基于ARM單片機的人身安檢裝置的設計

沈 毅，董浩明

（1武漢建筑設計院，湖北 武漢430014；2武漢市特種設備監督檢驗所，湖北 武漢430019）

由于中國人口數量龐大，每逢春運和國慶黃金周旅游高峰時，各地的車站和機場承受著極重的負荷，同時也給國內交通運輸的安全性帶來了極大的隱患.近年來，我國的交通安全管理水平已經得到了很大的提升，但仍然存在效率低下、服務態度差以及安保不力等各種問題［1，2］.對乘客的人身安檢是保障乘車（機）環境安全的重要舉措.人身安檢主要包括對乘客是否攜帶金屬物品的檢測和對乘客身份的認證［1］.本檢測系統針對目前我國車站主要靠人工挨個檢查旅客身份的現狀，將物聯網射頻識別技術和指紋識別等人工智能識別技術相結合，實現旅客身份識別智能化、高效化.

1 安檢系統工作原理

1.1 金屬探測器工作原理

金屬探測利用電磁感應現象.當金屬物靠近導電線圈時，使其周圍的磁場發生變化；當繼續靠近時，其內部會產生閉合的感應電流，即渦流效應［6］.金屬探測器正是利用這種效應來探測金屬物體，通常有差拍式、自激式和平衡式三種檢測電路［5］.本探測設備采用平衡式檢測方法.它相對于另兩種方式具有更好的穩定性，而且便于結合前沿的控制技術.

接收線圈中產生的反相等幅的電動勢使其相消平衡，當有金屬物穿過線圈時，其磁場發生變化，從而產生出一個電勢差［6］.接收線圈能檢測出該電勢差，該信號濾波和放大后，傳送給控制核心，通過指示燈顯示并發出報警.由于平衡式探測器有一個平衡補償線圈，由閉環負反饋控制原理可知它能保證輸出信號免受外界干擾.

平衡式金屬探測原理見圖1.其傳感器部分主要包括發射線圈、接收線圈和一個平衡調節電路.該電路工作穩定，能有效避免電磁等干擾.

圖1 平衡式金屬探測器原理圖

1.2 身份識別原理

1.2.1 二代身份證閱讀器原理 目前國內使用的第二代身份證其實是一種非接觸式IC智能卡.它具有高防偽性能、存儲信息量大和功能性強等特點.非接觸式IC卡主要由射頻接口、存取控制器和存儲器組成［7－9］.它成功地結合了射頻識別和IC卡技術，解決了無電源和非接觸的問題.該系統主要由尋呼和應答兩部分功能組成，其中應答器是射頻識別的關鍵.身份證閱讀系統.通過發射器利用載波把無線激勵信號發送給身份證，其內部IC卡相當于應答器.

非接觸式IC卡工作原理見圖2.讀卡器發送載波信號，IC卡進入工作區接收發射過來的信號.IC卡內部的射頻接口將其轉換成電壓信號，形成時鐘和數據［8－9］.存取控制模塊調制其內容至載波信號，送給讀卡器，再通過解調后送至后臺計算機，做出相應的處理和控制.

圖2 非接觸式IC卡工作原理圖

1.2.2 指紋識別原理 由于指紋的唯一性決定了它更高的安全性，而且不需要記憶密碼.指紋識別原理：通過圖像采集器采集指紋信息，然后由后臺計算機進行圖像處理并提取其特征值，最后與二代身份證中的數據進行對比［10－11］.借助二代身份證和指紋的特殊性，可以實現對乘客身份認證的人物合一.

圖3 指紋識別與身份驗證流程

本裝置將指紋采集和非接觸式IC卡讀卡功能集于一體，采用嵌入式系統，既可以脫離數據庫和網絡的支持現場自動驗證身份，也可以聯入后臺計算機經互聯網控制終端驗證.指紋識別與身份驗證流程見圖3.

該方案的實施需要用戶注冊指紋，由統一的認證中心采集用戶的指紋圖像，經過增強和銳化等處理后，提取特征值數據存入到二代身份證中.與此同時給每個用戶匹配一個ID號，將相應的數據存儲到后臺計算機中，便于聯網控制.驗證時，只需將現場采集的指紋信息與身份證中存儲的信息對比匹配，如若身份不符，發出聲光報警信號.

