基于Linux指紋識(shí)別的門(mén)禁系統(tǒng)設(shè)計(jì)

孫雪瑩， 于 萍， 張 巖

(吉林師范大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院， 吉林 四平 136000)

引言

門(mén)禁系統(tǒng)是基于現(xiàn)代化電子信息技術(shù)，在智能化建筑出入口安裝的數(shù)字化管理系統(tǒng)，通過(guò)持有表征身份的識(shí)別依據(jù)來(lái)對(duì)人的進(jìn)出實(shí)現(xiàn)放行、拒絕和記錄等操作的數(shù)字化智能管理系統(tǒng)。目前，國(guó)內(nèi)外使用的門(mén)禁系統(tǒng)主要有：刷卡門(mén)禁系統(tǒng)、密碼門(mén)禁系統(tǒng)、生物識(shí)別門(mén)禁系統(tǒng)和非接觸式門(mén)禁系統(tǒng)。其中，密碼門(mén)禁系統(tǒng)有著安全性能較弱、便捷性能差等缺點(diǎn)，正逐漸退出市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)。刷卡門(mén)禁系統(tǒng)是由出入人員使用不同的卡片進(jìn)行讀卡，可以是磁卡、IC芯片卡等具有相應(yīng)功能的卡片，但有著安全性低、易于復(fù)制等缺點(diǎn)而未能成為市場(chǎng)時(shí)尚主流。生物識(shí)別門(mén)禁系統(tǒng)依托著對(duì)人體的生物特征辨別來(lái)達(dá)成身份驗(yàn)證。常見(jiàn)的人體的生物特征辨別有指紋、聲音、虹膜、面部等。眾多的用于門(mén)禁身份驗(yàn)證的生物識(shí)別技術(shù)中，指紋識(shí)別技術(shù)因其呈現(xiàn)的方便、可靠、安全性高、難以復(fù)制等特點(diǎn)日漸成為門(mén)禁系統(tǒng)的研究熱點(diǎn)。

1 指紋門(mén)禁系統(tǒng)原理

指紋門(mén)禁系統(tǒng)是一種出入口門(mén)禁管理系統(tǒng)，是一種現(xiàn)代化安全管理系統(tǒng)，具體涉及了光學(xué)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、生物識(shí)別技術(shù)、射頻識(shí)別技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等多種技術(shù)的結(jié)合。在有人通過(guò)重要通道時(shí)，提供適當(dāng)級(jí)別的權(quán)限鑒定，以判斷是否能通過(guò)的一種安全管理手段，是現(xiàn)代社會(huì)辦公場(chǎng)所和家庭住宅門(mén)禁安全管理的基本工具和發(fā)展方向。

指紋門(mén)禁系統(tǒng)的核心技術(shù)就是指紋識(shí)別技術(shù)。指紋識(shí)別技術(shù)是將指紋采集到指紋數(shù)據(jù)庫(kù)中，在指紋數(shù)據(jù)庫(kù)中查找與給定指紋相匹配的指紋數(shù)據(jù)，從而達(dá)到辨別身份的目的。指紋識(shí)別系統(tǒng)包括指紋采集、指紋驗(yàn)證、指紋刪除、獲取指紋數(shù)等組成部分。本系統(tǒng)通過(guò)紅外傳感模塊、指紋識(shí)別模塊聯(lián)合控制兩相步進(jìn)電機(jī)模塊轉(zhuǎn)動(dòng)，驅(qū)策操縱門(mén)的開(kāi)關(guān)。同時(shí)設(shè)有數(shù)字溫度傳感器模塊及溫度壓力傳感器模塊對(duì)門(mén)禁周?chē)h(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)。該系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)框圖Fig. 1 The functional block diagram of the system

