指紋識別在電視信號播出機房門禁中的應用

熊 欣

(河南工程學院軟件學院，河南 鄭州 450053)

保證電視信號的正常連續和穩定播出是對廣電網絡運行商提出的最基本的服務要求，而播出機房又是整個運營商的核心，為了不讓閑雜人隨便進入機房，發生誤操作而造成重大事故，必須提高機房安保管理［1］。根據指紋學理論原理，兩枚指紋匹配點達12個的機率為1%。所以至今仍找不出兩個指紋完全相同的人，與傳統的鑰匙、射頻卡以及密碼相比，不容易被偽造和假冒［2］。為此，采用分布式C/S架構設計了基于指紋識別的智能門禁系統，只有注冊的訪客才可以通過門禁，系統對每次訪問保存記錄，方便管理、安全可靠性高。

1 工作原理與系統設計

指紋識別的工作原理是通過精準的光電成像系統對開啟者的指紋圖像進行采集，并運用復雜的模式匹配算法，與原注冊指紋進行比對，判斷開啟者身份，合法身份確認后即可輸出開鎖信號［3］。電視信號播出機房的門禁系統采用分布式C/S架構設計，主要由門禁管理中心、門禁終端、自動門和傳輸網絡等組成，結構如圖1所示。

圖1 系統結構圖

門禁管理中心部署在監控室，實際上是由一臺接入局域網的PC機完成的，PC機上安裝門禁管理軟件用以存儲和管理訪客資料、指紋信息以及訪問日志等信息，同時作為系統的服務端等待分布在各處的門禁客戶端發來的連接請求建立TCP/IP網絡連接，實現與各門禁終端的數據交互;門禁終端作為系統的客戶端是執行單元，主要完成對訪客指紋的采集、預處理、特征提取、指紋匹配、控制自動門開關、顯示工作狀態和呼叫門鈴等功能。當訪客的指紋與系統中注冊的指紋匹配時，通過控制繼電器打開或者關閉自動門，并在LCD液晶屏上顯示訪客身份信息;不匹配時，會顯示報錯和處理方法等，并將所有執行的操作和狀態信息發送至管理中心。當有外來訪客時，可以按呼叫門鈴讓保安室的工作人員手動控制自動門開啟，進行登記后再進入［4］。

2 門禁終端硬件構成

智能門禁系統主要由嵌入式處理器LPC2148、指紋識別模塊TF－EM－M12、液晶顯示屏、呼叫門鈴、繼電器和電源管理單元等組成。門禁終端硬件構成如圖2所示。

圖2 門禁終端硬件構成

2.1 嵌入式處理器LPC2148

為了實現系統的低功耗和小體積設計目標，采用了飛利浦公司推出的基于ARM7 TDMI內核的精簡指令系統的16/32位高速處理器。其豐富的片上資源能滿足本系統的設計需要［5］。

系統采用的都是集成度很高的模塊，LPC2148處理器的UART串口與指紋模塊TF－EM－M12的串口對接，用以實現指紋的采集、匹配、回傳、存儲的功能;處理器的SPI接口直接與網絡模塊ENC28J60的SPI接口對接，用以實現網絡控制及數據傳輸。

2.2 指紋識別模塊TF－EM－M12

指紋識別模塊TF－EM－M12利用光學CMOS傳感器采集指紋圖像信息，它的核心是一個集成了先進指紋識別算法的DSP芯片，內部集有指紋特征提取、存儲、比對等功能，并提供了RS－232接口供外部控制器控制。識別率高達0.00001 %，采集頭分辨力為500DPI，可存儲80枚指紋，還可擴展到880枚和1980 枚，比對時間小于1 s，具有1∶N和1∶1這2種比對模式，用戶還可分為多級權限管理，多級的安全級別自主設置，便于應用于不同場所。該模塊處理速度快、穩定性好，易于集成，適于嵌入指紋鎖、指紋門禁機和手持指紋識別設備。

指紋識別模塊在門禁終端中作為從設備，由處理器LPC2148通過UART串口發送相應指令對其進行添加指紋、刪除指定用戶、采集圖像、提取特征值上傳和匹配等控制。串口的通信速率與處理器LPC2148初始化的一致，設置為19200 bit/s、1個起始位、1個停止位和無校驗位模式。