2 系統硬件設計

本系統以Cortex M3－LPC1768ARM嵌入式單片機為主要控制核心，工作頻率高達100M，外圍擴展了RAM和FLASH等存儲芯片.該單片機采用3級流水線設計和哈佛指令結構，代碼執行速度快.它有豐富的增強I／O端口和外設，通信能力強，功耗低.

控制系統硬件結構見圖4.主要由非接觸式IC卡接口電路與天線電路、指紋采集模塊、金屬檢測模塊、液晶顯示與鍵盤模塊、通信模塊、復位和調試電路、蜂鳴報警和LED指示電路等組成.LPC1768微處理器作為系統的核心，控制整個系統.單片機的串口與指紋身份識別模塊及金屬檢測模塊相連，進行數據和指令的傳送，從而完成指紋的比對、存儲，金屬物品的探測等功能.

圖4 系統硬件結構圖

2.1 通信設計

由于指紋圖像的數據量很大，需要高速的通訊接口來實現指紋圖像的上傳，以提高指紋圖像的采集速度.

USB總線是一種基于網絡思想的串行數據通訊方式，其總線上可同時掛接多個USB設備，具有較高的通訊速率，能滿足大量數據高速傳輸的要求，并且可以提供500mA的電流，無需外接電源適配［11－12］.因此，本裝置選用 USB接口作為通訊接口.為了提高指紋采集數據及通訊速度，可采用雙節點提高通訊效率，通信接口設計見圖5.

圖5 通信接口原理圖

2.2 天線電路設計

讀寫器的天線主要用于產生磁通量向二代身份證提供電源并能夠發射信號傳輸數據信息.天線藕合電路見圖6.圖中電容C23、C24、C26、C27的值是由天線決定的，需要根據實際調整.它們電容值的大小密切影響讀卡器的讀寫距離［11］.

為使讀卡器處于最佳性能狀態，可以通過示波器觀察輸出的波形來調整并確定這些電容的值.經過多次實驗和調整，該裝置選用的電容參考值如下：C23，150pf；C24，18pf；C26，150pf；C27，22 pf.

圖6 天線藕合電路圖

3 軟件控制

3.1 數據采集流程

數據采集過程主要包括金屬探測數據和指紋采集數據，通過外電路的調理直接利用單片機內部AD轉換器進行采樣.采集流程見圖7.首先單片機初始化設定初值，然后開啟總中斷開關并選取中斷通道.將連續采樣到的多個數值通過平均取值濾波后保存，采集完畢置位標志位，并將偏離平均值較大的數值剔除，以保證采樣的準確性.

圖7 數據采集流程圖

3.2 指紋識別流程

該部分完成指紋圖像的采集和處理，以及讀／寫IC卡等功能.指紋識別過程需要保證采集到的指紋特征值明顯，易于辨識.每個指紋至少要采集4次以上，然后根據這些采集數據通過數字圖像處理方法提取共同特征點，再將這些特征值存入到身份證IC卡中.指紋識別流程見圖8.

圖8 指紋識別流程圖

4 結論

將手持式金屬探測器與身份識別技術相結合，采用了非接觸式IC卡與指紋識別技術，通過ARM嵌入式微處理器綜合控制，設計出了手持式一體化安檢裝置，極大地提高了安檢的工作效率和智能化程度.

人身安全檢查是保障乘客安全的最重要的手段.隨著科學技術的進步和發展，不法分子的犯罪手段也越來越趨于高科技化，作案裝置愈加隱蔽.手持式金屬探測與身份識別一體化簡易安檢裝置只能檢測由金屬做成的物體，而炸藥、毒品等化學物品尚不能探測.隨著物聯網傳感器技術和人工智能識別技術的發展，人身安檢與行李物品的安檢將趨向一體化，省去了乘客上下行李的過程，使安檢過程更加智能化，便捷化.

當前射頻技術的安全性問題仍然值得關注，如數據在通信過程容易被截取而泄漏，另外還需要解決多卡和多證件之間的數據干擾問題.除了技術因素，在安檢實際工作中，它還受人為因素的影響和制約，因此提高工作人員的防范意識和安保技能也將充分有效地發揮高科技的優勢［1］.

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