基于LabVIEW虛擬儀器技術(shù)的指紋識(shí)別報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：針對(duì)門禁、安防系統(tǒng)的安全性和報(bào)警的實(shí)時(shí)性需求，設(shè)計(jì)了一種基于指紋識(shí)別技術(shù)和MMS無線信息傳輸技術(shù)的指紋識(shí)別報(bào)警系統(tǒng)。系統(tǒng)以LabVIEW為平臺(tái)，以ActiveX為控件技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)指紋采集儀的二次開發(fā)應(yīng)用，結(jié)合攝像頭和和彩信模塊實(shí)現(xiàn)了指紋采集、識(shí)別和危險(xiǎn)情況下圖像采集和彩信報(bào)警等功能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)反應(yīng)靈敏，工作穩(wěn)定可靠。

關(guān)鍵詞：虛擬儀器； 指紋識(shí)別； Biokey算法； MMS彩信

中圖分類號(hào)：TN91134; TP31文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1004373X(2012)04018804

Fingerprint identification and alarm system based on LabVIEW virtual instrument

LIU Chang， LI Xiaodong， BI Yunfeng

(School of Mechanical， Electrical Information Engineering， Shandong University， Weihai 264209， China)

Abstract： For the requirements of security and realtime for the access control and security alarm system， a fingerprint identification and alarm system is designed， based on technologies of fingerprint indentification and MMS wireless information transmission. LabVIEW is taken as a platform in the system. The second time development and application of fingerprint instrument were realized with ActiveX technology. The functions of fingerprint acquisition and identification， as well as image acquisition and MMS alarm in dangerous situations were achieved in combination with camera and MMS module. The experiment results show that the system responds sensitively and works steady.

Keywords： virtual intrument; fingerprint identification; Biokey algorithm; multimedia messaging service

收稿日期：20110817

基金項(xiàng)目：山東大學(xué)威海分校教研基金資助項(xiàng)目

（1050511420004）0引言

目前常見的門禁系統(tǒng)多采用機(jī)械式鑰匙或射頻IC卡作為身份識(shí)別方式，由于他們具有易遺失，可偽造的缺點(diǎn)，已不能很好地滿足人們對(duì)其安全性能的要求。而為大多數(shù)安防報(bào)警系統(tǒng)所采用的聲、光報(bào)警方式也不能實(shí)時(shí)記錄下非法入侵者的圖像，并即時(shí)發(fā)送給業(yè)主。針對(duì)上述安全性和實(shí)時(shí)性的不足，本文以LabVIEW軟件為開發(fā)平臺(tái)設(shè)計(jì)的指紋識(shí)別報(bào)警系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)身份識(shí)別準(zhǔn)入，危險(xiǎn)情況下的拍照取證，彩信報(bào)警的功能，較好地解決了以上問題。

1系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)由指紋采集儀、攝像頭、GPRS彩信模塊、計(jì)算機(jī)和動(dòng)作執(zhí)行機(jī)構(gòu)等部分構(gòu)成。

指紋采集儀選用美國(guó)DP公司的URU4000B指紋采集儀。該采集儀采集指紋圖像，支持Biokey算法。Biokey算法是一種快速、準(zhǔn)確的1∶1和1∶N指紋識(shí)別算法，面向軟件開發(fā)商和系統(tǒng)集成商全面開放，在使用Biokey進(jìn)行指紋識(shí)別時(shí)(2 000~6 000枚指紋)，不需要對(duì)指紋通過姓名、PIN等預(yù)先分類就可以快速輕松完成。

圖1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖彩信模塊采用SIMCOM公司的SIM300。SIM300是一款三頻段GSM/GPRS 模塊，可在全球范圍內(nèi)的EGSM 900 MHz，DCS 1 800 MHz，PCS 1 900 MHz 三種頻率下工作， 支持?jǐn)?shù)字、語音、短消息、彩信等功能， 支持并且有完善的AT 命令。通過RS 232串口與計(jì)算機(jī)相連接， 用AT指令實(shí)現(xiàn)與計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)收發(fā)。

