便攜式指紋識別考勤系統設計與實現

錢瑩晶

（懷化學院 物理與信息工程系，湖南 懷化 418008）

目前身份識別系統主要有兩個方向的技術支撐，一是基于智能卡和射頻識別技術的身份驗證系統[1-3]，二是基于生物識別技術的身份驗證系統[4]。 前者將用戶信息固化在一塊集成電路IC 或射頻識別卡中，系統雖簡單但通用性差、可靠性差、容易出現身份冒認現象[5-6]；指紋識別技術是生物識別技術中的一種，是迄今為止人們最關注、最成熟的生物識別技術[7-8]。

目前， 市面上的基于指紋識別技術的身份認證系統通常采用的是通用計算機或沒有考慮功耗的控制器控制。 這樣的系統雖然功能全、容量大，但存在成本高、體積和功耗較大等缺陷，因而不適合隨身攜帶，應用場合也受到一定的限制[9]，尤其是在非固定考勤地點和容量不大的場合。 例如，高校學分制下課堂考勤就不能套用目前市面上固定安裝的這種指紋考勤機[10]，這是由于對學生的考勤只有與教師上課完全同步才有意義，這就需要考勤終端在教師上課時能在學生中自由有序地移動來采集學生指紋[11-12]。這顯然是目前市面上由于功耗問題需要市電供電而固定安裝在考勤地點的指紋考勤機所無法解決的技術問題。 所以，以教務考勤系統為例研制一套高效、 智能和可靠的便攜式考勤管理系統有著重要的應用價值和一定的工程參考價值。

1 系統設計

系統框圖如圖1 所示，系統由光學指紋傳感器、DSP、單片機、外擴存儲器和人機接口等模塊組成。 其中光學指紋傳感器用于采集指紋信息；DSP 處理器采用TI 公司的TMS320VC5501，通過TFS-9 商用指紋算法在光學指紋傳感器錄入指紋信息經過圖像處理提取特征值， 并能完成指紋比對和搜索等功能； 單片機TM4C123GH6PMI 通過異步串口UART 接口通訊協議控制DSP 完成指紋錄入、比對、上傳或接收特征值；用戶的信息可以通過鍵盤錄入同時通過液晶顯示器OLED12864 顯示。 需要說明的是為了適應便攜式使用， 系統進行模塊選型時最為重要的就是選擇低功耗器件。 這里單片機采用德州儀器的32 位超低功耗微處理器TM4C123GH6PMI、液晶采用低功耗液晶OLED12864。

圖1 系統框圖

2 系統硬件

由圖1 的系統框圖可以看出， 該系統的硬件組成很簡單，其連接也不復雜。 主要涉及到3 部分之間的接口連接。 單片機與DSP 內核的TFS-M51 指紋模塊的連接，采用UART 的3 線標準， 用于給指紋模塊發送命令和接收指紋模塊采集到的用戶信息及模塊狀態； 單片機與液晶采用并行連接，OLED12864 是128×64 行點陣的OLED 單色、 字符、 圖形顯示模塊， 模塊內藏64×64 的顯示數據RAM，其中每位數據都對應于OLED 屏上一個點的亮、暗狀態，其接口電路和操作指令簡單，可以采用串行數據接口； 單片機和外擴存儲器采用I2C 串行接口， 存儲器24C02 用于存儲用戶考勤結果（注意只是考勤記錄而非用戶的指紋信息），保證掉電后考勤結果不至于丟失。

3 功能介紹

該考勤系統的主要設計任務是軟件設計， 特別是不同功能狀態時單片機與DSP 內核指紋模塊之間的通信。為了明確軟件設計任務， 先對該系統的功能和使用流程進行說明。

3.1 功能說明

該便攜式指紋考勤系統主要用于學生上課考勤，其具體功能應該包括以下幾項：

3.1.1 指紋錄入：輸入學號后，對同一個用戶連續三次錄入指紋一致后方成功， 以此為基礎建立任課班級指紋庫。

3.1.2 指紋匹配： 正常授課課堂上采集指紋并與指紋模塊中的指紋庫對照，即學生指紋簽到。

3.1.3 考勤統計： 可以統計未進行指紋簽到的學生名單，下課后教師可以按鍵翻閱。

除此3 部分基本功能外，還有清除簽到記錄、刪除指紋庫和對錯誤操作進行程序復位等功能。

3.2 使用說明

該便攜式指紋考勤系統設置了16 個按鍵：10 個數字鍵用來輸入學號；1 個添加用戶‘A’鍵；1 個簽到匹配‘B’鍵；‘C’鍵重新補簽到，補簽到需要教師密碼；‘D’鍵刪除所有的記錄包括指紋庫（加有警告提示，此處也可在程序中設置密碼）；‘*’鍵查看未到的用戶。

