基于指紋識(shí)別的智能排隊(duì)系統(tǒng)*

張 凱 ，薛 飛，劉 奔

(南京信息工程大學(xué)信息與控制學(xué)院，南京210044)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，人們出行的幾率越來(lái)越高，而人們出行首選的交通工具大部分還是火車與汽車，排隊(duì)買票是乘客出行的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，如今因買票時(shí)插隊(duì)而發(fā)生的乘客糾紛事件已屢見(jiàn)不鮮，這不僅嚴(yán)重影響了售票系統(tǒng)的進(jìn)行與秩序，也耽誤了大量乘客的時(shí)間，并且也引發(fā)了乘客對(duì)車站秩序的不滿。因此，如何解決胡亂插隊(duì)這一長(zhǎng)久問(wèn)題，構(gòu)建一個(gè)輕松、和諧、有序的智能排隊(duì)系統(tǒng)已經(jīng)迫在眉睫。

作為一種具有代表性的生物特征識(shí)別方法，指紋識(shí)別利用指紋的終身唯一性得到了廣泛的關(guān)注［1］。本文在排隊(duì)系統(tǒng)中通過(guò)區(qū)分指紋來(lái)辨別出不同的排隊(duì)等候的客戶，將指紋識(shí)別技術(shù)與排隊(duì)系統(tǒng)相結(jié)合，搭建了一個(gè)基于指紋識(shí)別的智能排隊(duì)系統(tǒng)，該系統(tǒng)能很好的防止插隊(duì)現(xiàn)象，構(gòu)建和諧的售票環(huán)境。

1 系統(tǒng)方案論述

為了解決車站買票時(shí)亂插隊(duì)的現(xiàn)象，本文提出了基于指紋識(shí)別的智能排隊(duì)系統(tǒng)，其具體要求與功能:每個(gè)售票窗口都是并列運(yùn)行，互不干擾的，乘客根據(jù)每個(gè)窗口的液晶屏幕顯示的實(shí)時(shí)排隊(duì)情況選擇售票窗口，通過(guò)該窗口的指紋識(shí)別模塊進(jìn)行指紋登陸，獲取排隊(duì)號(hào)，而后進(jìn)行排隊(duì)，等待窗口語(yǔ)音提示。選擇售票窗口后，乘客首先按“取號(hào)”鍵，通過(guò)指紋識(shí)別器錄入指紋，獲取排隊(duì)號(hào)，然后當(dāng)聽(tīng)到揚(yáng)聲器提示“請(qǐng)第X 號(hào)窗口的第XX 號(hào)買票”時(shí)，乘客應(yīng)到窗口買票，此時(shí)按“指紋識(shí)別”鍵，乘客通過(guò)指紋識(shí)別器進(jìn)行指紋識(shí)別，若與數(shù)據(jù)庫(kù)中指紋特征吻合則可以買票，否則蜂鳴器會(huì)連續(xù)發(fā)出警報(bào)聲，同時(shí)顯示屏上提示“請(qǐng)您繼續(xù)排隊(duì)!”，為了防止有人退出售票系統(tǒng)，允許在五個(gè)特征指紋范圍內(nèi)的誤差。每當(dāng)一位乘客購(gòu)票結(jié)束后再按“下一位”鍵，顯示屏與語(yǔ)音將會(huì)提示下一位乘客購(gòu)票。通過(guò)這種方法乘客就無(wú)法進(jìn)行插隊(duì)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)各窗口良好的并行運(yùn)營(yíng)，有效的解決了買票插隊(duì)的混亂情況。

