4鍵盤、報警電路和執行機構等組成.

圖1 系統總體結構框圖

微處理器作為系統的核心,控制整個系統各模塊正常運作.系統工作時先等待4＊4鍵盤輸入密碼 (初始密碼由系統事先設定,如 “000000”.),密碼輸入正確則等待指紋輸入,指紋輸入后自動與指紋庫中已存取的指紋進行比對,比對成功則可進行指紋添加、刪除或密碼修改等操作 (密碼輸入正確后,若指紋庫中無指紋,則直接進入指紋添加或密碼修改操作,若指紋庫中有指紋,則必須比對指紋成功后才能進行指紋的再添加、刪除和密碼修改等操作).密碼輸入3次均不正確則啟動報警電路報警.液晶顯示模塊采用12864,用于顯示當前執行的操作并顯示操作的相關信息,它和鍵盤一起組成人機界面.執行機構是指在用戶輸入密碼正確且指紋比對無誤的情況下由微處理器執行相應的操作,比如開啟保險箱、打開機密文件等[3].

1.2 系統各模塊功能簡介

指紋識別模塊采用TFS-M12型高級DSP指紋模塊,主要由指紋采集頭和指紋處理兩部分組成,指紋采集頭采用光學指紋傳感器,指紋處理板由高性能DSP處理器和FLASH等芯片構成.該模塊以TI公司的TMS320VC5416高速DSP處理器為核心,結合具有公司自主知識產權的商用指紋算法 (TFS-9),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,可主要完成指紋特征的采集、比對、存儲、刪除等功能[4].

4＊4鍵盤示意圖如圖2所示,0-9為數字密碼輸入鍵,Back為退格鍵,Enter為確認鍵,Chag為修改密碼鍵,Del為刪除指紋鍵,Add為添加指紋鍵,Go為執行相應操作鍵,在這里指控制繼電器的閉合,具體如打開門鎖等.

圖2 4＊4鍵盤示意圖

電源模塊由直流穩壓電源和備用電源兩部分構成,當有220V市電時,由直流穩壓電源給系統供電,同時給備用電源充電,當停電或被人為斷電時,由備用電源給系統供電.這樣可以避免因停電而導致系統無法工作的情況發生[5].

微處理器采用AT89S51單片機,成本低,與指紋模塊、顯示模塊等各模塊的接口電路簡單,管腳夠用,使用方便,易于操作.

液晶顯示采用帶中文字庫的12864,每屏最多可顯示4行8列共32個16×16點陣的漢字,可對各次操作的狀態和結果進行顯示輸出,與4＊4鍵盤組成輸入輸出人機交互界面.

圖3 報警電路

報警電路采用蜂鳴器報警,電路如圖3所示,當密碼輸入次數達到3次時,單片機置BEEP腳為高電平并持續一段時間,在此期間PNP管Q1導通,蜂鳴器發出響聲報警.持續一段時間后警報自動解除[6].

執行機構指用單片機控制繼電器的吸合,從而實現比如門鎖的開啟等具體的操作.

2 軟件設計流程

本系統軟件設計主流程圖如圖4所示,首先,程序初始化,定義相應的端口及變量類型.然后主程序等待密碼輸入,若輸入密碼不正確次數達3次,則啟動蜂鳴報警電路進行報警,若密碼輸入正確,則等待指紋模塊采集指紋與指紋庫中已經注冊的指紋進行比對 (若指紋庫中無指紋,則直接進入下一步),若采集的指紋與指紋庫中保存的指紋比對不成功,則返回繼續采集指紋,直到采集到正確的指紋為止,當指紋比對正確后,按相應的鍵可進行修改密碼、添加指紋、刪除指紋和執行相應的操作[7](P53-84).

綜上所述,本文介紹的基于指紋識別模塊TFSM12和數字密碼的二次加密系統,結合了數字密碼可修改和指紋唯一性的特點,將數字密碼和指紋進行二次加密,實現雙重保險,既彌補了數字密碼易破解、泄露的缺點,也可防止因指紋被仿制而導致意外損失的發生,大大提高了系統的安全性.

圖4 系統主程序流程圖

[1]劉暢,李曉東,畢云峰.基于LabVIEW虛擬儀器技術的指紋識別報警系統的設計 [J].現代電子科技,2012,35(4):188-191.

[2]姚慶君,單佳佳,楊宜霖.汽車指紋識別門鎖軟硬件設計[J].微計算機信息,2010,26(2):161-162.

[3]趙亮,龔鳴敏.基于指紋識別的身份認證技術研究[J].微計算機信息,2006,22(25):301-304.

[4]王武軍.指紋識別的二次開發應用[J].電腦編程技巧與維護,2003,11(12):56-59.

[5]何軍.指紋識別技術的研究與應用[D].北京:首都經濟貿易大學,2004.

[6]符鴻亮,基于DSP和FPGA的自動指紋識別系統硬件設計與實現 [D].成都:電子科技大學,2007.

[7]余錫存,曹國華.單片機原理及接口技術[M].西安電子科技大學出版社,2007.