基于指紋識別技術(shù)的智能門禁系統(tǒng)研究

吳成楓，趙振華

0 引言

門禁系統(tǒng)，又稱出入管理控制系統(tǒng)，是一種管理人員進出的數(shù)字化管理系統(tǒng)。常見的門禁系統(tǒng)有：密碼門禁系統(tǒng)，非接觸 IC卡(感應(yīng)式 IC 卡)門禁系統(tǒng)，指紋虹膜掌型生物識別門禁系統(tǒng)等。密碼門禁系統(tǒng)由于其本身的安全性弱和便捷性差已經(jīng)面臨淘汰，非接觸IC卡門禁系統(tǒng)則有著成本高、讀寫設(shè)備麻煩、易受電磁干擾等缺點，生物識別門禁逐漸成為門禁系統(tǒng)研究的熱點。

20世紀(jì)80年代以來，隨著光學(xué)掃描、個人電腦等技術(shù)的發(fā)展，指紋采集工具這一難題得到解決、指紋識別理論逐漸成熟、數(shù)字化采集設(shè)備的廣泛應(yīng)用，指紋識別技術(shù)得以廣泛應(yīng)用于當(dāng)今生活領(lǐng)域中。隨著計算機相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，特別是ARM嵌入式技術(shù)近年來在服務(wù)業(yè)、通信業(yè)、消費電子、公眾服務(wù)業(yè)、工業(yè)等行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用，基于ARM的指紋識別技術(shù)逐漸成為目前最實用、最廣泛的生物識別技術(shù)。指紋識別技術(shù)已經(jīng)在金融、醫(yī)療、公安、門禁系統(tǒng)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。基于ARM嵌入式技術(shù)的智能門禁系統(tǒng)成為當(dāng)前建筑智能化研究的熱點。

1 指紋識別的技術(shù)原理

指紋識別是從指紋數(shù)據(jù)庫中查找與給定指紋相同的指紋數(shù)據(jù)，從而達到辨別身份的目的。指紋識別系統(tǒng)是指紋識別技術(shù)的核心內(nèi)容。指紋識別系統(tǒng)由指紋圖像采集、指紋圖像預(yù)處理、指紋特征提取、指紋特征匹配、特征數(shù)據(jù)庫等幾部分組成。指紋識別系統(tǒng)從指紋數(shù)據(jù)庫中查找與采集指紋是否匹配的指紋數(shù)據(jù)，從而達到指紋辨別的目的。指紋識別系統(tǒng)大體上可分為兩個內(nèi)容：指紋注冊和指紋比對。指紋注冊主要包括指紋采集、指紋圖像預(yù)處理、特征點提取和特征值存儲。指紋比對的前3步操作與指紋注冊完全相同，在特征點提取后，生成的指紋特征值將與存儲在指紋特征數(shù)據(jù)庫的特征值作特征匹配，最后輸出匹配結(jié)果。指紋識別系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如圖1所示：

圖1 指紋識別系統(tǒng)框圖

2 硬件電路的設(shè)計

本設(shè)計以S3C2440為控制核心，S3C2440是SAMSUNG公司推出的一款16/32位的精簡指令集(RISC)微處理器，該處理器采用 ARM920T內(nèi)核，主頻達到 400MHz，支持THUMB和ARM指令集。S3C2440的低功耗、豐富的外設(shè)接口和全靜態(tài)設(shè)計到特點特別適合對于低成本和對功耗有較高的應(yīng)用場合。利用性能強勁的 ARM9內(nèi)核實現(xiàn)對指紋采集模塊、電源管理模塊、數(shù)據(jù)存儲及傳輸模塊和電鎖的管理與控制，指紋識別模塊與 S3C2440及其外圍電路進行通訊，通過 S3C2440完成對系統(tǒng)指紋識別模塊的控制，從而實現(xiàn)指紋的采集、比對、存儲、上位機軟件完成對系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)置、數(shù)據(jù)指紋的導(dǎo)入、指紋數(shù)據(jù)可以自如添加、刪除。整個系統(tǒng)硬件模塊結(jié)構(gòu)，如圖2所示：

圖2 系統(tǒng)硬件模塊結(jié)構(gòu)示意圖

數(shù)據(jù)存儲模塊主要包括64MB的SDRAM和64 MB的FLASH(片外存儲器)。SDRAM用來存放采集到的指紋圖象數(shù)據(jù)和程序運行時的臨時數(shù)據(jù)。64MB的Flash則用于存放系統(tǒng)應(yīng)用程序和特征數(shù)據(jù)庫，系統(tǒng)可通過外接SD卡或硬盤可實現(xiàn)大容量存儲。

