一種聯合檢測門禁系統的設計與實現

孫科學，洪 櫆，章康寧，王星稚，劉 康

(1.南京郵電大學 電子科學與工程學院，江蘇 南京 210023;2.江蘇省射頻集成與微組裝工程實驗室,江蘇 南京 210023;3.南京郵電大學 通信與信息工程學院，江蘇 南京 210023)

一種聯合檢測門禁系統的設計與實現

孫科學1,2，洪 櫆1，章康寧3，王星稚3，劉 康3

(1.南京郵電大學 電子科學與工程學院，江蘇 南京 210023;2.江蘇省射頻集成與微組裝工程實驗室,江蘇 南京 210023;3.南京郵電大學 通信與信息工程學院，江蘇 南京 210023)

門禁系統作為目前物聯網中發展應用較為成熟的產品，與物聯網行業的發展密切相關。現在市場上的門禁系統有基于射頻識別、指紋識別、密碼識別等方式，但單一識別方式較為容易破解。文中設計綜合了語音識別、指紋識別、無線數傳與GSM網絡通訊的聯合檢測門禁系統，系統中由語音識別與指紋識別完成身份認證，無線傳輸負責系統內通信，GSM網絡通訊作為向外界報警手段。針對系統整體結構，關鍵技術的開發過程，系統工作流程做了詳細介紹，并對系統的雙重認證，無線數傳分體式設計，加密通信方式等特點進行了總結。提出并設計實現了一種將語音識別、指紋識別相結合的復合認證門禁系統。

門禁系統；聯合檢測；語音識別；指紋識別

0 引 言

隨著當今電子技術，計算機軟、硬件技術，通訊技術的快速發展，物聯網成為繼互聯網之后又一新興行業。目前世界各國已經開始重視物聯網的建設，并做了大量的技術研發和應用工作，使得物聯網產業已經成為推動世界經濟增長的重要新興產業[1]。門禁系統作為目前物聯網中發展應用較為成熟的產品，更在一定程度上代表著物聯網行業的發展。現在市場上的門禁系統有基于射頻識別、指紋識別、密碼識別等方式，但單一識別方式較為容易破解。門禁系統的組成方式按設計原理分類又分為一體式與分體式。其中一體式由于控制器須安裝在門外，所以部分控制線必須露在門外，則有可能會被人暴力破解。分體式中有部分需要連接如小區物業、公司安保等的后臺服務器，適合用戶群體大的場合，但不適合普通單戶家庭。因此，一個多重識別、分體式、低成本的門禁系統是普通家庭安全的最佳選擇。

語音識別是指機器通過學習實現從語音信號到文字符號的理解過程，是一種十分重要的人機交互方式[2-4]。語音識別屬于模式識別的一種，分為訓練與識別兩個過程。訓練階段，系統將人類的語言內容組成語音庫存儲起來。識別階段，將人類輸入的語言內容同語音庫存儲內容進行匹配，再將匹配的結果返回[5-9]。

指紋識別技術是一項生物識別技術。1684年，英國植物形態學者Nehemiah Grew發表了世界上指紋研究的第一篇論文，對指紋的谷線、脊線、汗腺孔的結構進行了系統的分析研究[10]。自動指紋識別系統(Automated Fingerprint Identification System，AFIS)，由于其安全性、可靠性及高效性，使得它在刑偵、信息安全、電子商務等眾多領域有著廣泛的應用前景[11-14]。

文中設計并實現了一種集語音識別、指紋識別、無線數傳與GSM網絡通訊為一體的聯合檢測門禁系統。

1 系統整體設計

系統由前端門禁部分與后端報警部分組成。前端門禁部分通過凌陽SPCE061A語音識別模塊與FPM10A指紋識別模塊進行語音與指紋的雙重認證，以確認訪問者身份，然后通過NRF905在特定頻段向后端特定地址發送加密報文。后端則根據報文及傳感器綜合判定訪問者是否非法闖入。若非法，則通過SIM900A向指定號碼發送警報信息，同時蜂鳴器響起，以震懾非法入侵者。若合法，則允許訪問者通行，報警部分不作任何操作。基于兩部分的無線分體式設計不僅提高了適用范圍，也提高了安全系數。系統框圖如圖1所示。