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)基于達(dá)盛科技ARM-860平臺(tái)OMAP 3530處理器，達(dá)盛科技的外擴(kuò)模塊，包括指紋識(shí)別、兩相步進(jìn)電機(jī)、LCD顯示屏、紅外傳感器、鍵盤(pán)、數(shù)字溫度傳感器、壓力傳感器、以及自購(gòu)蜂鳴器模塊。系統(tǒng)軟件平臺(tái)是將Linux操作系統(tǒng)作為整個(gè)門(mén)禁系統(tǒng)軟件的基礎(chǔ)，所有軟件模塊都以此為技術(shù)支撐，其中主要配置了LCD模塊、指紋采集模塊、指紋處理匹配模塊、鍵盤(pán)中斷模塊等。在內(nèi)系統(tǒng)功能模塊架構(gòu)即如圖2所示。這里，將針對(duì)每一功能模塊給出如下設(shè)計(jì)闡析。

圖2 系統(tǒng)功能模塊Fig. 2 System functional modules

2.1 指紋采集模塊

指紋采集模塊采用十指科技有限公司的TF-MD-M12型號(hào)的指紋識(shí)別模塊。指紋識(shí)別模塊通過(guò)精準(zhǔn)的光電成像系統(tǒng)對(duì)開(kāi)啟者指紋圖像進(jìn)行采集，運(yùn)用復(fù)雜的模塊匹配算法，與原注冊(cè)指紋形成比對(duì)，判斷開(kāi)啟者身份，確認(rèn)身份后即可輸出開(kāi)鎖信號(hào)。模塊內(nèi)整合有指紋的采集、指紋存儲(chǔ)、指紋對(duì)比等功能。在采集指紋時(shí)，手指只要輕觸采集窗口，而無(wú)需用力按壓指紋采集窗，模塊就能快速識(shí)別出來(lái)。TF-MD-M12型號(hào)指紋識(shí)別具有手指感應(yīng)靈敏，識(shí)別速度快，開(kāi)發(fā)應(yīng)用簡(jiǎn)單，方便等特點(diǎn)。

2.2 ARM-860平臺(tái)OMAP 3530處理器

ARM-860型系統(tǒng)屬于一種綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用了目前在國(guó)內(nèi)普遍認(rèn)同的CPU：AM35xx，32 bit微處理器，設(shè)計(jì)做到了多模塊的應(yīng)用。OMAP 3530處理器的硬件平臺(tái)主要由ARM內(nèi)核、DSP內(nèi)核以及流量控制器組成。OMAP 3530采用ARM Cortex-A8核，工作主頻最高可達(dá)720 MHz。而且包括存儲(chǔ)器管理單元、16 KB的高速指令緩沖存儲(chǔ)器、16 KB的數(shù)據(jù)高速緩沖存儲(chǔ)器和256 K字的二級(jí)緩存；片內(nèi)有64 KB的內(nèi)部存儲(chǔ)，為液晶顯示等應(yīng)用提供了大量的數(shù)據(jù)和代碼存儲(chǔ)空間。利用OMAP可以建立2個(gè)基于ARM的操作系統(tǒng)(Linux)。通過(guò)OMAP 3530處理器可以定制生成指紋識(shí)別模塊的研發(fā)應(yīng)用，從而實(shí)現(xiàn)了指紋的添加、指紋的比較、指紋的刪除和指紋數(shù)的獲取。OMAP 3530具有運(yùn)行高性能、低功耗等特點(diǎn)。硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 硬件結(jié)構(gòu)Fig. 3 System hardware structure

