基于ARM平臺的嵌入式自動指紋考勤機設(shè)計

王超峰

WANG Chao-feng

（蘇州大學(xué) 應(yīng)用技術(shù)學(xué)院，蘇州 215006）

0 引言

紙質(zhì)打卡機、射頻IC卡考勤機等傳統(tǒng)考勤設(shè)備因自身的諸多弊端正逐漸的淡出市場，取而代之的是基于生物身份識別技術(shù)的考勤設(shè)備，如基于指紋識別技術(shù)和基于人臉圖像識別技術(shù)的考勤系統(tǒng)開始應(yīng)用于現(xiàn)代企業(yè)[1,2]。嵌入式微處理器在指紋識別系統(tǒng)中的應(yīng)用設(shè)計是當(dāng)今及今后相當(dāng)長一段時間的研究重點和熱點[3]，嵌入式自動指紋識別技術(shù)使得考勤機的便攜式、可移動、低成本、易安裝、易擴展提供了可能。近年來眾多國內(nèi)外公司推出的一些基于DSP或者ARM處理器的指紋識別模塊、嵌入式系統(tǒng)開發(fā)平臺促進了自動指紋識別系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用開發(fā)。

本文設(shè)計的嵌入式自動指紋考勤機硬件平臺由TCS316指紋模塊和基于S3C2440ARM處理器的嵌入式mini2440 ARM開發(fā)平臺組成，人機交互采用觸摸式LCD顯示屏；軟件設(shè)計基于嵌入式LINUX操作系統(tǒng)，采用模塊化編程。該嵌入式自動指紋考勤機體積小、可移動，能獨立完成指紋采集、存儲、比對和顯示等考勤功能，通過網(wǎng)絡(luò)接口可以接入服務(wù)器或PC，通過USB接口可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)自動存儲至USB存儲設(shè)備。

1 考勤機硬件系統(tǒng)

考勤機的硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)通過結(jié)合半導(dǎo)體指紋傳感器的TCS316指紋模塊采集用戶指紋圖像信息，然后進行指紋圖像的預(yù)處理、特征值提取等指紋圖像處理過程，最后將處理后的指紋信息存儲于模塊上的FLASH和SRAM；指紋識別模塊通過串口和ARM平臺連接，在ARM平臺的控制下實現(xiàn)指紋的自動識別及考勤功能，考勤相關(guān)信息記錄在ARM平臺模塊的FLASH和SRAM；DM9000芯片實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連接，USB HOST/DEVICE實現(xiàn)USB存儲設(shè)備的連接。

圖1 考勤機硬件組成

1.1 指紋傳感器及指紋識別模塊

系統(tǒng)采用了以DSP處理器為核心，結(jié)合半導(dǎo)體指紋傳感器，嵌入活體指紋識別技術(shù)的指紋模塊TCS316，該模塊具有功能較強、指令集豐富、開發(fā)方便、性價比高的特點，能確保身份識別的唯一性、不可否認性，可以支持USB、RS232兩種通訊接口，既可以在模塊內(nèi)也可以將指紋數(shù)據(jù)傳輸?shù)狡渌衔粰C（PC機或嵌入式微處理器系統(tǒng)）中進行指紋圖像的處理、存儲和比對。

模塊的性能指標(biāo)主要包括[8]：半導(dǎo)體指紋傳感器；指紋輸入面積：18.8×16MM；灰度256級、分辨率363DPI；匹配方式1：1、1：N；拒真率＜1%、認假率＜0.0001%；特征數(shù)據(jù)大小＜＝256bytes/枚；指紋存儲容量1024K，可容納1000枚；指紋登記速度3－10S/枚（三次）；識別時間 1：1，2－ 3毫秒；1：N（N＜1000），＜ 1秒；通訊接口USB2.0、RS232；波特率1200Bps－115200Bps、缺省值－9600Bps；數(shù)據(jù)位8BITS、1BIT停止位、無校驗位；電源DC5V；使用環(huán)境溫度 -5℃－+45℃；濕度 20%－80%；物理尺寸112×57×47MM；使用壽命100萬次。該指標(biāo)可適用于大部分環(huán)境下的應(yīng)用。