圖1 整體設計實現框圖

系統工作過程中，德州儀器(TI)公司的MSP430F149作為系統主控芯片，負責各模塊部分通信連接，語音識別使用的是凌陽公司的凌陽SPCE061A，指紋識別由FPM10A完成，無線數傳模塊選用了挪威NORDIC公司出品的NRF905，GSM網絡通訊模塊是SIMCom推出新款緊湊型產品—SIM900A，12864液晶屏幕作為人機交互模塊，采用了德國原裝進口LHI778探頭的HC-SR501作為感應裝置。

2 系統關鍵技術詳細設計與實現

2.1 語音識別

系統設計中選用了凌陽SPCE061A模塊來實現語音識別功能，該模塊具有32 768 Hz的實時時鐘以及音頻編碼SACM_S240方式(2.4 kbit/s)，可容納210 s語音數據，運行速度快，開發流程便捷。

2.1.1 語音識別功能軟件設計

凌陽SPCE061A使用集成開發環境IDE開發，開發語言為C語言，其軟件設計過程中需要經歷語音命令模型庫訓練、語音識別、語音提示三個部分。

(1)語音命令模型庫訓練時，語音輸入采用SPCE061A系統通過MIC輸入模塊采集語言信號,然后將之生成模板保存于SPCE061A的32K字的Flash存儲器中。文中設計的語音命令共有5個，分別是系統喚醒指令、開燈指令、關燈指令、開門指令以及關門指令。

這樣既可以保證識別的正確率,也便于存儲。同時，由于這五個指令并非是已存儲過的固定指令，而是需要用戶自由選擇以后輸入的語音口令，從而實現了語音口令的用戶自定義化、動態化，更加提升了系統的安全性、可靠性。語音命令模型庫訓練流程圖如圖2所示。

圖2 語音命令模型庫訓練流程圖

(2)語音識別和語音提示的程序設計時，首先識別器初始化，初始化完成后將會語音提示系統準備完成。然后，若SPCE061A檢測到系統喚醒指令，則在向用戶語音提示以后，檢測輸入的語音指令是否匹配之前訓練存儲的指令，若是，則執行相應命令，如開門、關門；若不是，或者未輸入語音指令，則語音提示失敗。在該部分設計中，語音提示輸出可以使用凌陽公司為用戶提供的編制的API函數。語音識別和提示軟件流程如圖3所示。

圖3 語音識別和語音提示流程圖

2.1.2 語音識別功能硬件設計

該設計中語音識別部分使用的是凌陽SPCE061A開發板，由SPCE061A控制喇叭可以實現語音提示功能，由MIC輸入模塊連接SPCE061A實現語音輸入。語音識別完成后，SPCE061A通過IO口與門禁部分主控芯片MSP430F149通信，返回語音識別的結果。

2.2 指紋識別功能軟件設計

指紋識別軟件設計中包含指紋的存儲與指紋的匹配兩個部分。在IAR開發環境下，首先新建了名為FPM10A.h的頭文件，然后在該文件下寫入諸如獲得指紋圖像，將圖像轉換成特征碼存放在Buffer1中，將Buffer1跟Buffer2中的特征碼合并成指紋模板等函數，最后在主函數main.c中調用函數，以實現相關功能。

而MSP430F149依靠UART0與FPM10A通信，波特率為57 600 bps。MSP430F149通過發送規定格式報文至FPM10A來控制FPM10A完成比對指紋模板、存儲指紋模板到相應位置等操作。而FPM10A執行完操作后，將會返回包含諸如未識別到手指(手指未在傳感器上放好)，指紋匹配成功，指紋匹配失敗等回文。其報文回文格式如下(以錄指紋圖像命令為例，其余命令類似)：

報文中包頭固定不變，模塊地址可以自由定義，文中設計的模塊地址定義為FF FF。包標識為01時，代表MSP430F149向FPM10A發送的請求命令報文，包標識為07時，代表FPM10A向MSP430F149返回的命令執行結果回文。包長度為包長度字節之后報文長度，包長度字節之后為指令碼與校驗和，兩者合計3 bytes。指令碼為MSP430F149向FPM10A發送的指令，如01代表錄指紋圖像命令。校驗和為模塊地址字節之后，校驗和字節之前的長度，其中包標識、包長度、指令碼三者共計5 bytes，因此校驗和為05H。確認碼為FPM10A向MSP430F149返回的執行結果，當確認碼為00H,01H,02H,03H時，分別代表錄入成功，收包有錯，傳感器上無手指以及錄入不成功。其他指令的報文格式與此相類似。