計(jì)算機(jī)是系統(tǒng)的核心處理、控制單元。系統(tǒng)工作時(shí)先由指紋采集儀采集允許的指紋圖像形成指紋庫(kù)，完成指紋登記，然后采集外來指紋。若該指紋與計(jì)算機(jī)中已登記的指紋匹配，則發(fā)送開關(guān)量，觸發(fā)執(zhí)行機(jī)構(gòu)；若指紋不匹配，則立刻通過攝像頭采集當(dāng)前非法入侵者的圖像，并通過GSM/GPRS模塊發(fā)送彩信到指定的手機(jī)號(hào)碼中，實(shí)現(xiàn)對(duì)危險(xiǎn)情況的及時(shí)報(bào)警。因此，系統(tǒng)的主要工作就是在計(jì)算機(jī)平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)指紋采集比對(duì)、圖像采集和報(bào)警信息發(fā)送。

2系統(tǒng)在LabVIEW軟件平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)在LabVIEW編程環(huán)境下設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。LabVIEW是由美國(guó)NI公司研制開發(fā)的一種專門面向測(cè)控領(lǐng)域的圖形化編輯語言，直觀易學(xué)，編程效率高。系統(tǒng)的軟件編程主要分為指紋識(shí)別和彩信報(bào)警兩個(gè)功能模塊。其中，指紋識(shí)別模塊實(shí)現(xiàn)指紋在計(jì)算機(jī)上的采集登記和比對(duì)，以攝像頭和彩信報(bào)警模塊實(shí)現(xiàn)圖像的采集和發(fā)送。

2.1指紋采集和識(shí)別

URU4000B指紋采集儀提供了可供二次開發(fā)用的軟件開發(fā)包Biokey SDK，它以ActiveX控件方式存在。本文利用LabVIEW調(diào)用ActiveX控件，實(shí)現(xiàn)指紋的登記和比對(duì)。

2.1.1ActiveX控件的注冊(cè)和調(diào)用

ActiveX控件是ActiveX技術(shù)的一種，它是以控件形式發(fā)布的一種軟件模塊。ActiveX控件主要包含的函數(shù)節(jié)點(diǎn)有屬性、方法和事件，使用前需要將URU4000B的控件文件Biokey.ocx復(fù)制到c:＼windows＼system32系統(tǒng)目錄中。點(diǎn)擊Window系統(tǒng)下的“開始運(yùn)行”在對(duì)話框中輸入命令“regsvr32 Biokey.ocx”，即完成對(duì)控件的注冊(cè)。

在LabVIEW中調(diào)用Biokey.ocx控件的步驟是：首先在前面板中創(chuàng)建“ActiveX容器”，創(chuàng)建好后在上面單擊右鍵選擇“插入ActiveX對(duì)象”，在彈出對(duì)話框的下拉列表中選擇需要的Biokey.ocx控件即可完成操作。

2.1.2指紋登記

在LabVIEW平臺(tái)上完成對(duì)ActiveX控件的調(diào)用后就需進(jìn)行指紋的登記和比對(duì)。登記指紋的目的在于將以后允許通過的指紋模板登記在計(jì)算機(jī)中。登記指紋的流程圖如圖2所示。

首先調(diào)用InitEngine()方法函數(shù)初始化控件，調(diào)用CreateFPCacheDB()方法函數(shù)創(chuàng)建內(nèi)存高速緩沖區(qū)；然后開始登記，登記環(huán)節(jié)主要包含一個(gè)方法函數(shù)BeginEnroll()和三個(gè)事件函數(shù)。對(duì)事件函數(shù)的設(shè)計(jì)是框圖程序的關(guān)鍵。事件在LabVIEW中以“事件回調(diào)注冊(cè)”形式存在，同時(shí)還需要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)回調(diào)子VI來處理控件事件，當(dāng)事件被觸發(fā)時(shí)將運(yùn)行回調(diào)VI。子VI的創(chuàng)建方法是右鍵單擊“事件回調(diào)注冊(cè)”節(jié)點(diǎn)的“VI引用”分支，然后選擇“創(chuàng)建回調(diào)VI”。