2.3 網絡模塊ENC28J60

ENC28J60是美國微芯科技公司推出的帶有行業標準SPI串行外設接口的以太網控制器，完全符合IEEE 802.3規范，提供了一個內部DMA模塊，并采用一系列機制對傳入數據包進行限制，為了實現快速數據吞吐還提供了硬件支持的IP校驗和計算，具有兩個專用的引腳用于連接 LED，進行網絡活動狀態指示［6］。網絡模塊ENC28J60與處理器LPC2148的通信通過2個中斷引腳和SPI接口實現，數據傳輸速率高達10 Mbit/s。

3 門禁終端軟件設計

門禁終端核心采用的是ARM處理器LPC2148，故軟件調試環境采用了ARM處理器集成開發工具ADS1.2，此開發軟件功能強大，集成了匯編、C/C++編譯器等，其編譯效率非常高，還支持JTAG仿真調試和硬件調試，同時，提供了功能強大的系統庫。

3.1 門禁終端程序結構

主程序主要通過調用各功能子函數來實現數據收發和控制等。程序流程圖3所示。

圖3 程序流程

門禁終端上電后，首先進行系統初始化，包括處理器LPC2148異常向量表、堆棧初始化、存儲系統初始化和目標板初始化等，還包括對外圍網絡模塊ENC28J60、指紋識別模塊TF－EM－M12和LCD顯示屏設備的配置，并主動與管理中心建立TCP/IP網絡連接，之后進入中斷觸發等待狀態。當有訪客觸發CMOS傳感器時，進入中斷程序，獲取和處理指紋，再與管理中心系統中注冊的指紋進行匹配。如果匹配，會在門禁終端上顯示個人信息并打開自動門;如果不匹配，會聲音報警提示報錯，并在LCD屏上顯示原因和處理方法。最后將操作過程通過網絡發送到管理中心服務器端備份，結束中斷，繼續進入等待中斷觸發狀態。

3.2 數據傳輸

系統中的指紋數據和控制指令都是通過以太網傳輸的，一般情況下每一數據幀的長度介于64～1518 byte之間，分別依次由目標MAC地址、源MAC地址、類型/長度字段、數據有效負載、可選的填充字段和循環冗余校驗字段等字段組成。整個過程比較簡單，當需要通過以太網發送數據包時，ENC28J60內的MAC在發送時會自動生成前導符和幀起始定界符到以太網數據包的開頭，MAC可根據配置生成填充和CRC字段。處理器LPC2148根據需要生成他幀字段，并寫入緩沖存儲器，調用數據發送子函數即可實現數據發送。

4 管理中心軟件

管理軟件以VC++6.0為開發平臺，采用Microsoft Access2003為后端數據庫，通過以太網實現與各門禁終端通信，具備錄入數據、數據查詢、歷史查詢和手動控制門禁開關等功能，其中需要錄入的數據有個人資料、指紋信息和訪客訪問日志信息等［7］。管理中心功能結構如圖4所示。

圖4 管理中心功能結構

管理軟件安裝在監控室的計算機上，該計算機與各門禁終端接入組建的局域網，并自動分配IP地址，此時的系統是一個空白的系統，首先需要注冊訪客的指紋和個人信息，指紋并與個人信息對應存入Access2003數據庫中，此時這個指紋就被授權可以開啟自動門。當發生異常情況后，想獲取在某個時間段內人員的進出時，可以通過歷史查詢功能，調用訪客日志，使電視信號播出機房門禁的管理井井有條。

5 結論

電視信號播出機房門禁系統采用分布式C/S架構設計，實現了門禁的統一管理，利用嵌入式處理器LPC2148設計的門禁終端工作穩定可靠，同時為了簡化系統設計，采用了集成指紋識別算法的模塊TF－EM－M12，大大減小了系統的復雜度。指紋識別與傳統的鑰匙、射頻卡以及密碼相比，大大提高了安全性與方便性，能夠提供高效、智能、便捷的授權控制，還可以應用于科研實驗室、重要機關和高檔公寓等場所。

［1］鄧志杰，錢宇.機房安保及環境集中監控系統的設計與實現［J］.電視技術，2004，28(5):80－81.

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［3］劉利，王棟，董惠.用于智能門禁系統的人臉識別技術［J］.電視技術，2010，34(9):113－115.

［4］陳偉元，蘇濤.單芯片微小型指紋識別系統設計與實現［J］.計算機工程與應用，2010，46(25):61－63.

［5］吳棟念，唐慧強.基于LPC2148的步進電機調速和測速系統設計［J］.電子設計工程，2010(10):54－56.

［6］緱延軍.基于ENC28J60的嵌入式異構網關與Web應用［J］.同濟大學學報:自然科學版，2008，36(2):263－267.

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