2.3 基于FrameBuffer的LCD屏幕顯示

FrameBuffer基于Linux操作系統(tǒng)為L(zhǎng)CD設(shè)備提供了一個(gè)統(tǒng)一的接口，這是圖形硬件設(shè)備的抽象層。FrameBuffer設(shè)備與存儲(chǔ)設(shè)備具有同樣的特征，可以進(jìn)行讀、寫(xiě)，定位到指定位置，區(qū)別在于文件中所出現(xiàn)的存儲(chǔ)區(qū)不是整個(gè)存儲(chǔ)區(qū)域，而是LCD設(shè)備的幀緩沖區(qū)域。幀緩沖區(qū)設(shè)備屬于字符設(shè)備，在Linux下，支持32個(gè)幀緩沖設(shè)備，為L(zhǎng)CD編寫(xiě)驅(qū)動(dòng)程序的實(shí)質(zhì)就是為幀緩沖區(qū)編寫(xiě)驅(qū)動(dòng)程序。上層應(yīng)用程序在圖形模式下直接對(duì)顯示緩沖區(qū)進(jìn)行讀寫(xiě)操作，應(yīng)用層不需要了解任何底層硬件設(shè)備的任何信息。FrameBuffer的優(yōu)點(diǎn)是可靈活地支持不同硬件設(shè)備，減少了新處理器開(kāi)發(fā)工作。系統(tǒng)采用了RGB888模式，即圖像中的每個(gè)像素值都分成R(紅)、G(綠)、B(藍(lán))三個(gè)基色分量，每個(gè)基色分量各占8位。LCD驅(qū)動(dòng)程序?qū)⒄{(diào)用編寫(xiě)的函數(shù)，然后選擇將其編譯為動(dòng)態(tài)或靜態(tài)加載模塊，編譯到內(nèi)核中。

2.4 7279串行鍵盤(pán)

鍵盤(pán)模塊由7279串行鍵盤(pán)/顯示接口控制電路、8位數(shù)碼管顯示器和2×8鍵盤(pán)電路三部分組成。其電源由接口掛箱上的接口插座提供，該模塊不需要地址、數(shù)據(jù)總線和總線提供的片選信號(hào)。HD7279A是一片具有獨(dú)立串行接口的，可同時(shí)驅(qū)動(dòng)8位共陰式數(shù)碼管的智能顯示驅(qū)動(dòng)芯片，該芯片同時(shí)還可連接多達(dá)64鍵的鍵盤(pán)矩陣，單片即可控制管理LED顯示、鍵盤(pán)接口的全部功能。HD7279內(nèi)部含譯碼器，可直接接受BCD碼或16進(jìn)制碼，此外還設(shè)有多種控制指令，如消隱、閃爍、左移、右移、段尋址等。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)軟件部分用C語(yǔ)言編寫(xiě)，在Linux環(huán)境下運(yùn)行、調(diào)試。系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)分為門(mén)外系統(tǒng)和門(mén)內(nèi)系統(tǒng)。指紋識(shí)別系統(tǒng)的指紋識(shí)別設(shè)計(jì)可以分為4個(gè)部分：指紋采集、指紋識(shí)別、指紋刪除、獲取指紋數(shù)。

3.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)指紋庫(kù)是門(mén)禁系統(tǒng)的主要數(shù)據(jù)庫(kù)之一，當(dāng)系統(tǒng)指紋庫(kù)中沒(méi)有指紋時(shí)，用戶(hù)無(wú)法進(jìn)入，需要進(jìn)行系統(tǒng)初始化，即指紋采集。在指紋采集錄入完畢后，用戶(hù)可以使用指紋進(jìn)入門(mén)內(nèi)系統(tǒng)或門(mén)外系統(tǒng)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)流程圖Fig. 4 The flow chart of the system

3.2 門(mén)內(nèi)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了確保門(mén)禁系統(tǒng)的安全，需要對(duì)門(mén)內(nèi)系統(tǒng)展開(kāi)相關(guān)設(shè)置，其中的重點(diǎn)關(guān)鍵功能就是對(duì)指紋和密碼進(jìn)行修改。在修改密碼和指紋前需要對(duì)使用者權(quán)限建立有效驗(yàn)證，即通過(guò)指紋識(shí)別確認(rèn)使用者身份方可進(jìn)入系統(tǒng)設(shè)置界面。通過(guò)系統(tǒng)設(shè)置界面，使用者可對(duì)系統(tǒng)提供密碼修改、指紋修改或恢復(fù)數(shù)據(jù)相關(guān)設(shè)置，門(mén)內(nèi)系統(tǒng)流程解析如圖5所示。