2 硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件主要包括:89C51 單片機(jī)、指紋識(shí)別模塊、語(yǔ)音芯片、液晶顯示屏、電源模塊、發(fā)光二極管、蜂鳴器。指紋識(shí)別模塊主要由指紋傳感器，數(shù)字信號(hào)處理器，RS232 接口和存儲(chǔ)芯片等構(gòu)成，主要實(shí)現(xiàn)了指紋圖像采集，指紋圖像處理和指紋模板存儲(chǔ)等功能;電源管理模塊使用LM7805 為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的+5 V直流電壓。89C51 作為中央處理器，它的串口用來(lái)連接指紋識(shí)別模塊的串口，進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收，89C51 的兩個(gè)外部中斷輸入端分別接開(kāi)關(guān)K3和K1，89C51 的T0 口接開(kāi)關(guān)K2。開(kāi)關(guān)K1的功能是對(duì)指紋識(shí)別器的模式進(jìn)行轉(zhuǎn)換，當(dāng)綠色發(fā)光二極管亮?xí)r為識(shí)別指紋模式，當(dāng)紅色發(fā)光二極管亮?xí)r為指紋錄入模式。在指紋錄入模式下，開(kāi)關(guān)K2閉合一次即可錄入一次指紋。開(kāi)關(guān)K3的功能是清除所有指紋，作為中央處理器89C51 不僅需要控制指紋模塊，同時(shí)還要根據(jù)排隊(duì)狀況發(fā)送命令操作語(yǔ)音芯片播放語(yǔ)音，對(duì)液晶顯示器進(jìn)行控制;乘客的購(gòu)票行為是由語(yǔ)音芯片利用存儲(chǔ)在內(nèi)部的語(yǔ)音片段對(duì)其提示進(jìn)行的;每個(gè)窗口的當(dāng)前排隊(duì)情況與所取得的排隊(duì)號(hào)的顯示由液晶顯示屏實(shí)現(xiàn)，圖1 為系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)圖。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.1 指紋識(shí)別模塊

指紋識(shí)別步驟如圖2 所示，該步驟分為指紋特征模板的獲得過(guò)程與指紋特征模板的匹配過(guò)程。在指紋特征模板的獲得過(guò)程中，指紋圖像從傳感器中取得，經(jīng)過(guò)指紋識(shí)別算法獲得指紋特征并存入到數(shù)據(jù)庫(kù)中，存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中的指紋特征稱為指紋特征模板［2-4］。在指紋特征模板匹配過(guò)程中，將得到的指紋特征模板與之前存儲(chǔ)的模塊進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)束后得到結(jié)果。

圖2 指紋識(shí)別步驟

2.2 液晶顯示模塊

液晶顯示屏主要顯示每個(gè)窗口的當(dāng)前排隊(duì)狀況以及乘客所取得的排隊(duì)號(hào)，營(yíng)造良好的人機(jī)交流界面。本文采用的是JM12864M-2 液晶顯示屏，JM12864M-2 液晶顯示屏可以顯示漢字與圖形，內(nèi)置128 個(gè)字符(8×16 點(diǎn)陣)、8 192 個(gè)中文漢字(16×16 點(diǎn)陣)及64×256 點(diǎn)陣顯示RAM(GDRAM)［5］。主要技術(shù)參數(shù)和顯示特性如下。

電源:VDD 3.3 V ～+5 V(內(nèi)置升壓電路，無(wú)需負(fù)壓);

顯示內(nèi)容:128 列×64 行;

顯示顏色:黃綠;

顯示角度:6:00 鐘直視;

LCD 類型:STN;

與MCU 接口:并行或串行2 種控制方式，本文采用其中的并行方式;

多種軟件功能:可根據(jù)指令設(shè)定如待機(jī)模式、睡眠模式及繪圖模式等;

圖3 為液晶顯示模塊與89C51 單片機(jī)引腳連接圖。

圖3 JM12864M-2 與單片機(jī)的并行連接

2.3 電源模塊

為了給系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電壓，本文采用L7805CV穩(wěn)壓器，設(shè)計(jì)了一個(gè)電壓穩(wěn)壓電路，提供+5 V 電壓。L7805CV 有一系列固定的電壓輸出，它的使用壽命較長(zhǎng)，有非常廣泛的應(yīng)用。在其內(nèi)部有對(duì)電流的限制，以及安全工作區(qū)的保護(hù)和熱保護(hù)，在散熱性滿足的條件下可以輸出大于1.5 A 的電流，且可以根據(jù)外部器件而獲得不同的電流與電壓。