1.2 ARM平臺

系統(tǒng)使用的嵌入式mini2440 ARM開發(fā)平臺以Samsung S3C2440為微處理器，并采用專業(yè)穩(wěn)定的CPU內(nèi)核電源芯片和復(fù)位芯片來保證系統(tǒng)運行時的穩(wěn)定性。硬件平臺框圖如圖2所示，主要性能指標(biāo)包括[9]：CPU處理器：Samsung S3C2440A，主 頻 400MHz， 最 高 533 MHz；SDRAM內(nèi) 存：64M，32bit數(shù)據(jù)線，SDRAM的時鐘頻率高達100MHz；FLASH存 儲：256M Nand Flash， 掉 電非易失；2M Nor Flash，掉電非易失；LCD顯示：256K色240x320/3.5英寸TFT真彩液晶屏，帶觸摸屏；接口資源：10M以太網(wǎng)RJ-45接口（采用DM9000 網(wǎng)卡）；USB（1 host、1 device）；UART 3 個；RS232串口1個；系統(tǒng)時鐘源：12M 無源晶振；操作系統(tǒng)支持：Linux 2.6.32；Windows CE NET 5.0；提供所有板級設(shè)備驅(qū)動。

圖2 Mini2440 ARM開發(fā)平臺硬件框圖

2 考勤機軟件設(shè)計

系統(tǒng)上電后，首先是初始化和加載驅(qū)動，然后根據(jù)主菜單進行功能選擇。考慮到考勤機的實際使用，系統(tǒng)實現(xiàn)了有人值守和無人值守兩種工作模式，長時間不工作系統(tǒng)均進入省電模式。考勤時間等考勤要求，可在使用前由管理者根據(jù)實際情況定制。無人值守模式下，系統(tǒng)能實現(xiàn)自動考勤、自動記錄考勤信息等功能。有人值守時，系統(tǒng)可根據(jù)需要增減指紋信息；指紋信息或者考勤信息可選擇使用網(wǎng)絡(luò)接口或USB接口上傳數(shù)據(jù)。系統(tǒng)主程序流程圖如圖3。

圖3 主程序流程圖

ARM平臺系統(tǒng)選擇了開源的Linux操作系統(tǒng)，具體版本為Linux 2.6.32，采用模塊化編程。軟件模塊主要包括預(yù)定義及初始化模塊、串行通信模塊、指紋識別功能模塊、網(wǎng)絡(luò)通信模塊等，對源程序進行了交叉編譯和調(diào)試。人機交互的觸摸屏應(yīng)用程序設(shè)計采用了QT2.2.3平臺。

2.1 預(yù)定義及初始化模塊

預(yù)定義模塊主要是對一些常用的數(shù)據(jù)類型重新進行類型名聲明；對一些指令碼、包標(biāo)識、確認碼等進行定義，從而增強了程序的可讀性。初始化模塊程序主要利用開發(fā)平臺所帶的驅(qū)動級程序，系統(tǒng)上電后，在bootloder 控制下加載所有的驅(qū)動程序，使得所應(yīng)用的硬件處于工作狀態(tài)。

2.2 串行通信模塊

TCS316指紋模塊與Mini2440 ARM平臺通過UART串口進行通信，ARM平臺按照TCS316指紋模塊的命令格式和通信協(xié)議進行交互工作。Linux操作系統(tǒng)提供了豐富而便捷的函數(shù)，對串口通信提供了很好的支持。串行通信模塊主要是調(diào)用Linux豐富的庫函數(shù)，從而完成對串口的初始化，打開、關(guān)閉串口，設(shè)置波特率、數(shù)據(jù)位、停止位奇偶校驗等操作。

2.3 指紋識別功能模塊

根據(jù)TCS316指紋模塊的命令集及通信協(xié)議和平臺串口通信函數(shù)，編寫了可以實現(xiàn)指紋采集、特征值存儲、指紋搜索和比對、刪除等功能的函數(shù)模塊。由于TCS316模塊命令集及通信協(xié)議的特殊性，在編寫指令發(fā)送函數(shù)和應(yīng)答包接收函數(shù)時都采取了各自適當(dāng)?shù)拈L度進行，以滿足其通信協(xié)議和命令格式的具體要求。

2.4 網(wǎng)絡(luò)通信模塊

本考勤機具有網(wǎng)絡(luò)通信功能，其硬件支撐芯片為DM9000，本系統(tǒng)架構(gòu)采用基于TCP協(xié)議棧網(wǎng)絡(luò)編程方式，利用ARM平臺和操作系統(tǒng)系統(tǒng)的套接字網(wǎng)絡(luò)編程接口，開發(fā)相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序，考勤機屬于網(wǎng)絡(luò)通信的客戶端，在LINUX操作系統(tǒng)平臺下的客戶端操作主要包括初始化Socket，建立Socket，與服務(wù)器連接，發(fā)送數(shù)據(jù)，接收數(shù)據(jù)，關(guān)閉Socket等過程。為了實際應(yīng)用，自定義的TCP應(yīng)用層的通信協(xié)議主要包括初始注冊、日常驗證、查詢等命令功能和工號、姓名、性別、部門、指紋特征串等信息。通過該模塊，嵌入式考勤機可以通過任何網(wǎng)絡(luò)設(shè)備如路由器、交換機等設(shè)備和服務(wù)器實現(xiàn)互聯(lián)。