(1)指紋的存儲過程中，首先MSP430F149控制FPM10A獲得指紋圖像，然后將圖像轉換成特征碼存放在Buffer1中。為保證輸入的準確，再一次獲得指紋圖像并將圖像轉換成特征碼存放在Buffer2中。下一步將兩個Buffer中的數據轉換為指紋特征模板，最后按順序存儲于FPM10A中。指紋存儲流程圖見圖4。

(2)指紋的匹配過程中，首先MSP430F149控制FPM10A獲得指紋圖像，然后將圖像轉換成特征碼存放在Buffer1中，再將Buffer1中數據轉換為指紋特征模板，然后搜索指紋庫并返回結果。

2.3 無線數傳

在系統中實現無線數傳功能的是NRF905，門禁部分發送，報警部分接收。軟件設計時分別對應使用了NRF905的ShockBurst TX和ShockBurst RX工作模式。初始化時，設置工作頻段為430 MHz，輸出功率10 dB，地址寬度4字節，數據長度32字節，接收地址為0xCC,0xCC,0xCC,0xCC，CRC8位校驗。

(1)ShockBurst TX發送流程設計：首先按NRF905的SPI接口時序寫入接收機地址和傳輸數據，然后置高TRX_CE和TX_EN，啟動NRF905的ShockBurst TX模式，從而完成數據的發送。數據包發送結束后，NRF905自動進入空閑模式。

圖4 指紋存儲流程圖

(2)ShockBurst RX接收流程設計：首先置高TRX_CE，置低TX_EN，啟動ShockBurst RX模式。650 μs后，NRF905才可以正常接收數據，注意此處由于NRF905啟動ShockBurst RX模式有延遲，所以門禁部分無線數傳設計中，系統開放校驗碼并非發送一次，而是發送多次，以此保證報警部分不會丟失門禁部分發送過來的校驗碼，加強系統的可靠性。當檢測到430 MHz頻段載波，且接收地址是0xCC,0xCC,0xCC,0xCC時，讀出數據包，此后NRF905進入空閑模式，NRF905將數據包通過SPI接口傳輸至MSP430F149內。

2.4 GSM網絡通信軟件設計

選用SIM900A來完成系統GSM網絡通訊的功能。當報警系統判定非法闖入時，MSP430F149通過UART0發送指令控制SIM900A向指定號碼發送報警短信，串口通信波特率為9 600 bps。

硬件設計較為簡潔，SIM900A需要12 V供電，與MSP430F149共地之后，僅需要將MSP430F149的UART0與SIM900A的TX與RX對應連接即可。

軟件設計中，首先需要通過AT+CSCS="GSM"指令設置"GSM"字符集，延時等待執行后，設置文本模式，再根據類似AT+CMGS="139XXXX8612"指令設置接收方號碼，此時可以輸入短信內容以等待短信的發送，最后發送HEX格式的1A啟動短信發送流程。

3 系統的工作流程

系統開機以后，門禁部分首先輸入管理員指紋，賦予權限以方便后期進入系統設置狀態，完成諸如添加訪問者等操作，然后進入門禁部分待機狀態，此時門禁部分默認關門。報警部分則直接進入待機狀態，此時報警部分默認關門。系統有四個狀態，分別是待機狀態、系統設置狀態、系統開放狀態和系統關閉狀態。

3.1 待機狀態

待機狀態時，門禁部分實時檢測語音識別成功標志位，若失敗，則提示語音識別未完成，返回待機狀態；若成功，進入系統選擇菜單，此時可執行用戶認證和增加新用戶操作，相應可分別進入系統開放狀態、系統關閉狀態以及系統設置狀態；同時，報警部分實時檢測系統開放標志位，若開放，則報警部分停留在系統開放狀態；若關閉，則報警部分系統進入系統關閉狀態。

3.2 系統設置狀態

系統從待機狀態轉換過來，進入到系統選擇菜單之后，可以選擇增加新用戶操作，從而進入系統設置狀態。首先，門禁部分驗證管理員指紋以獲得增加新用戶操作的權限。如果管理員指紋驗證失敗，提示管理員指紋匹配失敗后返回系統選擇菜單。如果管理員指紋驗證成功，則提示管理員指紋匹配成功，并于5 s以后執行新用戶指紋輸入操作，然后返回系統選擇菜單，系統設置過程結束，跳出該過程；在系統設置狀態下，報警部分處于待機狀態中，不執行其他任何操作。