此系列的穩(wěn)壓器在使用時(shí)，要注意以下幾點(diǎn):

(1)必須分清輸入端與輸出端，混淆接錯(cuò)后易擊穿燒壞，接地端不允許開(kāi)路。

(2)做大電流輸出時(shí)，一定要加散熱器。

(3)35 V 是7805 的最大輸入電壓，7.5 V 是最小輸入電壓為，1.5 A 是最大輸出電流。

圖4 是系統(tǒng)電源模塊設(shè)計(jì)電路圖。

圖4 系統(tǒng)電源模塊電路

2.4 語(yǔ)音模塊

語(yǔ)音模塊采用的是ISD2560 型語(yǔ)音芯片，該芯片工作電壓是3 V，單片錄音最多可以達(dá)到16 min。本系統(tǒng)中將該芯片的錄音引腳閑置，只使用它的放音功能。可以通過(guò)設(shè)置芯片的地址引腳來(lái)訪問(wèn)每段語(yǔ)音。利用高級(jí)語(yǔ)音編程拷貝機(jī)ISD1425 對(duì)芯片片內(nèi)的信息進(jìn)行拷貝，圖5 是ISD2560 與單片機(jī)的連接圖［6-8］。

圖5 ISD2560 與單片機(jī)的引腳連接圖

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境使用KEIL C51，系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的難點(diǎn)在于錄入指紋數(shù)據(jù)的處理，排隊(duì)系統(tǒng)過(guò)程的操作及語(yǔ)音芯片的控制，以下將對(duì)這些部分作簡(jiǎn)要的分析。

3.1 系統(tǒng)對(duì)指紋數(shù)據(jù)的處理

單片機(jī)通過(guò)串口完成對(duì)指紋模塊的各種功能操作，通信過(guò)程中的操作應(yīng)答指令與數(shù)據(jù)交換都是按照固定的數(shù)據(jù)包格式來(lái)進(jìn)行的。單片機(jī)必須按照下述格式封裝要發(fā)送的指令或數(shù)據(jù)，也必須按下述格式解析收到的數(shù)據(jù)包。

指令/數(shù)據(jù)包分為命令包，數(shù)據(jù)包(有后續(xù)包)和結(jié)束包，所有的數(shù)據(jù)包都要加包頭:0xEF01，它們的格式如表1 ～表3 所示。

本文采用兩次指紋登陸一個(gè)模板存于Flash 指紋庫(kù)的方式，具體步驟如下:

(1)發(fā)獲取圖像指令:PS_GetImage，從采集指紋的傳感器上讀取圖像并存于圖像緩沖區(qū)。

(2)發(fā)生成特征指令PS_GenChar，輸入?yún)?shù)為BufferID=1，參數(shù)根據(jù)原始圖像生成指紋特征存于CharBuffer1 或CharBuffer2。

(3)重復(fù)以上2 步，注意在重復(fù)第2 步時(shí)輸入?yún)?shù)為BufferID=2。

(4)發(fā)注冊(cè)模板指令PS_RegModle，將CharBuffer1與CharBuffer2 中的特征文件合并生成模板存于Charbuffer2。

(5)發(fā)生成特征指令PS_StoreChar，將文件數(shù)據(jù)從特征緩沖區(qū)中存儲(chǔ)到Flash 指紋庫(kù)。

表1 命令包格式

表2 數(shù)據(jù)包格式

表3 結(jié)束包格式

3.2 單片機(jī)在不同模式下對(duì)系統(tǒng)的控制

本文中89C51 單片機(jī)的引腳INT0 用于產(chǎn)生外部中斷信號(hào)清除指紋庫(kù)數(shù)據(jù)，引腳INT1 用于產(chǎn)生外部中斷信號(hào)進(jìn)行系統(tǒng)模式轉(zhuǎn)換。當(dāng)清除指紋庫(kù)的數(shù)據(jù)時(shí)蜂鳴器會(huì)長(zhǎng)響一聲，紅綠燈分別代表錄入指紋模式與識(shí)別指紋模式，下面將簡(jiǎn)單介紹這3 個(gè)功能的實(shí)現(xiàn)。