2.5 人機界面模塊

本系統(tǒng)采用了觸摸式LCD實現(xiàn)人機交互，人機界面應(yīng)用程序的設(shè)計采用了便于設(shè)計出界面友好、開發(fā)效率高、兼容Linux操作系統(tǒng)的QT平臺，具體版本為QT2.2.3。QT/Embedded平臺的搭建和使用比較簡單，這里不再贅述。

3 系統(tǒng)測試

為了驗證所設(shè)計考勤機的可行性和穩(wěn)定性，測試了指紋識別功能和系統(tǒng)運行的功能。測試結(jié)果表明系統(tǒng)的硬件和軟件都能較好的工作，實現(xiàn)了指紋錄入、比對、刪除等指紋功能。系統(tǒng)穩(wěn)定性較好，成功率高。考勤機關(guān)鍵功能測試結(jié)果如表1。

測試中指紋錄入、搜索出現(xiàn)的極少數(shù)不成功的情況，都是極端情況下指紋采集方面的問題，只要保證指紋質(zhì)量可以實現(xiàn)100%的成功。在采集指紋時，應(yīng)盡量保證指紋擺放位置盡量和傳感器的采集頭重合、指紋采集傳感器的潔凈和手指的潔凈等，這樣就能采集到質(zhì)量較高的指紋，為相應(yīng)功能的實現(xiàn)奠定良好的基礎(chǔ)。

表1 考勤機關(guān)鍵功能測試結(jié)果

4 結(jié)論

本文采用TCS316指紋識別模塊和基于S3C2440 ARM9處理器的嵌入式mini2440 ARM平臺，設(shè)計了一款基于嵌入式技術(shù)的自動指紋識別考勤機。設(shè)計的考勤機體積小、可移動，能獨立完成指紋采集、存儲、比對和顯示等考勤功能，具有網(wǎng)絡(luò)接口和USB接口，可以方便的接入服務(wù)器、PC或USB存儲設(shè)備，實現(xiàn)數(shù)據(jù)自動存儲和備份。實驗結(jié)果表明系統(tǒng)的硬件和軟件都能較好的工作，達到了預(yù)期的目的。

利用系統(tǒng)設(shè)計的USB和網(wǎng)絡(luò)接口功能可以實現(xiàn)考勤基本信息的數(shù)據(jù)上傳，結(jié)合服務(wù)器或PC端的考勤管理系統(tǒng)，可以實現(xiàn)功能完善的基于指紋識別技術(shù)的考勤系統(tǒng)，具有廣泛的應(yīng)用前景。

[1] 段少雄,等.高效指紋考勤系統(tǒng)的研究與設(shè)計[J].計算機工程.2003,29(9).

[2] 唐業(yè)等.基于智能卡的分布式考勤管理系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)[J].計算機應(yīng)用與軟件.2005,22(5).

[3] Jain A.K., Ross A., Prabhakar S..An introduction to biometric recognition.IEEE Transactions on Circuits and Systems for Video Technology, 2004, 4(1)：4-20

[4] 畢曉君等.基于嵌入式的指紋識別系統(tǒng)研究.模式識別與仿真.2007年第26卷第1期

[5] 孫瓊.嵌入式Linux應(yīng)用程序開發(fā)詳解[M].北京：人民郵電出版社,2006

[6] 李昊,傅曦.精通VisualC++指紋模式識別系統(tǒng)算法與實現(xiàn)[M].北京：人民郵電出版社,2008

[7] 祝恩,殷建平,張國敏,等.自動指紋識別技術(shù)[M].長沙：國防科技大學(xué)出版社,2006

[8] 北京天誠盛業(yè)科技有限公司.TCS316用戶手冊[M].北京：北京天誠盛業(yè)科技有限公司,2009

[9] 廣州友善之臂計算機科技有限公司.MINI2440ARM開發(fā)平臺用戶手冊[M].廣州：廣州友善之臂計算機科技有限公司,2010