圖2指紋登記流程圖回調(diào)子VI中包含需要傳遞出來的“事件數(shù)據(jù)”，需要把這些數(shù)據(jù)傳遞出來，關(guān)于回調(diào)事件數(shù)據(jù)的方法有很多，本文選擇利用全局變量傳遞回調(diào)事件數(shù)據(jù)的方法。指紋登記涉及到的三個(gè)事件函數(shù)分別是：OnImageReceived()為當(dāng)指紋儀取到指紋圖像時(shí)調(diào)用該事件；OnFeatureInfo()為取得指紋初始特征，該函數(shù)的傳遞參數(shù)Quality表示該指紋特征的質(zhì)量，它有三個(gè)可能值，0表示好的指紋特征，1表示特征點(diǎn)不夠，2表示其他原因?qū)е虏荒苋〉街讣y特征；OnEnroll()為用戶登記指紋結(jié)束時(shí)調(diào)用該事件，當(dāng)該函數(shù)的傳遞參數(shù)ActionResult =true時(shí)，表示成功登記。利用這三個(gè)事件函數(shù)及其各自回調(diào)子VI編寫的程序如圖3所示。這里采用循環(huán)結(jié)構(gòu)的原因在于當(dāng)前面板上“登記指紋”按鈕被觸發(fā)后，需要通知程序循環(huán)運(yùn)行等待按壓指紋。當(dāng)上述三個(gè)事件均被成功觸發(fā)后屬性函數(shù)IsRegister函數(shù)值自動(dòng)變?yōu)?，經(jīng)過取反操作后變?yōu)?，即可停止循環(huán)。

圖3指紋登記主要框圖程序循環(huán)結(jié)構(gòu)停止后，數(shù)據(jù)流流出循環(huán)結(jié)構(gòu)進(jìn)入下一步操作。接著調(diào)用GetTemplate()方法函數(shù)提取登記到的指紋模板；調(diào)用SaveTemplate()方法函數(shù)保存指紋模板；調(diào)用AddRegTemplateToFPCahceDB()方法函數(shù)將提取到得指紋模板添加到已創(chuàng)建的內(nèi)存緩沖區(qū)。其中fpcHandle為內(nèi)存緩沖區(qū)的句柄，由之前創(chuàng)建的內(nèi)存緩沖區(qū)的全局變量得到。到此為止即完成了指紋登記。這部分程序見圖4。

圖4添加登記的指紋模板到內(nèi)存緩沖區(qū)2.1.3指紋的比對(duì)

指紋比對(duì)的目的在于采集當(dāng)前指紋，與已登記的指紋模板做比對(duì)，即實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的身份識(shí)別，并發(fā)送開關(guān)量驅(qū)動(dòng)后續(xù)功能模塊。流程圖如圖5所示。

圖5指紋比對(duì)流程圖首先將已登記的所有指紋模板添加到內(nèi)存緩沖區(qū)內(nèi)。因?yàn)樵诘怯洯h(huán)節(jié)是按照工序號(hào)命名保存的指紋模板，所以在添加時(shí)可以用一個(gè)for循環(huán)結(jié)構(gòu)，循環(huán)N次（N為登記保存的模板個(gè)數(shù)）將所有模板全部添加進(jìn)內(nèi)存高速緩沖區(qū)。然后利用指紋儀采集當(dāng)前指紋，此處步驟與指紋登記相差不大，同樣是包含一個(gè)方法函數(shù)BeginCapture()和三個(gè)事件函數(shù)，只不過最后一個(gè)事件函數(shù)由OnEnroll()變成了OnCapture()。再調(diào)用IdentificationInFPCacheDB()方法函數(shù)，將當(dāng)前指紋模板與指紋識(shí)別高速緩沖空間fpcHandle中所有登記模板進(jìn)行特征點(diǎn)比對(duì)，在比對(duì)識(shí)別過程中如果比對(duì)分?jǐn)?shù)大于等于設(shè)定閾值Threshold，則認(rèn)為比對(duì)成功，不再和緩沖空間中剩余的指紋登記模板進(jìn)行比對(duì)，如果比對(duì)失敗即指紋不匹配，則返回-1。

本文在程序指紋識(shí)別成功時(shí)（即IdentificationInFPCacheDB()函數(shù)返回值大于-1）通過串口向執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)送一個(gè)開關(guān)量00，驅(qū)動(dòng)后續(xù)動(dòng)作。LabVIEW程序是利用VISA節(jié)點(diǎn)進(jìn)行串口通信的，因?yàn)樵贚abVIEW中實(shí)現(xiàn)串口通信很簡(jiǎn)單，故在此不再詳細(xì)說明，串口通信的程序框圖見圖6。

