基于指紋識別的支付系統的設計與實現

朱靜　閩芳　陳臘梅　陳健鵬　陳曉剛

摘要：指紋支付是支付方式的一個新的方向。指紋識別技術是依靠指紋的唯一性，通過對指紋的采樣、特征值提取來實現身份識別的技術。和傳統的帳號加密碼或是Ic卡掃描識別等身份識別方式相比，指紋支付具有更高的安全性、不會遺忘、丟失、不變性、唯一性、防偽性能好和使用方便等優點。本文設計并實現了一個通過指紋識別方式，完成支付等功能的系統，同時設計了無線功能，可以完成主機和客戶端的無線數據通訊、同步功能。該系統可以方便快捷地完成支付功能。

關鍵詞：指紋識別；支付

中圖分類號：TP393.02 文獻標識碼：A DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2015.05.028

0 引言

當前，人們進行支付時，多采用現金、充值IC卡的方式。隨著IC卡技術的普及，越來越多商戶提供了充值IC卡的支付方式，當人們在一些商戶消費時，無需現金，直接用充值卡進行支付。但是用IC卡支付的方式存在不少弊病，例如：不易保管，容易丟失等，而且僅僅依靠密碼或是簽名進行身份驗證，并不能真正地確認持卡人是否為其真正的主人，那么一旦用戶的IC卡丟失或是被竊，就會有被盜用的危險。

指紋識別技術是利用人類指紋的唯一性，通過對指紋圖案的采樣、特征信息提取并與庫存樣本相比較的過程來實現身份識別的技術。與帳號加密碼、充值Ic卡等傳統的身份識別手段相比，指紋識別技術具有不會丟失、不會遺忘、唯一性、不變性、防偽性能好和使用方便等優點，所以已經逐步在門禁、考勤、金融、公共安全等領域得到應用。本文將指紋支付應用到消費領域，設計并完成一種全新的指紋支付系統。

1 指紋支付的概念

指紋支付，也叫指紋消費，是一種利用指紋認證的生物識別技術進行繳費支付的方式。該支付方式采用指紋系統進行消費認證，即顧客使用指紋注冊成為商家會員，通過指紋識別即可消費或打折，簡化了消費程序。

由于生物識別技術認定的是人本身，而每個人的生物特征，包括指紋在內，都具有唯一性和一定時期內的穩定性，不易被偽造和假冒，所以這一支付方式在一定程度上確保了用戶隱私不受侵犯，而且比其他支付方式更便捷。因此，指紋支付將會成為一種新生的支付方式。

使用指紋支付，可以省去辦卡的費用、節約資源。在一些需要刷卡消費的場所，比如餐館、商店、網吧、食堂或是連鎖賣場使用指紋支付，無疑是一種更新穎、更時尚的消費方式，給顧客和商家帶來便利的同時，也提升顧客的消費體驗感。2系統功能設計

本系統實現的功能是將指紋識別技術應用于商戶支付，根據應用的需求，需要設計兩類用戶：注冊用戶和管理員，功能如下：

注冊會員：充值、查詢余額、指紋支付；

管理員：建立新賬戶、會員管理、金額管理；

本系統設計了服務器端和客戶端，服務器端和客戶端采用無線方式傳輸數據。當用戶在支付時，無需到柜臺進行支付，只需在座位上用客戶端進行指紋刷卡，就可以將數據傳遞到服務器端，從而進行支付；

服務器端：提供指紋支付、指紋充值功能，同時可以處理客戶端發送來的信息，進行相應處理，處理完成后，將結果返回給客戶端；

客戶端：通過采集指紋信息，發送給服務器端進行處理，從而完成支付或是充值功能，并接收服務器端返回的信息。

3 系統實現

3.1 硬件設計

本系統服務器端和客戶端均采用ST（意法半導體）公司生產的ARM CortexM3內核的STM32F103ZET6的主控MCU。該芯片最高工作頻率72MHz，具有512KB的flash存儲空間，64KBSRAM，帶多達112個I/O口，11個定時器，13個通訊接口。該MCU完全可以滿足本系統的功能和性能要求。