4 軟件設計

正如上文所述， 此系統的主要軟件工作是單片機和DSP 內核的指紋模塊間的數據交換。 這部分軟件設計與通信方式和通信協議密切相關。

4.1 通信方式

DSP 模塊作為從設備， 由主設備單片機發送相關命令對其進行控制。 其命令接口波特率為19200bps，1 起始位，1 停止位，無校驗位。

主設備發送的命令及DSP 模塊的應答按數據長度可分為2 類， 最為簡單和常用的是固定8 個字節的數據格式。 具體數據格式如下：

表1 通信格式

其 中，CMD 為 命 令/應 答 類 型；P1、P2、P3 為 命 令 參數；Q1、Q2、Q3 為應答參數；CHK 為校驗和，0xF5 為第2字節到第6 字節的異或值。

4.2 通訊協議

4.2.1 使模塊進入休眠狀態（命令/應答均為8 字節）

命令數據格式如下：

表2 休眠模式格式字

4.2.2 設置/讀取指紋添加模式（命令/應答均為8 字節）

指紋添加分兩種模式： 允許重復模式和禁止重復模式。 在”禁止重復模式”下，同一枚手指只能添加一個用戶，若強行進行第二輪添加將返回錯誤信息。 上電后系統處于禁止重復模式。

表3 設置指紋添加模式格式字

4.2.3 添加指紋（命令/應答均為8 字節）

為確保有效性， 用戶必須錄入3 次指紋， 主機須向DSP 模塊發送3 次命令。 此處以第一次錄入為例，其余2次只需將下表的第三列上數字改為相應的錄入次數值。

表4 添加指紋格式字

4.2.4 刪除指定用戶（命令/應答均為8 字節）

表5 刪除模式格式字

4.2.5 采集圖像并提取特征值上傳（命令為8 字節/應答＞8 字節）

表6 采集、上傳格式字

應答數據包如下：

表7 應答模式格式字

說明：特征值數據長度Len-3 恒為193 字節。

4.3. 軟件設計

在上述通信方式和協議下可以進行如下軟件設計。軟件設計包括主程序和部分功能子程序， 其中比較重要的功能子程序包括添加用戶功能程序、 刪除用戶功能程序和簽到匹配功能程序。

4.3.1 主程序設計

如圖2 所示系統主程序流程圖中， 系統在上電之后先進行串口、液晶和24C02 存儲器的初始化。 然后進行按鍵掃描，根據按鍵掃描情況設置狀態機安排任務調度。 若檢測到A 鍵被按下，則進行新用戶錄入操作；若檢測到B鍵被按下，則進行匹配簽到操作；若檢測到C 鍵被按下，則進行補簽到操作；若檢測到D 鍵被按下，則進行刪除；若檢測到*鍵被按下，則進行查看未簽到學生操作；若檢測到數字鍵被按下，則記錄數字并顯示。

圖2 主程序流程圖

4.3.2 添加用戶功能程序設計

圖3 添加用戶子程序流程圖

為了保證登記入指紋庫的學生用戶指紋信息有效可靠，需要連續錄入3 次，并保證3 次錄入的學生指紋特征值一致。 合法的指紋特征值作為模板保持在指紋庫中，正常上課考勤時錄入的學生指紋將以此指紋庫中的指紋模板為對照對象。

4.3.3 刪除用戶子程序設計

刪除用戶指紋可以是對所有用戶， 也可以指定某個用戶。 下面以刪除所有用戶信息為例說明如何刪除指紋信息。

圖4 刪除用戶子程序流程圖

4.3.4 簽到匹配子程序設計

該功能程序在B 健被按下時啟動。當B 健被按下時，單片機給DSP 指紋模塊發送0x0C 命令（進行1：N 比對）。如比對匹配成功， 可以從指紋模塊返回的狀態字中讀出匹配的學生用戶號， 然后在主設備單片機端將用戶號和學生學號映射，并在顯示器上顯示。

圖5 簽到匹配子程序流程圖

5 結論

本文以教務考勤系統為例， 介紹了一套基于指紋識別技術的便攜式考勤管理系統的設計與實現。 該系統為適應便攜式設備低功耗的需要， 硬件上以超低功耗單片機TM4C123GH6PMI 為控制器、以兼容LTTL 電平和支持待機模式的TFS-M51 為指紋模塊、 以低功耗液晶OLED12864 為顯示器， 軟件上在系統無激活時采用低功耗待機模式。 該系統具有指紋錄入、刪除、對比檢測和翻閱未簽到學生名單等功能。 測試結果表明： 該系統可在2000mAh 容量電池供電情況下正常工作10 小時，實現容量為800 人的考勤，可以滿足便攜式考勤的需要。

圖6 實物典型界面圖

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