本系統(tǒng)指紋采集模塊采用富士通公司的 MBF200指紋傳感器芯片，MBF200屬于電容式指紋傳感器，具有半導(dǎo)體芯片同樣的體積小、功耗低的特點，能夠深入真皮層，捕獲到更多真實的數(shù)據(jù)，從而獲得相當(dāng)精確的指紋圖像，與光學(xué)指紋采集器相比，MBF200不需要較大面積的采集頭。MBF200提高了指紋識別效率，有效避免識別錯誤。該芯片的分辯率高達500dpi(dots per inch)，并帶有8bit數(shù)據(jù)接口，可以采集300×256大小的指紋數(shù)字圖像。MBF200芯片提供有3種接口(SPI、USB和MCU)方式，本系統(tǒng)采用MCU方式，其內(nèi)置的標(biāo)準(zhǔn) 8位微處理器總線使其性能大大加強。MBF200的工作流程分為3部分，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，如圖3所示：

圖3 MBF200內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

首先是初始化參數(shù)的設(shè)置，主要是啟動內(nèi)部ADC并對特殊功能寄存器CTRLB的第0和第2位置位，以確定ADC后的地址是否自動增加，同時設(shè)置芯片的時鐘源從而獲得等待時間后使能傳感器；其次是調(diào)整DTR、DCR、PGC等寄存器的參數(shù)；最后就是獲取指紋圖像數(shù)據(jù)。

MBF200的傳感器陣列由256列×300行的傳感器單元組成。每一列有兩個采樣保持電路，每次捕獲一行指紋圖像數(shù)據(jù)。行捕獲分為兩個階段，第一階段，將電容板的被選行充電到3.3V或5V，在充電的同時，一個內(nèi)部信號使能一個采樣保持電路以采樣被選行的電容單元電壓；第二階段是傳感器板放電階段，放電快慢由放電電流寄存器決定。放電階段結(jié)束后，可由一個內(nèi)部信號使能另一個采樣保持電路去采樣電容單元的最后電壓，充電電壓與放電電壓之差就是所要測量的有用傳感信號電壓。行捕獲結(jié)束之后，接著對該信號進行數(shù)字化，從而完成一次采樣。

3 軟件設(shè)計

本系統(tǒng)軟件部分用C語言編寫，在ARM Developer Suite v1.2的Code Warrior IDE環(huán)境下編寫、調(diào)試。該門禁系統(tǒng)的軟件設(shè)計大體上可分為兩個部分：(1)基于三星S3C2440的門禁軟件設(shè)計，實現(xiàn)對電鎖的智能控制；(2)基于數(shù)字圖像處理技術(shù)的指紋算法處理。上位機軟件設(shè)計流程，如圖4所示：

圖4 門禁控制流程

指紋算法處理是指紋特征識別的重要內(nèi)容。指紋識別算法流程主要包括背景分割、方向圖計算及方向濾波、二值化、細(xì)化、特征提取和特征匹配等。采集的指紋圖像容易受到各種因素的影響而使圖像質(zhì)量變差，比如手指按壓的方向和力度、皮膚的干濕程度、傳感器的特征差異等。因此，指紋識別算法首先要對指紋圖象進行處理，以把有用的前景信息和背景區(qū)分開。本系統(tǒng)算法采用方差法進行圖像分割。然后采用基于塊方向圖計算的方向濾波。接著利用動態(tài)閥值法進行二值化處理，以把指紋灰度圖像轉(zhuǎn)化為僅用0、1表示的二值圖像。對二值化后的二值圖像進行細(xì)化可得到骨架圖象。接下來的特征提取階段是用模板匹配的方法獲取細(xì)節(jié)特征點(端點、分叉點)的位置、方向和類型信息。最后和特征匹配則采用基于細(xì)節(jié)特征點匹配的算法。指紋識別總體算法實現(xiàn)流程，如圖5所示：

圖5 指紋識別總體算法實現(xiàn)流程

本系統(tǒng)為獨立型門禁系統(tǒng)，接兩個指紋識別模塊，實現(xiàn)出入門指紋識別兩次身份驗證。本門禁系統(tǒng)適用于門數(shù)不多的場合，成本預(yù)算很低，即使不懂計算機專業(yè)知識的裝修人員也能方便安裝。該系統(tǒng)同時也具備良好的拓展性，能夠和計算機進行通訊，通過計算機上的門禁管理軟件可實現(xiàn)使用權(quán)限的設(shè)置、分析查詢門禁出入記錄等功能。電腦不開，系統(tǒng)也可以脫機正常運行，可便捷擴展為聯(lián)網(wǎng)型門禁系統(tǒng)。

4 結(jié)束語

本文對基于指紋識別技術(shù)的智能門禁系統(tǒng)作簡單研究，并給出了相應(yīng)的應(yīng)用設(shè)計。利用最新的嵌入式技術(shù)構(gòu)建的智能門禁系統(tǒng)具有成本低、性能高的特點，有著良好的應(yīng)用前景。

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