3.3 系統開放狀態

系統開始處于待機狀態，首先完成語音識別，然后系統將從待機狀態轉換過來，進入到系統選擇菜單之后，可以選擇用戶認證操作，即指紋識別操作。若用戶認證成功，則進入系統開放狀態，此時門禁部分將通過NRF905在特定頻率向特定地址發送特定的系統開放狀態報文，報警部分接收到該報文后將會進入系統開放狀態，從而用戶通過門禁時雖然報警部分檢測到有人進入，但不會報警。系統開放狀態流程如圖5所示。

3.4 系統關閉狀態

若語音識別未完成，則系統處于待機狀態，出現非法通過情況將觸發報警。若語音識別完成，則系統從待機狀態轉換過來，進入到系統選擇菜單之后，可以選擇用戶認證操作，即指紋識別操作，若用戶認證失敗，則進入系統關閉狀態。門禁部分將不會向報警部分發送任何報文，從而非法訪問者將不會獲得諸如系統通信頻率、收發地址、報文確認碼等信息，有效提高了系統的安全系數。此時若非法訪問者闖入屋內，報警部分將被觸發，蜂鳴器響起以威懾非法訪問者，同時SIM900A向特定號碼報警。若非法訪問者破壞門禁部分，將不會影響報警部分工作，從而大大提高系統整體安全性。若非法訪問者用戶認證失敗后不做下一步行動，門禁部分將返回待機狀態。系統關閉狀態流程如圖6所示。

圖5 系統開放狀態流程圖

圖6 系統關閉狀態流程圖

4 結束語

文中將語音識別技術和指紋識別技術相結合，提出并設計實現了一種將語音識別、指紋識別相結合的復合認證門禁系統。利用硬件電路實現，并通過測試和分析得出下面的結論：

(1)系統采用雙重認證，先進行語音識別，再進行指紋識別。每一次認證都有它特有的識別方式和安全性，各種識別技術相互配合，極大地提高了系統的可靠性。

(2)引入了無線數傳技術，使門禁系統中的門禁部分獨立于報警部分，相似于“鑰匙”與“鎖”的關系，而且“鎖”是訪問者不能接觸到的，“鑰匙”則只識別特定訪問者，從而大大增強了系統的安全性，避免了不法分子外部破壞門禁系統所帶來的麻煩。

(3)文中設計是類似于“鑰匙”與“鎖”的設計，如果沒有成功認證，則門禁部分不會向報警部分發送任何信息，且認證成功之后，門禁部分也將只發送足夠報警部分識別的解鎖報文，而不會一直發送。從而破解者將不會輕易獲得諸如門禁部分與報警部分的通信頻段、報警部分目標地址、加密報文內的驗證碼等信息，很大程度上提高了安全性。

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Design and Implementation of Joint Detection Access Control System

SUN Ke-xue1,2,HONG Kui1,ZHANG Kang-ning3,WANG Xing-zhi3,LIU Kang3

(1.College of Electronics Science and Engineering,Nanjing University of Posts and Telecommunications,Nanjing 210023，China;2.Jiangsu Province Engineering Lab of RF Integration & Micropackage,Nanjing 210023,China;3.College of Telecommunications & Information Engineering，Nanjing University of Posts and Telecommunications，Nanjing 210023,China)

Entrance guard system,as a mature product,is closely related to the development of the Internet of Things industry.Now the market includes entrance guard system based on RFID,fingerprint identification,password identification and so on,but the way is relatively easy to identify a single crack.The design proposes an integrated access control combined detection entrance guard system of speech recognition,fingerprint recognition,wireless data transmission and GSM network communications.In the system,the identity authentication is done by speech recognition and fingerprint recognition,a wireless transmission system is responsible for communication,GSM network alarms to the outside world as a means of communication.In view of the overall system structure and key technology development process,the system working process is introduced in detail,and the system of dual certification,wireless digital separation design,encryption communication characteristics are summarized.Present and design a dual authentication entrance guard system combined speech recognition and fingerprint recognition.

entrance guard systems;joint detection;voice recognition;fingerprint identification

2015-03-29

2015-07-01

時間：2015-11-19

國家級大學生創新訓練計劃(SZDG2014002)；南京郵電大學自然科學基金項目(NY214049)

孫科學(1981-)，男，副教授，研究方向為電子電路設計、嵌入式系統與通信軟件設計；洪 櫆(1989-)，男，研究方向為電子科學與技術。

http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1450.TP.20151119.1113.072.html

TP311.1

A

1673-629X(2016)01-0155-05

10.3969/j.issn.1673-629X.2016.01.033