圖6串口通訊程序框圖2.2攝像頭圖像采集

若當(dāng)達(dá)到規(guī)定的指紋識(shí)別次數(shù)（比如3次）時(shí)指紋比對(duì)仍然失敗，則觸發(fā)系統(tǒng)報(bào)警。系統(tǒng)彩信報(bào)警需要先通過攝像頭采集非法入侵者的圖像，即計(jì)算機(jī)調(diào)用攝像頭拍照。

系統(tǒng)報(bào)警模塊被觸發(fā)時(shí)，名為“結(jié)果”的布爾量值產(chǎn)生改變，于是觸發(fā)“報(bào)警”的事件結(jié)構(gòu)，開始進(jìn)入報(bào)警階段。在這一階段，首先通過LabVIEW調(diào)用Ovfw.dll的函數(shù)方法節(jié)點(diǎn)：“CaptureToBitmapFile”，調(diào)用攝像頭拍照，并將圖像保存為bmp格式，其程序框圖見圖7。

圖7攝像頭圖像采集程序框圖2.3彩信發(fā)送

這一部分完成圖像和文字信息的打包，將彩信報(bào)警內(nèi)容發(fā)送到指定的手機(jī)號(hào)碼中。該部分通過RS 232串口經(jīng)計(jì)算機(jī)傳送到SIM300模塊中，再經(jīng)該模塊將報(bào)警信息實(shí)時(shí)發(fā)送出去。

計(jì)算機(jī)采集到圖像后還需將圖像轉(zhuǎn)換成8位無符號(hào)整數(shù)類型（U8）的一維數(shù)組才能被彩信模塊接收到。這部分功能同樣需要在LabVIEW軟件上實(shí)現(xiàn)。因此首先在程序中調(diào)用“讀取二進(jìn)制文件”節(jié)點(diǎn)，以二進(jìn)制方式讀取圖片，讀取出來的圖片數(shù)據(jù)存放在一個(gè)一維數(shù)組里面，其程序框圖如圖8所示。最后將圖片數(shù)據(jù)從一維數(shù)組里面讀取出來，連同報(bào)警的文字內(nèi)容，以AT指令形式通過串口傳送給彩信收發(fā)模塊，即完成彩信報(bào)警。

3系統(tǒng)測(cè)試

為檢驗(yàn)指紋識(shí)別通過時(shí)系統(tǒng)發(fā)出的信號(hào)，以51單片機(jī)控制繼電器作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，當(dāng)指紋識(shí)別成功，單片機(jī)接收到計(jì)算機(jī)發(fā)出的開關(guān)量00時(shí)，驅(qū)動(dòng)繼電器吸合。

將指紋采集儀通過USB口和計(jì)算機(jī)相連，并通過串口分別將SIM300彩信模塊和單片機(jī)與計(jì)算機(jī)相連。打開LabVIEW程序，注冊(cè)登記6個(gè)不同的指紋，然后用不同的手指作指紋識(shí)別測(cè)試。分別觀察指紋比對(duì)成功時(shí)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作，以及指紋比對(duì)失敗時(shí)彩信接受設(shè)備是否接收到報(bào)警彩信。一共測(cè)試50次，系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果如表1所示。

圖8二進(jìn)制方式讀圖片表1系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果表次

指紋比對(duì)成功指紋比對(duì)失敗數(shù)量2822攝像頭拍照022彩信接收022繼電器吸合280

4結(jié)語

本文采用常見的指紋采集儀，結(jié)合MMS無線信息傳送技術(shù)，利用LabVIEW虛擬儀器技術(shù)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了具有安全性、實(shí)時(shí)性的指紋識(shí)別報(bào)警系統(tǒng)。測(cè)試結(jié)果表明，系統(tǒng)運(yùn)行良好，能夠進(jìn)行可靠安全的指紋識(shí)別和實(shí)時(shí)快速的彩信報(bào)警。本文的創(chuàng)新點(diǎn)是將指紋識(shí)別技術(shù)與MMS信息傳輸技術(shù)結(jié)合在一起，應(yīng)用于安防報(bào)警系統(tǒng)中，解決了傳統(tǒng)安防報(bào)警系統(tǒng)安全性和實(shí)時(shí)性不足的缺陷；基于LabVIEW軟件平臺(tái)以圖形化編程語言實(shí)現(xiàn)對(duì)Biokey SDK的二次開發(fā)，以及圖片文件的數(shù)字化傳輸，提出了一種全新的編程思路。

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