在修改密碼界面，使用者可以實(shí)現(xiàn)必要的密碼修改操作。首先需要核對(duì)舊密碼，在通過(guò)驗(yàn)證后即可開(kāi)啟新密碼的設(shè)置。在用戶(hù)輸入新密碼后，等待修改成功提示，方可生成新密碼并返回系統(tǒng)設(shè)置界面。如果提示修改失敗，則需要進(jìn)行重新修改。

在修改指紋界面，使用者可以實(shí)現(xiàn)指紋的采集與刪除操作。指紋采集過(guò)程中需要在指紋識(shí)別模塊上進(jìn)行3次錄入，采集成功則會(huì)將指紋信息納入指紋數(shù)據(jù)庫(kù)。指紋刪除即是對(duì)指紋數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行格式化操作。

在恢復(fù)數(shù)據(jù)界面選擇恢復(fù)數(shù)據(jù)，將會(huì)刪除指紋數(shù)據(jù)庫(kù)指紋，同時(shí)對(duì)密碼進(jìn)行重置，即初始密碼“111111”。

圖5 門(mén)內(nèi)系統(tǒng)流程圖Fig. 5 The flow chart of the inner door system

3.3 門(mén)外系統(tǒng)設(shè)計(jì)

與門(mén)內(nèi)系統(tǒng)相對(duì)應(yīng)，門(mén)禁系統(tǒng)的另外一項(xiàng)特征應(yīng)用研究就是門(mén)外系統(tǒng)設(shè)計(jì)。通過(guò)門(mén)外系統(tǒng)識(shí)別訪客身份，最終確認(rèn)訪客是否可以進(jìn)入。門(mén)外系統(tǒng)采用紅外檢測(cè)模塊進(jìn)行檢測(cè)，判斷是否喚醒指紋識(shí)別模塊。在喚醒指紋識(shí)別模塊后，如果訪客連續(xù)3次輸入信息錯(cuò)誤，將啟動(dòng)報(bào)警模塊。當(dāng)訪客指紋與密碼和系統(tǒng)內(nèi)部存儲(chǔ)信息相吻合，門(mén)外系統(tǒng)即可發(fā)出開(kāi)門(mén)指令。門(mén)外系統(tǒng)的整體流程如圖6所示。

圖6 門(mén)外系統(tǒng)流程圖Fig. 6 The flow chart of outer door system

3.4 系統(tǒng)功能特點(diǎn)分析

基于Linux指紋識(shí)別的門(mén)禁系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：

(1)安全性。指紋的特異性決定了指紋是目前具備高度可操作性的身份識(shí)別方式，因此利用指紋開(kāi)門(mén)安全性更高，且成本預(yù)算低。

(2)準(zhǔn)確性。用戶(hù)只要輕按手指即可快速、準(zhǔn)確開(kāi)門(mén)。

(3)靈活性。多級(jí)的安全級(jí)別自主設(shè)置，可更多應(yīng)用于不同的場(chǎng)所。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)基于指紋識(shí)別技術(shù)的智能門(mén)禁系統(tǒng)進(jìn)行了探討研究，并提出了相應(yīng)的硬軟件設(shè)計(jì)。系統(tǒng)簡(jiǎn)單實(shí)用，使用指紋和密碼雙重驗(yàn)證可以保證室內(nèi)財(cái)物安全。室內(nèi)LCD屏可以利于系統(tǒng)設(shè)置，方便用戶(hù)實(shí)現(xiàn)自定義設(shè)置。加入了環(huán)境監(jiān)測(cè)功能，在確保環(huán)境安全的同時(shí)，為室內(nèi)安全增添了一重保障。因而適用于安全要求較高的場(chǎng)所和家庭日常使用。

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