(1)指紋庫(kù)內(nèi)數(shù)據(jù)的清除

在清除指紋數(shù)據(jù)前，單片機(jī)應(yīng)先通過(guò)函數(shù)VefPSW(void)來(lái)驗(yàn)證設(shè)備握手，若握手成功，則利用指令DELE_all 清空所有指紋信息。具體形式如下:

void Clear_All(void)

{ if(VefPSW()!=1){}

else{Command(DELE_all，50);

Command(DENT，20);}

}

(2)錄入指紋

單片機(jī)利用函數(shù)Enroll(void)采集兩次指紋生成一個(gè)指紋模塊。采集上限為40 次，

超出設(shè)定的上限次數(shù)，則采集失敗退出Enroll函數(shù)。具體形式如下:

unsigned char Enroll(void)

{ unsigned char temp=0，count=0;

while(1)

{ temp=ImgProcess(1);

if(temp==3)

{break;}

else {if(temp==1)

{count++;

if(count＞=40) return(0);}

}

}

}

(3)指紋識(shí)別

單片機(jī)先利用函數(shù)ImgProcess(Unsigned char BUFID)讀入一個(gè)指紋，然后利用函數(shù)Searchfinger()搜索指紋，如果搜索到，返回搜索到的指紋序號(hào)。具體形式如下:

unsigned char search(void)

{ unsigned char SearchBuf=0，i=0;

while(i＜20)

{ if(ImgProcess(1)= =3)

{ SearchBuf=Searchfinger();

if(SearchBuf==1)

{return SearchNumber;}

else {return 0;}

}i++;

} return 0;

}

3.3 語(yǔ)音播放控制

在本系統(tǒng)中，為了播放芯片中第一段語(yǔ)音，將ISD2560 的地址引腳A0 到A9 全部接地(GND);單片機(jī)的P1.0 引腳與ISD2560 的節(jié)電引腳PD 相連接，這樣單片機(jī)就可控制芯片的開(kāi)關(guān);ISD2560 的錄放模式引腳P/R 與單片機(jī)的P1.1 相連接，以此控制語(yǔ)音芯片的工作狀態(tài)，系統(tǒng)中ISD2560 只工作在播放模式下。EOM 為語(yǔ)音信息結(jié)尾標(biāo)志。

要使語(yǔ)音芯片工作在放音狀態(tài)，首先要找到相應(yīng)的語(yǔ)音段起始地址，這里我們通過(guò)給芯片的地址引腳賦值來(lái)實(shí)現(xiàn)，其次再將高電平賦予引腳P/R，低電平賦予引腳PD，最后在引腳/CE 上產(chǎn)生一個(gè)負(fù)脈沖作為啟動(dòng)信號(hào)，系統(tǒng)控制播放程序如下:

void play(void)

{ PD=1;CE=0;PR=1;

while(!EOM);delays();

PD=0;CE=0;PR=0;

}

4 結(jié)論

該系統(tǒng)利用指紋的高精確性，在乘客排隊(duì)買票時(shí)，售票員可根據(jù)采集到的指紋進(jìn)行對(duì)比匹配，根據(jù)匹配成功與否進(jìn)行售票，圖6 為系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的演示圖。在售票過(guò)程中，可有效防止乘客買票時(shí)無(wú)故插隊(duì)帶來(lái)的不良影響，提高售票效率，有效改善售票大廳的人文環(huán)境。本系統(tǒng)真正實(shí)現(xiàn)了售票系統(tǒng)“一人一票”的快速、可靠、智能化管理。

圖6 系統(tǒng)驗(yàn)證指紋時(shí)的運(yùn)行圖

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