本文通過STM32F 103ZET6外接FLASH模塊、SD卡模塊、LCD模塊、LED模塊、指紋模塊、矩陣鍵盤模塊、NRF24L01無線通訊模塊等模塊完成本文提到的所需要功能。系統結構如圖1所示。

1.指紋模塊

指紋模塊的CPU是一片DSP芯片，型號為PS1802，指紋采集使用的是CMOS芯片，CMOS芯片主要是對指紋進行“照相”，生成指紋特征值。指紋模塊通過USART接口與服務器端或是客戶端進行通訊和數據交換。

2.TFT-LCD模塊

TFT-LCD，是在亮度、對比度、功耗、壽命、體積以及重量等綜合性能上全面趕超CRT的顯示器件，并具有觸屏功能，通過它來顯示點陣漢字以及其他需要顯示的信息。

3.FLASH模塊

FLASH（閃存）則是一種非易失性內存，本文用它來存儲點陣漢字，既能達到快速提取點陣信息的功能，又不占用有限的編程空間SRAM，提高程序的運行效率和空間。

4.NRF24L01模塊

該模塊主要用來完成服務器端和客戶端無線通訊功能，需要選擇從功耗、性能上相對合適的無線傳輸模塊，因此本文選擇了NRF24L01模塊。NRF24L01是NORDIC公司生產的一款無線通信通信芯片，采用FSK調制，內部集成Enhanced Short Burst協議。可以實現點對點或是1對6的無線通信，無線通信速度可以達到2M（bps）。通過它可以實現服務器端和客戶端的通訊。

通過對硬件模塊功能的分析，明確了各個模塊的元器件的選擇，最終硬件電路圖設計如圖2所示。

3.2 數據存儲結構

由于用戶數量是不確定的，所以無法采用數組方式來存放會員數據，所以本系統考慮采用鏈表結構來存放數據，節約動態分配空間。鏈表結構可以充分利用計算機內存空間，實現靈活的內存動態管理。

由于一個用戶至少要存儲兩個指紋的信息，所以需要兩個鏈表來進行數據記錄用戶及其指紋的信息。另外管理員信息需要單獨一個鏈表來存儲，本文創建了三個鏈表，如圖3所示。

3.3 軟件模塊設計

本系統的所有操作都是以指紋識別為基礎，指紋模塊與服務器端和客戶端都是通過串口進行通訊，主要實現指紋匹配功能、指紋采集功能、指紋刪除功能、清空指紋庫功能。

指紋匹配功能：將讀入的指紋信息與鏈表中指紋信息進行匹配，如果匹配成功，返回指紋編號，顯示指紋對應的用戶的信息。如果在一個循環周期內沒有搜索到指紋，則返回“匹配失敗”。

指紋采集功能：新用戶注冊時，需要錄入兩個指紋，因此需要通過指紋采集器進行二次指紋采集，然后制作成指紋模版，并將該模版保存到鏈表中。

指紋刪除功能：當用戶不再需要在商戶進行消費時，可以將數據進行刪除，空出存儲空間，便于新會員加入。

清空指紋庫功能：提供清空全部指紋功能，可將系統還原至初始化。

指紋匹配算法主要涉及：指紋圖像預處理、特征點提取和特征點匹配。圖像預處理又包括圖像場的計算、分割、均衡化、平滑化、增強、二值化、細化等，通過這些預處理使特征值更容易被提取，如圖4所示。

4 結束語

本文將指紋識別技術應用于支付領域，設計并實現了一整套指紋支付系統。該系統包含管理員和普通會員兩種用戶，方便進行權限控制。同時為了方便用戶使用，設計了服務器端和客戶端，并采用無線通信方式進行數據傳輸。該系統極大解決了當前用IC卡進行支付的弊病，提升用戶支付體驗感，應用前景廣闊。